AP1035140谢小弟-基于单片机的声光控智能开关

五邑大学本科毕业设计摘要目前研究视频中的物体检测与跟踪的方法是计算机视觉领域发展的一个重要方面，具有很大的实用价值，可以让计算机代替人工去完成各类监控视频和人流量统计的任务，减少了人工操作，为了有效的利用学校教室的资源和节约教室的电力资源，能够有效地解决对学生到课室的人数统计和教室内无人而亮灯、人数少而开多灯、以及根据定时开关灯的现象，便于对教室进行管理。因此，本文针对监控视频设计了一种可以自动统计人数的方法，首先，将监控视频序列中的图像转化为灰度图像，利用帧间差分法提取前景图像并将其二值化。然后，对前景的图像求出质心，最后，利用质心跟踪算法对人头进行跟踪实现人数统计。通过实验测试表明，该算法具有很大的可行性，可以实现对人数进行计数。关键词：监控视频；帧间差分法；质心跟踪法；人数统计AbstractThemethodofthepresentstudyvideoobjectdetectionandtrackingisanimportantaspectofthedevelopmentofthefieldofcomputervision,hasgreatpracticalvalue,youcanletthecomputerinsteadofdoingsotocompletevarioustypesofvideosurveillanceandhumantrafficstatisticstasks,reducingmanualoperationsinordertoeffectivelyutilizeresourcesandclassroomsclassroomsavingpowerresources,caneffectivelysolvethenumberofstudentstoclassroomsandclassroomstatisticsandnolights,andthesmallnumberofopenmulti-lamp,lightswitchesandthetimingphenomenon,facilitateclassroommanagement.Therefore,thispaperdesignedavideomonitorcanautomaticallycountthenumberofthemethod.Firstofall,willmonitorvideosequenceintograyimage,theimageinaframedifferentialmethodisusedtoextracttheforegroundimageandthesecondvalue.Then,Theforegroundimageandthecenterofmass,finally,throughthecentroidtrackingalgorithmforheadtrackingnumberstatistics,experimentaltestsshowthatthealgorithmispracticalandcanbeimplementedtocountthenumber.Keywords:SurveillancevideoTheframedifferencemethodCentroidtrackingThenumberofstatistics目录摘要 IAbstract II目录 III第一章绪论 11.1设计的背景 11.2设计的发展状况 11.3设计的研究意义 2第二章系统设计方案及主要内容 32.1方案要求 32.2设计思路及说明 32.3设计方案 42.3.1方案一 42.3.2方案二 42.3.3方案选择 52.4研究声光控智能开关的主要内容 52.5本章小结 5第三章系统的工作原理及设计结构 63.1系统的工作原理 63.2系统结构组成 63.3声光控智能开关的关键技术 73.3.1驻极体传感器 73.3.2光敏电阻 73.3.3双电压比较集成器LM393 83.3.4可控硅 83.4本章小结 9第四章软硬件的研究 94.1系统硬件的设计 94.1.1声控电路的设计 104.1.2光控电路的设计 114.1.3电源电路的设计 124.1.4灯电路的设计 124.1.5控制电路的设计 144.1.6系统硬件整体电路图 164.2系统软件设计 164.2.1软件设计思路 164.2.2程序流程图 174.2.3主程序设计 174.2.4延时程序设计 174.2.5驱动程序的设计 184.3本章小结 18第五章系统设计的调试及问题分析 195.1系统的调试过程 195.2调试过程遇到的问题 205.3本章小结 20结论 21主要参考文献 22致谢 23附录 24附录一总电路原理图 24附录二系统PCB图 25附件三C语言源程序代码 26第一章绪论1.1课题背景和意义近年来,随着现代社会的经济水平和科技水平不断进步，各高校在不断扩大招生，使得学生上课班级人数大大增加,这不仅给有关负责考勤的管理人员或者任课的教师对学生到课人数的统计带来了诸如点名而占用有限的课堂授课时间等问题，同时随着学生人数的持续上升，而教室的利用资源也却相对紧张。导致学校出现对教室资源了难以管理分配的情况，还有由于目前大部分学校对照明系统的管理模式，使得教学楼照明资源的也相对紧张，对于教室照明的管理和学校教室数量的是否得到有效利用的情况也是学校管理教室的难题。(1)教室照明的情况：由于大学校园是开放式的管理模式，并且许多学生的节能意识不强，学校大部分的教室在白天时具有阳光充足照射的情况下也开着灯照明的现象也普遍存在，同时不管教室内是否有师生活动，照明设备也依然开着，浪费了大量的电力资源。而且在夜间的这种浪费情况更加严重，教室的人不多或者是没有人活动的情况下大部分的教室中的灯都依然全部打开。这种浪费的现象不仅给学校增加了电费的负担和成本的开支，而且也大量浪费了社会资源。针对目前大部分学校对照明设备的管理模式大概有以下三种：①无人管理模式：完全由学生自己控制教室的开关，由到教室的学生根据自己的需要开启灯开关。②专人管理模式：学校会安排专人负责照明系统的开关，当学生上下课后有特定的人来检查每个教室是否有人，从而开启或关闭灯，或者是由学校安排每个班级的值日生负责开关灯的情况。③利用定时开关控制：由于定时开关只能是针在学生在正常上下课的情况而设置的，没有考虑到特殊情况，如果是某一天出现教室没人上课，但是灯还是会根据特定的时间开着的情况。综上所述，以上三种管理模式都会带来了由于教室无人而灯开、人数比较少而多开灯以及光线较暗而不能及时开灯等情况的问题,这不仅带来了能源的浪费,而且也影响了正常的教学活动，增加学校对照明系统管理的难度，所以提出要智能控制灯照明是非常有必要的，不仅可以降低学校的开支成本，还可以节约资源。所以要达到能够对学生进出教室时对学生到课室人数进行自动统计、根据是否有人在教室内而自动启动或者关闭灯、随教室内人数的多少而选择开启不同数量的灯以及根据室内光线的亮度而自动开关灯的功能。因此，要实现智能控制灯开关的管理，首先需要对学校是否在教室的人数进行统计，而且节约了电力资源和减少了人工操作。（2）学校教室数量利用的情况：由于教室资源分配的问题将直接影响着该学校办学的社会效益、经济效益、规模效益以及办学的教育水平和质量等问题。由于教室的资源不会迅速的增长，如何才能有效的利用空闲教室，是学校管理者面临着一个难题。针对目前多数高校的教室一般分为学校的公用教室和学院的专用教室两大类，但是学校大多数只能提供学校公用的教室给学生进行自习。由于学校的教学和科学研究的需求,相对于学校的总体数量进行比较，公用教室的空余数量往往只占有小部分。但是,随着教室里的背景日益紧张和缺乏资源,并且一些教学楼建筑的位置比较偏远和环境比较陈旧等原因，导致部分的公用教室经常出现无人问津的情况，诸如图书馆一些比较偏僻的座位也经常会出现这类情况，导致了教室资源的浪费。针对目前学生们选择教室自习所面临的一些问题如下：学校白天大部分教室有课，学生如果、想要寻找到一个没课的教室进行自习，由于不知道哪些教室没课，往往会奔走于各楼层之间寻找一段较长的时间，这样盲目的寻找浪费了学生们宝贵的学习时间。使学生能够找到空课室当作自习教室，但如果这个教室下节有课，学生通常刚学一会儿就被迫离开，继续下一轮盲目地寻找自习室。这严重影响了学生们的学习效率。虽然晚上大部分教室没课，但是晚上是学生进行自习的高峰时段，学生们会随机的选择自习课室，导致不同教室的学生数量存在不均匀分布的现象，出现了一些教室人患为满，另一些教室却无人自习的现象。所以学生想要找到一个人少的自习教室通常需要花费很长时间，浪费学生学习时间的同时，也造成了人少自习教室资源的浪费。因此综上以上三点的情况，要想帮助学生快速有效地找到空课室且人少的自习室，节约学生宝贵的学习时间，因此针对各高校教室资源使用效率低的情况，通过自动统计教室的人数，来达到有效利用教室资源的目的，也是一项非常有意义、有价值的研究课题。所以，本课题设计的目的是为了方便学校对教室进行管理，便于教师或者考勤管理员于对学生到课室的人数进行统计和管理教室的照明情况以及学生是否能够有效的利用教室资源的情况，就需要统计教室进出的人数。而早期的统计人数方法是利用人工进行统计或者是利用电子设备触发的方式进行统计都有不可避免的缺点，这种低效的统计方法不能够满足现代信息化的需求，随着现代信息化的不断发展，人数统计的智能化越来越有市场需求，研究出一种可以自动统计人数的系统是非常有必要的，而现在智能监控视频是计算机领域发展的一个重要方面，它是通过监控摄像头对某个区域特定进行实时的动态监控，它能够不需要人为或者只需要少部分人的参与下对视频进行监控，从而实现人数的统计。通过这个自动统计人数不仅可以降低人工成本，还可以提高精度。视频监控系统的智能化，是监控系统的未来发展方向，所以对视频中进行自动的人数统计的方法研究具有重要的现实意义。1.2国内外研究现状随着计算机视觉领域技术的不断发展，而当前视频人数统计系统的技术主要包含了视频处理、图像处理、人工智能和模式识别等方面，是一个很有挑战性的课题。当前国内外采用视频图像处理的方法对人数统计的研究按照拍摄的情况来分可以分为垂直场景拍摄与平视拍摄，按照所采用的摄像头数目来分可以分为：单目、双目以及多目识别。由于采用双目识别和多目识别需要用到摄像机标定的技术，双目识别是基于计算机视觉的理论，利用计算机定位目标获得图像的深度信息，用于进一步对图像识别处理。与单目识别相比之下，单目识别的算法相对简单。它采取的垂直拍摄的方法能够有效的辨别出多人并行的情况，于是单目识别在现实生活中应用比较普遍。所以本文采取单目识别的方法来实现对教室出入口的人数统计。(1)当前国外的研究成果主要有：SeiichiMita[1]等人提出了一种基于稀疏表示的方法对行人检测的系统;KristoffersenMiklasS[2]等人介绍了使用一个立体的热相机设置的行人计数。MahdiHashemzadeh[3],等人本文提出了一种方法，使用运动统计的特征点，估计在人群中移动的人的数量.(2)国内当前的研究成果主要有：苏娟[4]研究了基于视频的教室人数统计的算法，该文章是对教室场景中基于人体特征的方法进行人数检测，采用不同的特征分类方法和特征提取方法来实现人数统计。贾慧星和章騎晋[5]采用特征和相结合的行人检测方法。作者使用了该方法来实现对行人头部和肩部的检测，同时根据目标跟踪和轨迹分析等相结合的方法来实现视频自动统计人数的系统；辛海涛[6]等人利用背景模型、运动检测、目标追踪及模式识别等方法来实现客流量统计；张丙坤[7]等人提出了基于Haar特征的AdaBoost分类器进行检测的方法。通过对Haar特征值和积分图的介绍，并且获取了特征值的提取方法，利用分类器的方法实现了人头检测。而目前行人检测的常用方法包括背景差分法、光流法和帧差间法等，而帧间差法是在动态领域应用方面比较广泛的方法。常用运动目标跟踪的方法主要有：质心跟踪算法、相关跟踪算法、多目标跟踪算法、边缘跟踪算法、相位相关跟踪算法、场景锁定算法以及组合跟踪算法等，而质心跟踪算法的计算量相对简单[8]。以下是针对目前存在的基于视频的人数统计系统的主要问题有：行人目标是否能够快速并且准确地检测和分割。由于人数统计的系统应用在不同的场景下，所拍摄到的视频也各不相同，比如人多拥挤、光照强度变化、以及人为在拍摄的过程中出现摄像机抖动等情况都会影响到对行人的检测和分割的结果，尤其是当多个行人目标一起行走时，如何做到准确的对行人目标进行分割，分割的精度也会直接影响到后期的处理并且影响着统计人数的准确率，这也是一个系统设计的难点；当行人行走时被遮挡的情况。比如行人戴着帽子、用其他物品挡着头部以及行人之间互相遮挡的情况，这都将会导致出现漏检的情况；行人随身携带着大件的物体一起行走将会照成误检的可能性；行人的运动方向不定性造成计数的困难。比如：行人的来回徘徊行走、行人的逗留等情况；行人是非刚体的运动目标，行人在运动的过程中，所呈现出来的形态和特征都是不断地变化。所以很难使用固定的运动参数来计算行人的运动状态，这也是导致研究人数统计系统对行人进行检测和跟踪的难题；计数系统的实时性。由于是针对视频进行处理，所以对算法的处理时间要尽量的快，这就要求要使用快速并且准确的算法来处理，但是这种算法的复杂性和难度都相对高；计数系统的准确性。要求系统能适合在不同的环境中都能准确的计数，这也是研究人数统计的方法的难题之一。1.3本论文的主要工作本论文主要的研究内容是运用图像视频处理和模式识别等技术对监控视频中进行进出人数统计的方法研究。主要的工作可以分为如下几个方面：1.如何利用帧间差分法进行预处理使输入图像转换为二值图像；2.如何通过连通组件标记算法找到所有的连通区域，并分别标记；3.如何对每个连通区域进行计算质心；4.如何通过质心跟踪法来实现对人头的跟踪和实现人数的统计。本论文拟解决的关键问题：由于声光控电路已成为人们生活中重要的一部分。它不需认为手动切换，当有外界声音或者有人经过时，自动开灯，点亮15s后自动关断。这给人们带来了极大的方便。因此，智能灯实现自动灯光闪耀，节约能源，降低消耗的是如此之重。该设计节电高达80％的效率，全自动智能控制，布线，安装方便，是理想的公共场所照明开关。研究目的：通过本研究，希望能靠自己进一步了解它并理清原理，将平时所学习的理论知识和技能运用到实际生活当中，经过这次的实践我的动手能力，分析能力和自主研究的精神得以进一步的提高。同时，通过本研究希望改善社会共同的科学知识的理解;增强自身的见解和设计论文的方法。第二章系统设计方案及主要内容2.1方案要求目前由于应用模拟电子技术来设计的智能声光控开关使用的局限性大，其局限主要是分立元件多，不可靠，而且大量开关使用周期不长。又由于电源启动电流过大和动作频繁，而导致过载而损坏可控硅功率器件，所以只有在设计中采用开关电压过零保护技术，电流晶闸管启动时才不会受节能灯开启时的大电流冲击避免过载，大大增加了开关的工作周期。下列是方案设计的基本条件:采用52系列单片机中央处理器；具有声控和光控功能；完成系统电路设计；能够进行模电转换的光敏电路设计；模拟电路完成后，单片机编程可以通过改变时间长短来实现灯亮的时间。2.2设计思路及说明随着科技的飞速发展，自动化已经运用在了生活中的方方面面，街道照明是一个很好的例子。通过语音自动化控制和灯光控制两部分，实现了街道灯的工作。主要通过光线强度和声音大小来控制对节能灯工作的控制。白天光照强度很大的时候路灯不需要点亮，而到了晚上通常就需要路灯是点亮的，但是由于晚上又不需要路灯经常亮着，因为这样势必会浪费许多电量，所以需要通过声控来实现路灯的点亮与熄灭；当人或车辆经过时，路灯会自动点亮，15s自动关闭。这样就大大减少了能源的浪费。大致原理介绍：用光敏电阻和驻极体话筒分别来检测光信号和声音信号，把检测到的微弱声音信号进行放大，进入电压比较器进行电压比较，当电压值大于阀值时便输出低电平进入单片机，然后经过单片机编程来控制灯电路的通断，判断是否是高或低电平来决定灯的亮与不亮，并通过LED灯显示出来。接受到光信号时，光敏电阻，光线变化引起阻止变化，在电路中就会引起电压变化，经LM393再次比较放大信号，送入单片机。本设计的两种系统（光控系统、声控系统），功能如下：在白天有光照强度强时，声控不起作用，光控功能处于关闭状态，路灯在有声音信号的情况下也不亮；在光线教暗的时候，声音控制部分一直属于待机状态，当外界声音响的时，照明延时15s点亮。该设计是通过语音传感器和光敏电阻来接收微弱电信号，然后通过微弱的电信号放大进入双电压比较器，将比较出来的信号进行整形成输入单片机的P3.2口，单片机通过程序来判别信号变化来控制开关的闭合状态或者发光二极管的亮灭，同时光敏电阻受光强的影响阻值发生改变，引起电压变化并送入单片机的P1.4口来控制单片机的中断程序，使得开关在白天和光照比较亮的时候都处于断开状态，达到声光双控开关的目的。2.3设计方案2.3.1方案一利用52单片机定时器计数功能控制路灯在白天一段时间内灯不亮；晚上时，转换到声控电路来控制路灯的工作，如图2-1所示。图2-1方案一2.3.2方案二利用光敏电阻和驻极体话筒将外界的光信号和声音信号转换为单片机能识别的电信号来控制路灯，如图2-2所示。图2-2方案二2.3.3方案选择通过方案一与方案二的比较分析，可以清楚看到，如果在白天阴雨天气等光照强度很弱的情况下路灯也不会点亮，方案一因为是计时器功能实现白天灯不亮，设计不够灵活，而方案二则很灵活地可以通过光敏电阻进行调节，思路清晰明确且简洁易懂，故选择方案二。2.4研究声光控智能开关的主要内容本设计讨论了用光敏电阻，驻极体传声器、基于PLC技术的控制系统、各种电路电子设备、照明设备等共同构建的一个基于声、光控变量下的智能开关电路。该智能电路能够在白天一直保持关闭状态，到了夜晚，可以通过声音、光线就能够开启照明灯，等到了设定的照明时间后，开关又自动关闭，这样在方便生活出行的同时，也节约了电力资源。设计的智能开关电路具有结构简单、性能优越、可操作性强、灵敏度高等诸多优点。本设计共由五大章组成，具体结构如下所示：第一章:引言，针对智能控制系统的发展背景，研究目的和课题意义的分析，以及状态和主题的趋势；第二章:系统设计方案及主要内容。本章主要分析了方案选择的原由及思路、要求等。简述了声光控智能开关的主要内容和本文工作原理的概述；第三章:系统的工作原理及组成的关键技术。主要论述了声光控智能开关的简介和组成智能开关的关键技术，分别介绍了驻极体话筒、光敏传感器、LM393和可控硅的基本原理及一些基本特征。并讲述了本系统工作原理及设计流程图的解说；第四章:STC89C52RC智能声光控开关软件和硬件的研究。1、硬件部分，分别讲述了各部分组成电路的原理和各部分功能的应用；2、软件部分，根据程序流程来解决方案的每一部分的功能。第五章:系统安装调试。介绍了电路板焊接时要注意的地方急调试过程所遇到的问题。声光控开关：带声光强度控制的开关，当环境的亮度达到某一设定值，或外界噪声超过一定值时，开关就打开。在满足语音和光照的条件。结构上，电路面板上装有话筒，光敏电阻，发光二极管和电压比较器等。在一般情况下，当脉冲电流天逐渐变暗至一定程度时，将在光敏传感器的电子电路板中产生，从而使光电二极管电路一直在断开状态，此时如果在楼层口有声音时，麦克风柱极体也将产生脉冲电流，接着开关接通。2.5本章小结系统设计方案及主要内容。本章主要分析了方案选择的原由及思路、要求等。简述了声光控智能开关的主要内容和本文工作原理的概述。第三章系统的工作原理及设计结构3.1系统的工作原理本文中所设计的系统主要是基于如下原理来进行工作的：夜晚条件下的光照强较弱，从而导致灵敏度较高的光敏电阻具有非常大的电阻值，因此，与该电阻串联的支路具有较大的电压，且该支路与比较器的负端进行连接；相较于连接了滑动变阻器的支路来讲，连接了光敏电阻的电压要大的多，比较器端输出的是一个高电平；当单片机端同时接受到两个不同端的电信号后，通过事先的编程处理，将低电平端的电信号从单片机端输出，该输出电信号触发开关控制器，从而开启照明灯。相似的，由于光照强度在白天较大，单片机端接受到光敏电阻的高电平；此时灯不亮，无驱动电源。声控电路驻极体传声器电路通过声音，然后转换成电信号，通过电容耦合到晶体管的基极，通过三极管来控制输出电平的高低，再输给控制电路；光控电路通过光照改变光敏电阻的阻值大小来控制三极管的饱和、截止，在经过LM393双电压比较器来控制电平的高低，再输送到单片机；单片机根据声控电路、光控电路输入的信号来判断继电器的断开或者连接，并控制可控硅连接的延迟时间。单片机的输出的电流比较小，不能够驱动可控硅的闭合断开，可控硅驱动由三极管组成给单片机的输出电流进行补偿，来驱动可控硅的闭合。3.2系统结构组成图3-1系统结构图本系统主要通过几个模块（声控电路、光控电路、控制系统、照明电路）组成。利用STC89C52芯片作为系统的控制器件，主要是因为该芯片的价格便宜，功率损耗过低，兼容性好，具有8192B系统可编程的闪存微控制器。其结构图如图3.2-1所示。通过系统原理图可以知道，当声控电路、光控电路接收到模拟信号（外界声光信号）后，进行放大然后A/D转换送到控制器进行处理，最后利用可控硅控制输出信号来控制灯泡的工作。3.3声光控智能开关的关键技术3.3.1驻极体传感器驻极体话筒是电容话筒，当一个声音信号触发时，驻极体隔膜与声波的强度发生变化，电容器板的距离发生变化，由于驻极体两边电荷量保持不变，所以当改变C的大小时，电容器两端的电压也随之改变，从而完成了声与电之间的相互转换。然而，通过振动作用对电压输出端的变化不会造成很大的影响，因此，就需要添加效应管来进行振动信号的放大，这样一来就改进了话筒的灵敏度，并且实现了场效应管与对应的音频放大器之间的相互配合作用。驻极体话筒形状及内部的结构图如图3-2所示。（a）外形图（b）内部结构图图3-2驻极体话筒的详细构造示意图3.3.2光敏电阻图3-3工作原理图通常所讲的光敏电阻指的是能够充分利用光电效应获得能量的一种半导体电阻器，光线的强度会对光敏电阻的阻值造成很大的影响。光强较大，电阻较小，与此相同的，光强较小，电阻较大，电流减小知道I=0。光敏电阻传感器的基本原理就是将物理信号（光的信号）转换为数字信号（电信号），在光电转换，光的测量和光的控制方面广泛应用。这种传感器对光的灵敏度非常高，所以人眼能感觉得到的光，都可以导致其电阻的变化。原理图如图3-3。3.3.3双电压比较集成器LM393LM393在系统中的作用 LM393工作原理：LM393有两组比较器，一组用于光能产生的电压比较，另一组用于声音信号产生的电压进行相互比较，若IN-端测得的电压要远远小于IN+，则在电压比较器端将输出对应的高电平，若IN-端所测量的电压要远远大于IN+，电压比较器输出低电平。设计中的电位器（可调电阻）就是调整IN-引脚的电压，声音信号和光敏电阻接的就是IN+，调整IN-的电压小于或等于IN+即可，当输入信号变化时电压大小也随之改变，输入单片机进行检测。图3-4LM393芯片图图3-5LM393内部结构图主要特点LM393双电压比较器IC具有双路比较通道，电压工作范围较大，耗电量底，基级电流为0.6mA；输出电压为±3mV，其共模输入电压范围大，VIC=0～VCC-1.5V；输出能兼容TTL，DTL等；结构图如图3-5所示。应用说明LM393是一个高增益，高带宽设备，标准PC板设计，降低输入和输出寄生电容耦合是有助的。除非一个滞后，或者直接插入IC（集成电路），并且与销将导致输入电阻-输出转换在振荡的一个很短的期间内，如果输入信号是一个脉冲波形，它的上升时间和下降时间差是很短的所以信号不会滞后。3.3.4可控硅主要功能广泛用于家电设备的控制电路，光度控制，温控的调节，速度调节电路等。采用可控硅器件来充当开关，能够迅速的执行对设备的启动和断开操作。结构图如3-5。