基于小型单片机的声光控开关的设计与应用.docx

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基于小型单片机的声光控开关的设计与应用

摘要

由于科技发展与人们生活水平的提高，低碳生活逐渐成为了人们新的生活风尚，保护环境的理念也得到了贯彻。

由于声（光）控电子产品具有良好的能源节约、损耗降低的作用，依赖外界光线明暗或声音控制电路接通（断开），在公共场所和家庭住宅中应用广泛。

一般在居住建筑的楼道里、办公建筑的走廊里，均可见到声（光）控开关的应用，可以说，在未来的低碳生活领域中，这种开关将会发挥重要作用。

本毕业设计基于这一理念，设计了一种能够根据外界光线与声音变化连接（切断）继电器开关的电路系统，使电路能够自动开闭，适用效果良好。

本设计中以STC899C52单片机作为核心元件，结合了继电器驱动电路、光信号接收放大控制电路、声音接收放大控制电路与电压源电路，经过实验测试，该设计操作简单，使用方便，具有比较高的实用价值和商业价值。

关键词：

STC89C52单片机，语音控制，灯光控制，照明控制

Abstract

Duetothedevelopmentofscienceandtechnologyandtheimprovementofpeople'slivingstandards,low-carbonlifehasgraduallybecomeanewlifestyleofpeople,andtheconceptofprotectingtheenvironmenthasbeenimplemented.Becausesound（light）controlelectronicproductshavegoodenergysavingandlossreductionfunctions,relyingontheexternallightordarkorsoundcontrolcircuittobeturnedon（off）,itiswidelyusedinpublicplacesandfamilyresidences.Generally,theapplicationofsound（light）controlswitchescanbeseeninthecorridorsofresidentialbuildingsandcorridorsofofficebuildings.Itcanbesaidthatsuchswitcheswillplayanimportantroleinthefuturelow-carbonlifefield.

Basedonthisconcept,thisgraduationdesignhasdesignedacircuitsystemthatcanconnect（cut）therelayswitchaccordingtothechangesofexternallightandsound,sothatthecircuitcanautomaticallyopenandclose,andtheapplicationeffectisgood.Inthisdesign,theSTC899C52single-chipmicrocomputerisusedasthecorecomponent,whichcombinestherelaydrivecircuit,theopticalsignalreceivingamplifiercontrolcircuit,thesoundreceivingamplifiercontrolcircuitandthevoltagesourcecircuit.Afterexperimentaltesting,thedesignissimpletooperate,convenienttouse,andhasarelativelyhighpracticalValueandbusinessvalue.

Keywords:

MCU,voicecontrol,lightcontrol,lightingcontro

1引言

1.1课题的背景与意义

电子技术已经成为了世界范围内经济与国力发展的公认重要领域。

公共场所以往所使用的照明用白炽灯为了节约人力开关成本往往是常亮的，夜晚即使无人经过也会保持亮起状态，极大地浪费了电力，也增加了火灾风险。

借助技术发展，利用单片机改善这一情况、节约能源、延长灯具寿命显得尤为重要。

本文中研究了新的声光控制电路，线路设置简单，利于安装，占用空间较小，并且能够使用较久时间。

其工作形式是借助对外界光线和声音的感知，在光线亮度低于某一阈值且有人经过发出声音时自动点亮，一段时间后自动熄灭。

在有人快速经过的公共场所中使用这一电路，能够减少能耗，提高安全度。

电子技术是当前技术领域发展较为迅猛的技术类型之一，并且已经广泛应用于照明产品研发，以声光传感器为主要控制元件的电子灯具种类丰富，能够有效缓解能源危机，帮助我国建设节约型社会，实现可持续发展目标。

除了现有的声光控制开关外，还有其他类型自动开关，红外感应和微波感应都是应用较为广泛的传感手段，但微波感应易受到外因干扰，红外感应虽然性能良好，但电路设计复杂，需要较高成本，一般应用于家庭、高级酒店等需要较高管理标准的室内环境。

