基于单片机楼道内声控灯及报警系统Word文档格式.docx

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第1章概述1

1.1选题的目的1

1.2声控灯的研究背景及发展意义1

1.3本章小结2

第2章总体方案设计3

2.1系统设计的思路3

2.2系统硬件描述3

2.3系统软件描述3

2.4本章小结4

第3章硬件的设计5

3.1硬件芯片介绍5

3.2系统硬件架构12

3.3原理图的绘制16

3.4本章小结18

第4章系统软件设计19

4.1KeilC51开发环境简介19

4.2程序的编写22

4.3主程序流程图26

4.4本章小结27

第5章实物焊接与调试28

5.1实物焊接28

5.2调试硬件28

结论30

参考文献31

致谢32

附录33

第1章概述

1.1选题的目的

声控灯的制作目的是通过声控灯的制作，提高学习电路知识的兴趣及提高电子电路的理论知识及较强的实践能力；

对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；

学习晶体管电路的基本设计能力及基本调试能力；

能够正确使用实验仪器进行电路的调试并掌握元器件的测试方法；

使用适当的软件进行仿真和制作PCB板图，掌握自己制作印制电路板的方法，锻炼实际动手操作能力。

1.2声控灯的研究背景及发展意义

1.2.1声控灯研究背景

随着社会的发展，国家“十一五”规划把节能和环保作为两个主题，而且国家节能中长期专项规划明确提出照明用电占全国电量的13%，可见照明节能显得非常重要。

这就要求更加节能和环保的声控延时开关照明灯的出现，以满足人们对高质量生活的要求。

当今世界在以电子信息技术为前提下推动社会跨越式的进步，科学技术的飞速发展日新月异带动了各国生产力的大规模提高。

由此可见科技已成为各国竞争的核心，尤其是电子信息技术更显得极为重要，在国民生产各部门电子信息技术得到了广泛的应用。

只要在一定范围内有声音发出且达到一定响度电路就会导通工作，又由延时部件控制其工作时间。

该电路的设计较完备，在电能节约方面处理的较好，但该电路也存在一定的缺陷，如果要使灯只在灯光昏暗的时候亮则该电路无法实现，为此要对该电路进行升级，所谓升级就是对电路的功能进行进一步完善。

我们可以为其添加一些硬件如光敏电阻，使在不影响电路正常智能化实现的前提下，电路能受人为所控制以至更好的为人们服务。

发展半导体照明对节能、环保和建设节约型社会都有重要的战略意义，正逐渐成为人们的共识，世界各国均加大投入，将LED通用照明作为未来国家能源战略的重点。

我国也把半导体照明作为一个重大工程进行推动。

LED（半导体发光二极管）是目前各国科学家和照明领域技术工作者公认的一种最节能、环保的新型光源，具有优越的经济效益和社会效益，它的应用前景非常广阔[1]。

1.2.2声控灯的发展意义

目前，我国半导体照明产业发展形势看好，外延芯片企业的发展尤其迅速、封装企业规模继续保持较快增长、照明应用取得较大进展。

在产业规模迅速增长的同时，国内产业结构也有了较大提升，中高端产品份额逐步增加，如显示屏芯片、SMD和大功率封装产品、路灯等照明产品都有明显进步。

2007年我国LED封装产值达到168亿元，较2006年的148亿元增长15%；

产量则由2006年的660亿只增加24%,达到820亿只，其中高亮LED产值达到120亿元，占LED总销售额的71%。

同时从产品和企业结构来看国内也有较大改善，SMD和大功率LED封装增长较快,目前全国大功率封装产能已达到10K/月左右。

目前，我国上游产业参与单位多，但与国际先进水平比较，技术差距大，能满足市场需要且规模化生产的企业少，封装所需芯片尤其高档芯片主要靠进口。

中游封装产业从上个世纪六七十年代开始发展，一个LED的综合质量是由芯片质量和封装质量所决定的，二者各占50%的比重.因此，中游的封装技术在整个LED产业中占据重要地位。

而我国目前在LED中游产业技术上和国外差距不大，但规模与国外大公司比，差距较大。

传统引线型LED封装技术已相对成熟，但新型LED包括ChipLED、TopLED、PowerLED的封装刚刚起步，仍面临一些设备和技术问题需要克服[2]。

我国的优势在于应用技术产品开发创新能力走在全球前例，与产业配套的能力强，市场已启动且潜力巨大。

LED产业在我国已初具规模，已初步形成从外延片生产、芯片制造、器件封装到集成应用比较完整的产业链。

但目前大多是低端产品，高端产品方面国内的研发和产业水平与国外相比有一定的差距，因此国内LED产业的发展重心，就是强化可持续发展的、以企业为主体的产业创新研发能力和以政府、企业联动的产业创新平台。

在中国国家产业扶持、台商加入及国际巨头三方推进下，中国的上海、大连、南昌、厦门、深圳这5大LED产业基地产能有了全面提升,中国已成为继日本、台湾、韩国之后又一个国际LED产业基地。