图3-6可控硅结构图根据其外形可看出，BT136-600D有三个脚，1（T1）、2（T2）脚为阳极，3（G）脚为控制极，其主要特点是击穿电压高、输出电流大。应用说明可控硅也称为晶闸管是晶闸管（可控硅）的简称，具有四个交错P，N层半导体器件。最早的一个可控硅整流器（可控硅整流器，可控硅），人们常叫为可控硅，又称半导体可控整流器。特点是由一个单向导通晶闸管的控制，与普通二极管相比，传导电流可以控制。晶闸管具有小的电流（电压）控制大电流（电压）的效果，以及小，重量轻，功耗低，工作效率高等。广泛应用于非接触式开关，可控整流器，逆变器，调光器，压力，速度等方面。3.4本章小结系统的工作原理及组成的关键技术。主要论述了声光控智能开关的简介和组成智能开关的关键技术，分别介绍了驻极体话筒、光敏传感器、LM393和可控硅的基本原理及一些基本特征。并讲述了本系统工作原理及设计流程图的解说；第四章软硬件的研究4.1系统硬件的设计4.1.1声控电路的设计声音控制模块主要是利用驻极体传感器来进行信号的转换。此传声器通过模拟信号和电信号的转换和变换阻抗来组成组成，驻极体传声器结构图及实物图如图4-1所示。图4-1驻极体传声器结构图及实物图其工作原理是：在永久电荷不变时注入高分子极化膜，因为没有放电回路，这个电荷量保持恒定，在有声音触发的条件下，声音的波动带动极化膜变动，所以反极的距离也随之变动。根据公式是Q=C×V，反之V=Q/C也是成立的。在总电荷量一定时，声波触发到极板后，导致极板后退，此时电容量增大，电容电压相应的降低，类似的，电容量较少，电容电压增大。最后选定具有较大阻抗值的场效应来取出位于不同电容端的电压，采用电压放大器进行放大处理，进而得到与外界声音相应的电压值。根据图4-2的电路图，MK1指的是能够进行声源检测元器件。外界声音较小时，晶体管VT为饱和态，集极同时是一个低电平状态，晶闸管在这个状态下是堵塞的，随着外界声音强度的进一步提高，拾音器输出到的基极耦合，集成电路基极通过MK1接受声音，从输入比较器的低电位进。外界的声音信号被驻极体传声器接收，通过信号转化器转变为对应的电流信号，此时的三极管VT从最初的饱和态变为当前的截止态，三极管的电阻增大，已经达到了VCC电压值。因此，当三极管中接收到了外界的声音信号后，在C极电压会出现一个跳变现象，通过这种现象从而实现电路的声控功能。图4-2声控电路图首先驻极体话筒将外界发出的声音信号变成电信号，之后经过Q1共射级放大电路将微弱的电信号放大，共射级主要用来放大电压，之后是射级跟随，避免前级对后级的影响，之后是同相放大和射级跟随，射级跟随后面有一个高通滤波，将最终得到的电流信号输出给单片机的P3.2口。4.1.2光控电路的结构设计在本文中设计的光控制电路中，采用的信号接收器为光敏电阻。该类型的电阻是充分利用光电效应的一种半导体电阻器，光线的强度会对光敏电阻的阻值造成很大的影响。光强较大，电阻较小，与此相同的，光强较小，电阻较大。光敏传感器实物图和原理图如图4-3所示。图4-3光敏传感器实物图和原理图利用光敏电阻的工作原理，如图4-4所示建立的光控电路，其中包括了光敏电阻R13、两个常规的电阻R11、R14、一个阻值调节范围较大的滑动变阻器R12。其中光敏电阻R13为该光控电路的感光元件。当白天具有较强的光照强度时；光敏电阻R13通常具有较小的电阻值，此时相比较于电阻R11来讲，其元件分压也相对较小，同时，光敏电阻的两端分别连接着比较器LM393的负输入端与正输入端，此时R12以及R14端的分压就是该端口下的输入电压，对正负端的输入电压进行比较，可以看出负端输入电压要大的多；而在夜晚情况下，则正好相反，正端输入电压要大，单片机接收到的是高电平电压信号。图4-4光控电路的整体结构图本文中设计采用的光敏模块的实现原理，光敏电阻随光线变化其阻值随之变化，电路就会引起电压变化，经LM393再次比较放大整形信号，单片机通过P1.4口根据光线的强弱来改变灯的通断。