综合价格需求、管理需求和安装条件，以及安装地点如一般住宅建筑的公共走廊、办公室通道等因素，根据中国的过去，声光控制开关显然会拥有较长时间的主流市场地位。

1.2国内外现状

从20世纪90年代开始，声光控制电路技术逐步从国防科技产业走向民用科技范畴，慢慢在日常生活中普及起来，极大地改善了人民生活水平。

随着科技的发展进步，声光感应控制开关已经普遍应用于日常居住、工农业生产、科学技术研发和国防安全当中，许多领域都广泛的使用者种类繁多的电路。

随着全球经济的发展，声光控制开关在世界照明领域中的应用程度也越来越高，已经成为了大多照明设备的必备元件。

所以，声光控制开关势必将在之后的发展中为地球能源节约、人类生活环境质量提升作出更多贡献，技术的成熟度也将逐渐提高。

2电路中的元器件介绍

2.152单片机

STC89C52单片机产自STC公司，与51单片机一样使用了MCS-51内核，具备8K字节系统可编程闪存，是市面上性能较好、能耗较低的一款优秀CMOS8位微型控制器。

虽然内核同上一代一致，但52单片机做出了许多细节调整，扩大了芯片功能范围，各方面由于上一代芯片。

stc89c52单片机不仅拥有智能8位cpu，而且单芯片内置可编程flash闪存，快捷高效的解决多种嵌入式自动控制应用需要实现的功能问题。

52单片机的功能有很多，主要有：

3个16位定时器/计数器、512字节ram、32位I/O端口线、看门狗定时器、8K字节闪存、max810复位电路、内置4KBEEPROM、7矢量4级中断结构（并且与上一代的51单片机的5矢量2级中断结构兼容）、4个外部中断、全双工串行端口。

此外，STC89C52的运算可以简化为0Hz静态逻辑形式，节电模式可以在两种当中进行选择。

在系统空闲、CPU不工作的状态下，此时下列端口继续工作：

RAM，计时器/计数器，串行端口和中断。

当内存工作占比接近零，振荡器停止工作，单片机所有功能停止运行，此时处于断电保护模式，持续到下一个中断或者启动硬件复位。

工作频率不大于35MHz，可选6t/12t。

器材参数：

器材参数：

（1）单片机为8051单片机（增强型），各类指令代码都能兼容，其机器周期有两种选择，即12和6.

（2）其工作频率不低于0，不超过40MHz，实际最大为48MHz，其工作电压则有两种情况，如果单片机为3V，工作电压就为3.0V；如果单片机为5V，工作电压就为5.3V。

（3）其RAM、用户应用程序空间分别为512字节、8K字节。

（4）拥有EEPROM功能，PDIP封装。

（5）定时器总共有三个，首先是T2定时器；其次是T1定时器；最后是T0定时器，都为十六位。

同时它还存在通用异步串行口，通过定时器软件就能够对多个UART进行实现。

（6）其工作温度范围需要分为两种情况进行分析，如果是商业级，那么温度不能够低于0，不能够超过75℃，如果是工业级，那么温度不能够低于零下40℃，不超过85℃。

（7）外部中断四路，通过外部中断低电平能够唤醒PowerDown模式。

（8）在其三十二位通用端口中，准双向端口有三个，首先是p3端口；其次是p2端口；最后是p1端口。

其中p0端口若是被当作i/o端口，就要加入引出电阻，若是被当作总线扩展，则不用加入此电阻。

它不用仿真器，只需要利用串口就能够下载用户程序。

2.2光敏电阻

光敏电阻（ldr）也叫作光电导体，简称为光导，一般使用硫化铝、硫化铋、硫化铅和硫化镉来制造，选用这些材料的共同原因是在接受某特定波长的光线照射时，自身的电阻值会迅速下降，原理是外部电场是光所产生的载流子的传导与漂移的基本动力。

电子流向电源的正极，而空穴流向电源的负极，因此光敏电阻的阻值迅速降低。

光敏电阻的工作原理并不复杂，光电效应是其中的主要工作形式。

在光敏电阻中，有一个带有透明窗口的密封壳体，其中封装着一个两端与电极相连的感光材料。

电极的形状一般为梳形，以使电极更加灵敏。

光敏电阻中使用的电阻材料一般使用碲化物、硒化物和硫化物等具有优秀传导性的金属半导体。

当我们需要制作特别薄的光敏电阻和梳状欧姆电极时，需要使用涂敷、喷涂、烧结等方式，然后准备透光镜的密闭盒将引线引出并密封，避免接触空气中的水分导致电极灵敏度下降。

当入射光的明度下降或消失时，因光子作用发生分离的电子与空穴将重新成对组合，电阻阻值逐渐恢复至一般状态。

在光敏电阻两端的电极施加电压后，电阻中将有电流通过。

接受外部光线照射时，光线强度越大，电阻阻值越小，电流越大，即通过光线感应实现了电流控制。

光敏电阻本身是一种无正负极之分的电路元件，可以用于直流电与交流电电路中，使用的半导体原材料的电导率取决于导带中的载流子数量。

光敏电阻原理图

2.3驻极体话筒

驻极体话筒是电容式麦克风的一种，是日常生活中应用最为广泛的类型。

它不仅构造简单、体形较小，而且性能相较于专业麦克风更经济实惠，在需要较小体积的录音设备时，如家庭录音、无线麦克风等，通常使用驻极体话筒作为音源输入元件。

这种话筒使用的是具有较高输入输出阻抗的电容传声器，因此内部需要设置场效应管以转换阻抗，工作时要接入直流电压。

聚合物极化膜在生产时会注入一定的永久电荷（q）。

该系统不具备放电电路，因此电荷是不发生任何改变的。

极化膜在声波的冲击下发出规律的振动，与后电极之间的距离随振动发生规律性改变，带动电容的变化。

根据物理学原理，计算电容器上电荷量的公式为Q=C·U，因此也可推导出U=Q/C。

由于驻极体中的总电荷量始终不发生变化，当声波造成电极板发生后退时，有C=εS/4πkd，由于电容板的间距d变小，电容C因此增大，而电极与电极间的电压U则随之相反减小。

相反，当电容减小时，电容器两极之间的电压将相反增加。

因此，通过阻抗场效应将电容器两端的电压进行放大，就够进行声音信号和电压数值的对应关系的测量。

场效应晶体管在工作过程中需要电源输入，如果要借助其进行放大，必须有电流输入和一定的偏置环境，所以直流偏置是驻极体麦克风的基本工作条件。

注意事项：

驻极体话筒成本造价较低，但使用寿命有限，一旦损坏需要及时更换。

选配中需要考虑以下事项：

（1）引脚数量不同的驻极体话筒不可互相代替，如要代替使用则需要改动电路，但常规环境中一般不进行更改。

（2）话筒除了引脚数量差异，并不存在其他的型号区别，引脚数相同即可通用，但性能可能有一定差异。

2.4电磁继电器

电磁继电器又被称为“自动开关”，它由输入与输出两部分回路构成，输入回路负责控制，输出回路为被控制对象。

这是一种常与单片机共同运用于自动控制电路中的电子元件，能够实现以单片机的低电压与小电流控制大型电器的高压与大电流。

电磁继电器可以用于保护电路安全，调节或转换电路构成等。

由电磁效应可知，线圈两端加诸恒定电压时，会有恒定电流通过电路，继电器的带铁芯线圈发生电磁作用产生电磁吸引力，促使连接动触头的弹片带动动触头接触静触头。

当电流消失，带铁芯线圈的电磁效应消失，失去电磁吸引力，电枢因弹簧带动回复至初始状态，触头不再互相接触，将其拔下即可打开和关闭电路。

在不通电的情况下呈闭合态的静态触点为常开触点，另一静触点则为常闭触点。

应用：

电铃、电话和自动型电路控制开关中常有电磁继电器的应用，由于电磁继电器响应速度快，能够发挥优秀的开关功能，优势在于不仅能够以低压电路操控高压电路，还能从远距离角度进行控制或者实现自动化开关控制.[2] 

由于电磁继电器具有的自动性和以小控大能力，在自动门、无线电、电梯和数电机床等电子设备中应用广泛。

2.5小结

本章的内容是对于声光控制电路中主要元件的介绍，例如光敏电阻、驻极体话筒和电磁继电器，在介绍其基本原理的同时也阐明了工作特性，并对52单片机做出了说明。

3系统硬件设计

3.1系统原理框图

3.2原理框图解析

通过上述系统原理结构图，我们可以得知，通过变压器实现交流电压的转换，将其从220伏逐步转换为±12伏以及5伏电源。

电源电路用于声音控制电路，灯光控制电路，STC89C52微控制器最小系统电路和继电器驱动；

对于声控电路而言，其工作原理主要借助于话驻极体话筒实现声音的转换，将其逐步转换为电信号，然后通过电容耦合、三极管等实现对电平的控制，最后传送至单片机内。

对于光敏电阻而言，其因光线强度的变化而发生改变，进而实现对三极管的饱和以及截止的控制，进而通过lm358实现对电平的控制，最后将其传送至单片机内，进行下一步操作。

对于单片机而言，其主要通过输入信号实现对继电器状态的判断，主要涉及光控电路以及语言控制电路这两种，并通过对继电器状态的判断实现对时间的控制。

同时，单片机本身具有较小的电流输出特点，无法实现对继电器合闸的驱动控制，因此，选择晶体管驱动实现对单片机电流的补充，进而达到继电器合闸的驱动。

3.3系统功能模块简介

在该系统中，主要选择STC89C52单片机作为整个系统的控制中心，对于单片机而言，在整个系统中发挥着大脑的功能，实现对信息的处理整合等，以及对信号的转换和控制等。

在本系统设计的过程中，主要包括四部分内容，一是单片机的设置，二是灯光电路的设置，三是声音电路的设置，四是继电器电路的设置。

3.3.1电源电路

在本系统设计中，其电源电压的选择主要为5伏。

图3.3-1

3.3.2光控电路

对于光控电路的设置，其主要包括五大内容，分别是电阻、光敏电阻、运算放大器、NPN三极管以及滑动变阻器。

具体从下图中可以得知：

图3.3-2光控电路

当光敏电阻受到一定的光照时，电阻减小，同时运算放大器的输入端子处于低电平。

光线减弱或者消失时，电阻增大，运算放大器输入变高，此时运算放大器的输入端处于高电平状态。

在光控电路中，其输出信号经过电压跟随器的处理，一些微弱电流经过逐步的放大，使得单片机能够进行相应的识别，最终信号运输至单片机中的相应端口。

对于光控电路的设置，主要选择集电机电阻实现对电阻限流的设置，进而达到对晶体管的保护作用。

通过对变阻器的调节，在一定程度上能够达到对基极电流的控制，进而实现对集电极以及发射集电流的控制，从而保证光控制电路的灵敏度，满足系统需求。

3.3.3声控电路

图3.3-3声控电路图

从上图可以得知，通过拾音电路实现对声音的采集，进而实现对声音的转化，将其转变为一种电压信号，因该电压信号较弱，因此可通过逐步的放大处理，直至满足系统需求，达到伏特电平电压，同时，通过磁滞比较器实现电压信号的转换，便于单片机进行相应的识别处理，最后通过调压管对电压再次进一步处理，最终进入到单片机中的i/o端口，便于下一步操作。

对于拾音电路而言，其结构组成主要包括两部分，一是麦克风，另外一种便是限流电阻。

对于限流电阻而言，其结构组成主要包括共拍单管以及放大电路，分别为pnp管、npn管;磁滞比较器的正向阈值电压为：

对于噪音问题，主要采用阀值电压进行相应的降低和消除，避免噪音问题对系统信号的传递造成一定的影响，提高信号识别的灵敏度，提高系统的性能。

对于R15而言，其阻值较大，高达200千欧，在一定程度上能够对电容放电的时间进行一定程度的延长。

3.3.4单片机控制电路

在该系统的设置中，主要选择STC89C52单片机作为系统的控制中心，具有较小的体积，便于安装设置，具体结构电路图如下所示。

在该单片机中，选择5伏电源为系统提供电流，其P3.4作为输入端口，其中，对于P3.4而言，其通过程序初始化，其端口输出的是低电平。

在该控制电路中，其它端口的功能如下所述：

P1.6：

光控信号通过该端口进行输入；

P3.4：

升空信号通过该端口进行输入；

P1.7：

在继电器驱动电路中，主要作为输出口使用；

对于STC89C51单片机而言，在下图电路图中，数字1端口代表着该单片机的串口，主要应用于对上电复位程序进行相应的下载。

图3.3-4单片机控制电路

在STC89C52单片机中，其内部结构包括有内部振荡器，在该振荡器中，主要涉及到一个反向放大器，实现系统的高增益功能。

其中，XTAL2代表着单片机的输出，XTAL1代表着单片机的输入。

对于自激振荡器而言，其主要由放大器以及陶瓷谐振器共同组成。

对于并联振荡电路而言，其主要由放大器、陶瓷谐振器以及电容共同组成。

其中电容主要选择C16以及C17这两种外部电容器，其大小对震荡频率、稳定性、温度以及操作难度造成一定的影响。

用户还可以使用外部时钟，这里我使用30pF电容器，晶体振荡器选择12兆赫兹。

在该系统中，主要通过EA实现对外部电源的连接，选择高电平进行相应的设置，并对ROM实现对系统的读取。

具体连接从上图可以得知。

3.3.5继电器驱动电路

对继电器控制电路而言，其主要通过继电器实现对开关电路的控制。

具体结构从下图可以得知：

图3.3-5继电器驱动电路

通过将单片机与运算放大器相连，实现对微弱电流的放大，进一步提高负载的容量，进而实现对三极管的驱动，同时，为了避免三极管因电流过大而受到一定的损坏，在继电器控制电路中，设置一定的限流电阻，对三极管达到保护的作用。

对于继电器而言，其主要通过LED对其状态进行相应的显示，当LED显示为亮的状态时，代表着继电器为闭合的状态，反之亦然。

3.4小结

在声光自动控制系统设计的过程中，其电路的设计主要包括五大电路设计，第一是单片机控制电路的设置，二是声控电路的设置，三是电源电路的设置，四光控电路的设置，五是继电器驱动电路的设置。

在整个电路系统中，对于声控以及灯控电路的设置占据着十分重要的地位，处于核心地位。

通过声控电路实现对声音的采集和放大，并将其转化为一定的电信号进行传递，然后通过单片机实现对继电器的控制，进而实现对灯光开关的控制。

3系统软件设计

传统的开发单片机应用系统的方法是通过开发系统ーー模拟器或开发机，实现对软件开放平台的设置。

在本系统中，主要选择keiluVision2软件进行系统的开发，该软件能够实现单片机的兼容，与C语言的语言较为相似，便于系统的编程，C语言在各方面都具有很大的优势，因而该软件非常容易上手。

Keil提出了一个较为全面的研发计划，主要涉及库管理、编译器、连接器以及模拟调试器等，全由UVision组成。

对于Keil开发工具而言，其适用范围较为广阔，便于各高校学生对软件进行相应的研发，各阶层都有广泛的应用。

4.1系统主程序设计

在该系统设计中，主要选择STC89C52单片机作为该系统的控制中心，也正因为如此，通过MCS-51实现对该系统的编程，主要涉及到C语言以及汇编语言编程，这两种编程语言各具优势。

对于汇编语言而言，其主要用于程序的编写，如对控制程序、通信程序以及中断处理程序等的设计等。

对于C语言而言，其主要较多的应用于高等数学运算程序，在一定程度上提高了程序的稳定性和可靠性，提高了其编写的效率。

在该系统设计的过程中，主要选择C语言实现对系统程序的编写，同时，该系统所具备的功能，基本所有程序都是用C语言编写的。

4.2程序设计步骤

根据课题设计任务的要求，用c语言编程的过程称为程序设计。

C51编程步骤:

（1）明确课题设计任务要求，提出每个阶段需要注意的问题，研究解决方案；

（2）根据设计的思路，对系统各个程序的流程图进行相应的编程设计；

（3）对源程序进行相应的编译：

通过对系统的各个单元进行相应的分配，对该系统内的程序以及端口进行相应的了解，同时对调试程序进行相应的修改以及读取，明确各个程序之间的联系。

（4）通过仿真程序对系统进行进一步的调试；

（5）不断的该系统内的程序进行优化。

4.3总体设计框架

根据单片机的工作原理和声光控制灯的功能，可以将该系统的总体结构划分为两大内容：

第一主要涉及到对声音和光线信号的采集以及信号的录入；第二主要涉及继电器内容。

系统流程图1

4.4单片机程序以及注释

#include//调用单片机头文件

#defineucharunsignedchar//无符号字符型宏定义变量范围0~255

#defineuintunsignedint//无符号整型宏定义变量范围0~65535

sbitGM=P1^0;//光敏

sbitshengyin=P1^4;//声音

sbitrelay=P3^4;//继电器控制灯

/******************

电位器往右调光敏传感器的灵敏度增加

**********************/

voiddelay_1ms（uintx）//延时函数

{

uinti,j;

for（i=0;i

for（j=0;j<120;j++）;

}

voidwork（）//工作函数

{

staticuintvalue,miao;

if（GM==0）//光敏（晚上）

{

delay_1ms

（1）;//延时1ms

if（GM==0）//确定是晚上

{

if（shengyin==0）//有声音

{

relay=0;//继电器吸合

miao=0;

value=0;

}

}

}

if（relay==0）//继电器吸合计时10秒

{

value++;

if（value>=1000）

{

value=0;

miao++;

if（miao>=10）//10秒的时间

{

miao=0;

relay=1;//关闭继电器

}

}

}

}

voidmain（）//主函数

{

while

（1）//循环

{

work（）;//调用工作函数

delay_1ms

（1）;//1ms

}

}

4.5小结

在该章节中，主要根据各元器件所具有的特点以及功能，结合系统的设计规划，对各个程序的流程进行相应的设计，并根据各个程序之间的联系进行整体流