1.3本章小结

声控电路有着广泛的应用。

该照明灯在有突发声响（如拍手声、脚步声等）出现时即可点亮，延时点亮一段时间后又能自动熄灭，可做夜间起身照明用。

又比如楼道照明等一般都是由人工操作的,如果采用声控电路，根据有无声音来自动开启和关闭照明灯，做到无人自动控制，可以减轻工人的劳动强度，有效的节约能源。

使用这种照明电路，人们就不必在黑暗中摸索开关，也不必再担心点长明灯费电和损坏灯泡了。

只要有脚步声或其它较强的声响时，灯便自动点亮，延时一定时间后自动熄灭。

特别适用自动控制路灯照明以及走廊和楼道等处的短时照明。

第2章总体方案设计

2.1系统设计的思路

本次设计是通过单片机控制声控灯及报警功能的实现。

声控灯部分是通过声音传感器进行声音检测，然后经STC89C52单片机进行处理，实现灯的开关智能控制。

2.2系统硬件描述

基于单片机系统的声控灯及报警基本结构框图如图2-1所示：

图2-1系统设计框架

该系统所需要的器件包括单片机STC89C52芯片一块，LM393比较器一个，声音传感器一块，发光二级管LED若干，滑动变阻器一个，蜂鸣器一个，12mHZ的晶振一个，排针排线若干组，电容电阻若干，导线若干，极性电容一个，三极管两个，按钮2个。

2.3系统软件描述

系统程序实现两部分功能：

声控灯部分实现声音信号的有无控制发光二极管的亮灭功能；

报警部分实现按键控制蜂鸣器报警。

整体功能程序流程框图如图2-2所示：

图2-2整体功能流程框图

2.4本章小结

该设计的主要流程如下：

首先阅读大量参考文献，进行设计方案的确定，然后在Protel99SE上进行原理图的绘制和修改，在电气检查无误的情况下，购买所需要的元器件（元器件应考虑裕量）。

接着把元器件焊接到各个功能电路的模块上，并结合程序进行调试。

最后将各个功能的电路程序组合起来，然后再进行总体调试直到成功。

第3章硬件的设计

3.1硬件芯片介绍

3.1.1单片机STC89C52

1.STC89C52功能特点

STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

表3-1给出了其主要功能。

表3-1STC89C52主要功能

主要功能特性

兼容MCS51指令系统

8K可反复擦写FlashROM

32个双向I/O口

256x8bit内部RAM

3个16位可编程定时/计数器中断

时钟频率0-24MHz

2个串行中断

可编程UART串行通道

2个外部中断源

共6个中断源

2个读写中断口线

3级加密位

低功耗空闲和掉电模式

软件设置睡眠和唤醒功能

2.STC89C52各管脚介绍

STC89C52各管脚如图3-1所示。

图3-1STC89C52管脚图

（1）主电源引脚（2根）

VCC（Pin40）：

电源输入，接＋5V电源

GND（Pin20）：

接地线

（2）外接晶振引脚（2根）

XTAL0（Pin18）：

片内振荡电路的输入端

XTAL1（Pin19）：

片内振荡电路的输出端

（3）控制引脚（4根）

RST/VPP（Pin9）：

复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。

ALE/PROG（Pin30）：

地址锁存允许信号

PSEN（Pin29）：

外部存储器读选通信号

EA/VPP（Pin31）：

程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。

（4）可编程输入/输出引脚（32根）

STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。

P0口（Pin39～Pin32）：

名称为P0.0～P0.7。

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平（晶体管-晶体管逻辑电平）。

P1口（Pin1～Pin8）：

名称为P1.0～P1.7。

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下所示。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

P1引脚第二功能：

P1.0：

T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

P1.1：

T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5：

MOSI（在线系统编程时用到）

P1.6：

MISO（在线系统编程时用到）

P1.7：

SCK（在线系统编程时用到）

P2口（Pin21～Pin28）：

名称为P2.0～P2.7。

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口（Pin10～Pin17）：

8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7。

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

P3口亦作为STC89C52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

端口引脚第二功能：

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2INTO（外中断0）

P3.3INT1（外中断1）

P3.4TO（定时/计数器0）

P3.5T1（定时/计数器1）

P3.6WR（外部数据存储器写选通）

P3.7RD（外部数据存储器读选通）

此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。

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是单片机复位。

ALE/PROG——当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。

此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。

PSEN——程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当STC89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

EA/VPP——外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。

FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp[3]。

3.1.2驻极体传声器

1.咪头的定义：

咪头又名麦克风，话筒，传声器，咪胆等。

咪头是一个声-电转换器件（也可以称为换能器或传感器），是和喇叭正好相反的一个器件（电→声）。

是声音设备的两个终端，咪头是输入，喇叭是输出。

ECM（ElectretCondenserMicrophone）驻极体电容式麦克风的简称。

2.咪头的分类:

