声光控电子开关的设计与实现.docx

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声光控电子开关的设计与实现

上海电力学院

本科毕业设计（论文）

题　　目：

教学楼声光控电子开关的设计与实现

院　　系：

　电子与信息工程学院　　　

专业年级：

　电子信息工程系10级　　　

学生姓名：

　韩程　　　学号：

20101933

指导教师：

　　刘洪利　　　　　　

2014年5月25日

教学楼声光控电子开关的设计与实现

摘要

本设计主要是通过AT89C51单片机延时技术、光检测技术、声音检测技术和热释电红外检测人体技术控制白光LED灯的亮灭来实现声光控电子开关的设计。

光信号检测是通过光敏电阻检测光照强度来改变自身的阻值来控制光敏电阻所分担的电压多少来实现光控制。

如果光敏电阻处在强光（白天）下，光敏电阻的阻值很小，电压比较器的同相输入端有较大的电压输入，通过电压比较器比较后，输出相应的电平，将电平输送到电片机进行处理；如果光敏电阻处在弱光（黑暗）下，光敏电阻的阻值很大，电压比较器的同相输入端有很小的电压输入，通过电压比较后，输出相应的电平，将电平输送到单片机的P3.3口进行处理。

声音检测是通过驻极体传声器把声音信号转换成电信号（极小），电信号经过放大器放大，再经过电压比较器进行比较，得到相应的电平，将电平输送到单片机的P3.4口。

热释电红外检测人体技术是红外探头（热释电红外传感器）捕捉人体产生的红外光谱，再将红外信号转变为电信号，电信号输入到BISS0001的第一级放大器的同相输入端，经过BISS0001处理后，将相应的电平由Vo口输送到单片机的P3.5口。

单片机将得到所有信号进行处理，如果P3.3口为低电平，且P3.4口为低电平或P3.2口为高电平，那么单片机使P3.6口输出低电平，因此照明LED灯点亮。

关键词：

单片机，声控，光控，照明控制

THEDESIGNANDIMPLEMENTATIONOFTEACHINGBUILDINGELECTRONICSOUNDANDLIGHTCONTROLSWITCH

ABSTRACT

ThisdesignismainlythroughAT89C51microcontrollerdelay,opticaldetectiontechnology,voicedetectiontechnologyandhumanpyroelectricinfrareddetectiontechnologytocontrolwhiteLEDlightsouttoachievesoundandlightcontrolelectronicswitchdesign.

Opticalsignaldetectionistheresistancetochangetheirlightintensitydetectedbythephotosensitiveresistortocontrolthesharingofsensitiveresistorvoltagetorealizehowmuchlightcontrol.Ifphotoresistorinlight（daylight）,thelight-sensitiveresistorissmall,thevoltagecomparatornon-invertinginputvoltagegreaterinputbycomparingthevoltagecomparatoroutputlevelcorrespondingtothelevelpowerdeliveredtotheprocessingmachine;ifphotoresistorinlowlight（dark）,thephotosensitiveresistorislarge,thevoltagecomparatorinvertinginputterminaloftheinputvoltageisverysmall,bythevoltagecomparator,theoutputofthecorrespondinglevel,theleveldeliveredtotheMCUP3.3portforprocessing.

Electretmicrophonesounddetectionbythesoundsignalisconvertedintoanelectricsignal（small）,theelectricalsignalthroughtheamplifier,andthenafterthevoltagecomparatorforcomparingthelevelcorrespondingtothelevelsuppliedtotheMCUP3.4mouth.

Humanpyroelectricinfrareddetectiontechnologyisaninfraredsensor（PIRsensor）tocaptureinfraredspectraproducedbythebody,thentheinfraredsignalintoanelectricalsignalinputtothefirststageBISS0001-invertinginputoftheamplifier,throughBISS0001aftertreatment,theappropriatelevelofVotransportedtothemicrocontrollerportsP3.5mouth.

MCUwillreceiveallthesignalsareprocessed,iftheP3.3portislow,andthepopulationisloworP3.2P3.4portishigh,thentheMCUP3.6portoutputsolow,solightingLEDlights.

Keywords:

microcontroller;voicecontrol;lightcontrol;lightingcontrol

1绪论

随着新技术的不断开发与应用，单片机发展迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、视频、石油等各个行业。

它所给人带来的方便也是不可否定的并且带动了数字电路技术的进一步发展，在这样的背景下，声光控智能灯应运而生，它既满足了人们对单片机及数字电路技术研究的需求，也符合了照明灯在人类生活中扮演重要角色的条件。

用数字电路技术及单片机实现灯的自动点亮、节能节电、延长灯的寿命变得越来越重要，而且贴近实际生活。

声光控电路已成为人们日常生活中必不可少的必需品，它不需要开关，当有人经过时会自动点亮；广泛应用于走廊、教学楼楼道等公共场所，给人们的生活带来极大的方便。

因此，得到了广泛的应用。

声光控电路时声音和光控制电路工作的电子开关。

该电路有电源电路、声控电路、光控电路、红外检测电路和延时控制开关电路等组成，它不仅广泛使用于楼梯间、过道库房等场合，而且节能省电，使用方便。

以前，公共场所和居民居住区的公共楼道普遍使用机械手动开关，由于各种原因往往出现许多灯泡点亮长明的现象，故使灯泡寿命短，浪费电量，为国家、单位、个人造成经济损失。

另外，由于频繁开关或其他人为因素墙壁开关的损坏率很高，及增大了维修量、浪费了资金，又容易造成事故隐患。

声光控智能灯在使用中的节能作用是非常明显的。

以40W灯具使用普通开关连续点亮6小时为例，耗电应为0.04KW/H即0.24度电；如果以40W的声光控智能灯，按照6小时内点亮100次，每次20秒钟计算，耗电量为0.04KW/H即0.022度电，二者的耗电量相比为10倍之多。

由于声光控智能灯的巨大经济效益及其智能化和安全性，智能控制已被人们广泛研究并加以利用。

声光控智能灯的核心部分是控制系统，单片机控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的声光控智能开关控制来讲，总体发展水平仍然不高，同其他先进国家相比，仍然有着较大的差距。

随着科学技术日益迅速的发展和现代工业技术的需要，智能控制已经深入到生活各个方面，声光控智能开关也不断的改进和提高。

它具有控制效果好，经济效益高，方便使用等许多优点。

声光控智能开关与传统的手动照明灯相比，更具有节约能源，控制准确等优势。

本设计运用了光敏电阻，驻极体话筒和单片机最小系统及电源电路及照明电路构成的声光控智能开关电路。

主要有声控电路、光控电路、控制电路、电源电路及照明电路等部分组成。

在白天该灯始终处于关闭状态，一到晚上，在黑暗中，该灯只要收到一个猝发的声音（足够触发开关）或红外检测器检测到人体，灯就自动点亮，而后延时一段时间（10S）又会自动熄灭，可以达到一个节电的目的，具有结构简单、自耗电少、性能稳定、灵敏度高、通用性强的特点。

2硬件电路设计

本设计的硬件系统由单片机最小系统来控制声音强度检测模块、光照强度检测模块、热释电红外检测人体模块来实现各个功能，如图2-1所示。

图2-1系统结构框图

（1）声音强度检测模块：

驻极体传声器检测是否有声音输入，如果有声音，声音通过驻极体传声器转换成电信号，将电信号经过放大器放大，输入到电压比较器的同相输入端，电压比较器的输出端接在单片机P3.4端口，电压比较器将同相输入端的电压和反相输入端的电压比较，当反相输入端的电位高于同相输入端时，LM393则输出一低电平；而当同相输入端的电位高于反相输入端的电位时，LM393将会输出一高电平；单片机通过检测P3.4是否有信号输入，以达到声音控制的效果。

（2）光照强度检测模块：

光敏电阻检测光照强度，如果光敏电阻处在强光下，光敏电阻的阻值很小，电压比较器的同相输入端有较大的电压输入，将得到的相应的电信号输送到单片机进行处理；如果光敏电阻处在黑暗中，光敏电阻的阻值很大，电压比较器的同相输入端有很小电压输入，电压比较器经过比较输出相应的电信号到单片机的P3.3口；单片机通过检测P3.3口的信号输入，以达到光控制的效果。

（3）人体检测模块：

人体红外感应模块电路主要有人体红外传感器、菲涅尔透镜、专用芯片BISS0001组成。

当有人出现在探头的探测区，传感器便能探测到红外信号转换成电信号，并把信号输送到BISS0001的第一级放大器的同相输入端，经过BISS0001的内部处理，由Vo输出相应的电平，单片机再根据相应的电平是否该开启器件设备。

热释电红外探头通过检测人体是否存在、移动，以达到人体检测的效果。

2.1单片机最小系统模块电路设计

本系统的主体是由AT89C51单片机、时钟电路与复位电路组成的单片机最小系统。

通过最小系统与各个模块相连接，从而达到控制各个模块完成相应功能的目的，AT89C51单片机相当于人的大脑，充当了非常重要的作用。

2.1.1AT89C51功能介绍

AT89C51[1]是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦出1000次。

AT89C51单片机的可靠性高，体积小，功耗低，便于扩展，价格便宜，易于产品化。

☆该单片机中有一个8位的微处理器，包括了运算器和控制器两大部分，还增加了面向控制的处理功能。

☆具有5个中断源、2级中断优先权。

☆两个16位的定时器/计数器。

☆128字节数据存储器RAM/SFR，用以存放可以读/写的数据。

☆4个8位并行I/O端口P0~P3。

☆片内振荡器和时钟产生电路。

☆一个全双工的串行口，具有四种工作方式。

☆有21个特殊功能寄存器。

2.1.2AT89C51管脚功能说明

单片机AT89C51有40个引脚，引脚分布如图2-2所示。

图2-2AT89C51引脚图

（1）VCC：

供电电压，GND：

接地。

（2）P0口：

P0口为一组8位漏级开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输入口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，当P1口的管脚第一次写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

（3）P1口：

P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

P1口管脚写入“1”后，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流。

在FLASH编程和校验时，P1口作为低8位地址接收。

（4）P2口：

P2口为一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉到高电平，且作为输入。

并因此作为输入口使用时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

（5）P3口：

P3口管脚是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉电阻拉高可作为输入端口。

作为输入端时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表2-1所示：

表2-1P3口功能

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

INT0（外部中断0）

P3.4

T0（计时器0外部输入）

P3.5

T1（计时器1外部输入）

P3.6

WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

RD（外部数据存储器读选通）

（6）RST：

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

（7）ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低8位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

（8）PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。

（9）EA/VPP：

外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平（接地），注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，CPU则执行内部程序存储器中的指令。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加+12V编程电压（VPP）。

（10）XTAL1：

振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

2.1.3单片机时钟电路设计

晶体振荡器，简称晶振。

在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。

由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。

晶振电路是给单片机提供工作信号脉冲的。

这个脉冲就是单片机的工作速度。

比如12M晶振。

单片机工作速度就是每秒12M[3]。

单片机的时钟电路，如图2-3所示。

图2-3时钟电路

2.1.4单片机复位电路设计

工作原理：

首先RST保持两个机器周期以上的高电平时自动复位1、上电复位：

上电瞬间，电容充电电流最大，电容相当于短路，RST端为高电平，自动复位；电容两端的电压达到电源电压时，电容充电电流为零，电容相当于开路，RST端为低电平，程序正常运行。

2、手动复位：

首先经过上电复位，当按下按键时，RST直接与VCC相连，为高电平形成复位，同时电解电容被短路放电；按键松开时，VCC对电容充电，充电电流在电阻上，RST依然为高电平，仍然是复位，充电完成后，电容相当于开路，RST为低电平，正常工作。

在单片机启动0.1S后，电容两端的电压持续充电为5V，这时10K电阻两端的电压接近于0V，RST处于低电平，所以系统正常工作。

单片机的复位电路，如图2-4所示。

图2-4复位电路

2.2声控模块电路设计

声控电路主要用到驻极体传声器。

驻极体传声器[2]主要由声电转换电路和阻抗变换两部分组成，其结构和实物图如图2-5所示。

其工作原理高分子极化膜上生产时就注入了一定的永久电荷（Q），由于没有放电回路，这个电荷量是不变的，在声波的作用下，极化膜随着声音震动，因此和背极的距离也跟着变化，也就是说极化膜和背极间的电容是随声波变化。

电容上电荷的公式是Q=CxV，反之V=Q/C也是成立的。

驻极体总的电荷量是不变的，当极板在声波压力下后退时，电容量减小，电容两极间的电压就会成反比的升高，反之电容量增加时电容两极间的电压就会成反比的降低。

最后再通过阻抗非常高的场效应将电容两端的电压取出来，同时进行放大，就可以得到和声音对应的电压了。

驻极体传声器接受声音信号并将信号转化为电流信号（交流信号），使三极管VT由饱和状态转换为截止状态，电阻很大，基本上为VCC电压值。

所以在声音信号来到时会由三极管C极电压的跳变现象，也正是由于这一现象使得声控功能得以实现。

图2-5驻极体传声器机构图及实物图

根据极体传声器MK1的原理及由三极管、电容、电阻及电压比较器等组成的声控电路，如图2-6所示。

其中LM393为电压比较器，当反相输入端的电位高于同相输入端时，LM393则输出一低电平；而当同相输入端的电位高于反相输入端的电位时，LM393将会输出一高电平。

在此电路中可以通过改变变阻器的阻值来改变反相输入端的电压，从而改变对声音强度检测的灵敏度，以满足不同场所或人群的需要。

为用驻极体话筒将得到与声音信号对应的电压值。

若有声音时则会输出一电压值，由于传声器转换的电压值非常小，所以必须将该电压经过三极管放大电路进行放大，放大后的电压经过电压比较器LM393输入到单片机的P3.4口，R6为可变电阻，通过调节其阻值使电压比较器的输出电压发生变化，起到了调节声音灵敏度的作用。

图2-6声控电路

2.3光控模块电路设计

光敏电阻是利用半导体的光电效应制成的一种电阻岁入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。

本实验选用MG45型光敏电阻，如图2-7所示。

在黑暗条件下，光敏电阻可达1兆欧至10兆欧，在强光条件下（100LX）下，阻值仅有几百至数千欧。

光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4～0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。

图2-7光敏电阻的实物图

光控电路在光照强时电路不工作，所以单片机首先对光照进行检测，此处使用到光敏电阻MG45、电压比较器LM393、变阻器R1等元件进行检测，如图2-8所示。

Q1为光敏电阻，光敏电阻器实现的功能是;当有光照时，光敏电阻的阻值下降，这时的阻值仅有几百至数千欧姆，LM393同相输入端有一个较大的电压输入，经过LM393比较后，输出相应的电平。

当光线不足或没有光线时，其阻值可以达到兆欧级以上，此时相当于电路处于短路状态，LM393同乡输入端基本上没有电压（很小）输入，经过LM393比较后，输出一个低电平。

图2-8光控电路

2.4人体检测模块电路设计

BISS0001[3]是一款高性能的传感信号处理集成电路。

静态电流极小，配以热释电红外传感器和少量外围元器件即可构成被动式的热释电红外传感器。

它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。

特点有：

CMOS工艺，数模混合，具有独立的高输入阻抗运算放大器，内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰，内设延迟时间定时器和封锁时间定时器，采用16脚DIP封装，如图2-9所示。

图2-9BISS0001的管脚图

管脚及功能说明：

（1）A：

输入端口，可重复触发和不可重复触发选择端。

当A为“1”时，允许重复触发；反之，不可重复触发。

（2）VO：

控制信号输出端。

由VS的上跳前沿触发，使VO输出从低电平跳变到高电平时视为有效触发。

在输出延时时间TX之外和VS的上跳变时，VO保持低电平状态。

（3）RR1和RC1：

输出延迟时间Tx的调节端。

（4）RR2和RC2：

触发封锁时间Ti的调节端。

（5）VSS：

工作电源负极。

（6）VRF：

参考电压及复位输入端。

通常接VDD，当接“0”时可使定时器复位。

（7）VC：

触发禁止端。

当VC=VR时允许触发（VR≈0.2VDD）

（8）IB：

运算放大器偏置电流设置端。

（9）VDD：

工作电源正端。

（10）2OUT：

第二级运算放大器的输出端。

（11）2IN—：

第二级运算放大器的反相输入端

（12）1IN+：

第一级运算放大器的同相输入端。

（13）1IN—：

第一级运算放大器反相输入端。

（14）1OUT：

第一级运算放大器的输出端。

BISS0001的工作原理：

BISS0001的内部框图，如图2-10所示。

运算放大器OP1将热释电红外传感器的输出信号作第一级放大，然后由C3耦合给运算放大器OP2进行第二级放大，再经由电压比较器COP1和COP2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号Vs去启动延迟时间定时器。

由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱（通常仅有1mV左右），而且是一个变化的信号，同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式（脉冲电压为0.1～10Hz左右），所以应对热释红外传感器输出的电压信号通过运算放大器OP1和OP2进行二级放大。

再经由电压比较器COP1和COP2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号Vs去启动延迟时间定时器。

输出信号Vo接单片机以便检测，当有人时便输出5V高电平，当人离开之后延时一段时间后便复位为0V以便主控制电路的控制。

电路设计让芯片处于可重复触发状态以便适合教室的实际情况。

重复触发其工作过程：

可重复触发工作方式下在Vc=“1”、A=“1”时，Vs可重复触发Vo为有效状态，并可促使Vo在Tx周期内一直保持有效状态。

在Tx时间内，只