4.1.3电源电路的设计电源模块主要实现以下功能：（1）安全隔离：是将外电路中的高电压转化为5V的弱电压；（2）电路保护：主要起到短路保护，过压保护，欠压保护和过流保护等；（3）电压变换：主要起到降压的作用，将220V的电压变到5V供给单片机；（4）稳压：发挥调节器的作用，通过降压回直流5V和220V交流电压转换，输给了微控制器。4.1.4灯电路的设计在灯电路的设计中主要是利用可控硅（BT136-600D）。其特点是外形较小、结构简单、功能强大，成为当前主流的半导体元件。该类型的器件被广泛的应用于各种电子电路中，充当着智能开关、频率调节器、整流控制器等多个角色。能够较好的进行大电流电压元件的精确控制。可控硅器件通常在电子电路中充当着开关角色，能够开光启闭状态的自由切换，如下图为可控硅器件的原理结构图。图4-5可控硅的实物图以及内部构造图对可控硅的控制原理进行分析可知，其充分利用了NPN、电阻、整流器件、照明设备等的各种性能，采用该可控硅设计的电路图如下所示。图4-6可控硅器件的灯电路图单片机收集外界环境中的声音、光线信号，并经过信号处理后，将高电平输出到电路中对应的晶体管基极，此时SCR的集电极以及所对应的发射极是相互连通的;首先将触发信号进行放大处理，然后在将其传送到SCR的触发和通信路径，在灯被接通时，该装置并不会将电压进行输出，晶体管将分裂成两级;可控硅只能够接收到相应的无触发信号，此时电路断开，照明灯熄灭。4.1.5控制电路的设计本设计的主要控制器是STC89C52RC，其主要用到的引脚有P3.2、P1.4和P2.0等。设计中的P3.2、P1.4主要是接收比较器输入进来的高低电平信号，然后通过P2.0口输出来控制灯电路。图4-7为STC89C52RC的引脚图。图4-7STC89C52RC引脚图VCC：供电电压。

GND：接地。

XTAL1：来自反向振荡器的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。其晶振电路如图4.1-8所示。图4-8晶振电路图4.1-9是组合的复位电路。图4-9复位电路在系统上电的瞬间，只要具备了足够宽的脉冲信号，就能够进行复操作。在通常情况下，取R，C。按下S1键时，此时电路中的电容C1设备经过电阻R1快速放电，当S1还原后后，电容C重新进行充电，这样就实现了电路手动复位，电阻R7通常选定为200。通过分析以上各小部分功能，组成以单片机为基础的一个最小的系统，相应的详细电路图如下：图4-10基于单片机构建的最小系统4.1.6系统的硬件结构以及电路图通过设计的功能和要求，绘制出硬件电路图，见附录一。4.2系统软件设计4.2.1软件设计思路由于C51语言库函数具有丰富的功能，编译算法速度快，效率高，流动性好，直接控制硬件系统。而且，该设计采用了单芯片处理器STC89C52，采用面向MCS-51的C51高级语言进行编程，能够提高编程的灵活性和可移动性，显著增强可读性软件。因此使用高级语言编写程序已成为开发软件的主流。本次程序设计的步骤如下：（1）理解设计任务和要求，提出需要注意的问题和处理问题的办法；（2）按照设计思路画出工艺流程图；（3）编制源程序：更合理地分配内存单元和理解的I/O端口地址，根据功能设计的过程中，各方案之间的明确关系，与程序注释解释，易于阅读和修改调试；（4）先仿真再进行实物的调试和操作；（5）程序优化，根据各关系的源代码进一步优化。4.2.2程序流程图程序流程图如图4-11所示。图4-11系统程序流程图4.2.3主程序的具体设计以上述构建的流程图为基础，进行主程序的设计，详细的主控程序见附录三。4.2.4延时程序的具体设计在对主控程序进行设计过程中，需要同时进行延时程序的设计，所以，为了保证后续能够简单快速的调用相应的应用程序，应当事先通过编程来得到一个保持15s延时操作的子程序，详细的程序代码如附录三所示。4.2.5驱动程序的设计程序见附录三。4.3本章小结本章主要是在充分讲解了各元器件的特性和各硬件功能，根据自己的设计功能和要求来画出程序流程图，再通过每部分的衔接性画出整个的结构图，并根据系统