从工作原理上分：

炭精粒式，电磁式，电容式，驻极体电容式（以下介绍以驻极体式为主），压电晶体式，压电陶瓷式，二氧化硅式等。

从尺寸大小分，驻极体式又可分为若干种。

Φ9.7系列产品、Φ8系列产品、Φ6系列产品、Φ4.5系列产品、Φ4系列产品、Φ3系列产品每个系列中又有不同的高度。

从咪头的方向性，可分为全向（无向），单向，双向（又称为消噪式）。

从极化方式上分为振膜式，背极式，前极式。

从结构上分又可以分为栅极点焊式，栅极压接式，极环连接式等。

从对外连接方式分为普通焊点式L型，带PIN脚式P型，同心圆式S/A型。

3.驻极体传声器的结构

以全向MIC振膜式极环连接式为例。

如图3-2所示：

图3-2MIC振膜式驻极体传声器结构图

防尘网:

保护咪头，防止灰尘落到振膜上，防止外部物体刺破振膜，还有短时间的防水作用。

外壳:

整个咪头的支撑件，其它件封装在外壳之中，是传声器的接地点，还可以起到电磁屏蔽的作用。

振膜是一个声-电转换的主要零件，是一个绷紧的特氟珑塑料薄膜（聚氯乙烯）粘在一个金属薄圆环上,薄膜与金属环接触的一面镀有一层很薄的金属层,薄膜可以充有电荷，也是组成一个可变电容的一个电极板，而且是可以振动的极板。

杜邦膜：

FEP、PTFE、PFA、PET等，FEP是美国杜邦公司生产的一种特氟珑薄膜叫聚全氯乙丙烯，在驻极体传声器方面，主要用于电荷的存贮，因为内部有很多的势阱。

PPS膜：

是一种不能存贮电荷的薄膜叫聚苯硫醚，在驻极体传声器方面，主要用于背极式和前极式的振动膜片。

垫片:

支撑电容两极板之间的距离，留有间隙，为振膜振动提供一个空间，从而改变电容量。

背极板:

电容的另一个电极，并且连接到了FET（场效应管）的G（栅）极上。

铜环:

连接极板与FET（场效应管）的G（栅）极，并且起到支撑作用。

腔体:

固定极板和极环，从而防止极板和极环对外壳短路（FET（场效应管）的S（源极），G（栅）极短路）。

PCB组件:

装有FET，电容等器件，同时也起到固定其它件的作用。

PIN：

有的传声器在PCB上带有PIN（脚），可以通过PIN与其他PCB焊接在一起，起连接另外前极式，背极式在结构上也略有不同。

4.驻极体咪头的工作原理：

由静电学可知，对于平行板电容器，有如下的关系式：

C=ε．S/L……①即电容的容量与介质的介电常数成正比，与两个极板的面积成正比，与两个极板之间的距离成反比。

另外，当一个电容器充有Q量的电荷，那么电容器两个极板要形成一定的电压，有如下关系式：

C=Q/V……②

对于一个驻极体咪头，内部存在一个由振膜，垫片和极板组成的电容器，因为膜片上充有电荷，并且是一个塑料膜，因此当膜片受到声压强的作用，膜片要产生振动，从而改变了膜片与极板之间的距离，从而改变了电容器两个极板之间的距离，产生了一个Δd的变化，因此由公式①可知，必然要产生一个ΔC的变化，由公式②又知，由于ΔC的变化，充电电荷又是固定不变的，因此必然产生一个ΔV的变化。

这样初步完成了一个由声信号到电信号的转换。

由于这个信号非常微弱，内阻非常高，不能直接使用，因此还要进行阻抗变换和放大。

FET场效应管是一个电压控制元件，漏极的输出电流受源极与栅极电压的控制。

由于电容器的两个极是接到FET的S极和G极的，因此相当于FET的S极与G极之间加了一个Δv的变化量，FET的漏极电流I就产生一个ΔID的变化量，因此这个电流的变化量就在电阻RL上产生一个ΔVD的变化量，这个电压的变化量就可以通过电容C0输出，这个电压的变化量是由声压引起的，因此整个咪头就完成了一个声电的转换过程[4]。

3.1.3电压比较器LM393

LM393集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：

1）失调电压小，典型值为2mV；

2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±

1V-±

18V；

3）对比较信号源的内阻限制较宽；

4）共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo；

5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；

6）输出端电位可灵活方便地选用，集电极开路输出，后面要加上拉电阻。

LM393集成块采用C-14型封装，图3-3为外型及管脚排列图。

由于LM393使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339，LM2901、LM393（两路的）等，它们的参数基本一致，可互换使用。

a）外型b）管脚排列

图3-3LM393结构图

LM393类似于增益不可调的运算放大器。

每个比较器有两个输入端和一个输出端。

两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。

用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM39