基于单片机的智能声光控开关毕业设计.docx
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基于单片机的智能声光控开关毕业设计
学院
专科毕业论文(设计)
基于单片机的智能声光控开关
专业名称机电一体化
申请学士学位所属学科工科
指导教师姓名、职称高功臣
2011年6月8日
摘要
声光控开关的原理是只有在天黑以后,当有人走过楼梯通道,发出脚步声或其它声音时,楼道灯会自动点亮,提供照明,当人们进入家门或走出公寓,楼道灯延时几分钟后会自动熄灭。
在白天,即使有声音,楼道灯也不会亮,可以达到节能的目的。
本文以LGS公司生产的GMS97C2051单片机为核心,研究声光控开关的设计,采用串行A/D对声音信号的采集,可以通过软件来调节对声音的灵敏度。
单片机软件实施对光度的判断,使开关在白天时即使有声音也不工作。
文章应用了过零启动技术,开关工作在频繁的开关状态时不易损坏可控硅,延长了声控开关的使用寿命。
文章中还加入了看门狗电路,在工作中可以起到抗干扰的作用,大大加强了开关的可靠性。
关键词:
声光控,智能,节能,可靠性。
ABSTRACT
Theprincipleofacousticopticalswitchisonlyafterdark,whensomeonepassstairchannel,issued,orothersoundsoffootstepswillprovideautomaticlitcorridor,lighting,whenpeopleenterthehouseorapartmentcorridorlightsoutseveralminutesautomaticallydelayextinguished.Duringtheday,evenavoice,corridorlightsalsowillnotlight,canachievethepurposeofsavingenergy.
InthispaperGMS97C2051LGScompanyproduction,thesingle-chipmicrocomputeristhedesignofacousticlight-activatedswitch,theserialA/Dforsoundsignalcollection,bysoftwaretoadjustthesensitivitytosound.Single-chipmicrocomputersoftwareimplementationonphotometricjudgmenttomaketheswitchinthedaytime,eventhoughthereisvoicedoesn'twork.Articleappliedzerostartuptechnology,switchworkinfrequentswitchtothyyistoyandextendedofsound-controlled.Articlealsojoinedwatch-dogcircuit,intheworkplaysaroleofanti-interference,thereliabilityofswitchesisgreatlyenhanced.
Keywords:
sound,theintelligentcontroller,energy-saving,reliability.
1.绪论
1.1课题背景
当今社会的主潮流是:
降低能耗,节约能源,注重环保。
声光控开关体积小,外形美观,反应灵敏,制作容易,是公共场合照明开关的理想选择,被誉为:
“长明灯的克星”。
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,既增大了维修量、浪费了资金,又容易造成事故隐患。
因此,设计研制一种电路新颖、安全节电、结构简单、安装方便的声光双控白炽灯节能自动开关显得相当有必要。
1.2课题现状
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。
因此,设计一个基于单片机的声光控开关系统,使公共场所和居民居住区的公共楼道灯在白天时不亮,晚上闻声自亮,待人走后,几十秒后自动关闭,既方便,又省电。
1.3课题意义
(1)利用单片机作为中央处理器;
(2)具有光控功能,白天不亮灯,晚上有声音时亮灯;
(3)延时时间可调节;
(4)具有过零检测功能;
(5)所设计的开关系统应做到节能、智能、耐用、可靠性高以及维护方便。
2.系统设计方案
2.1课题的研究内容
运用单片机可以设计出智能型的声控开关,电路设计好后,运用软件编程来实现其功能,灵活方便,修改简单,在使用过程中更加的安全节电,智能环保。
2.2技术方案的选择
目前的声控开关大多都是应用模拟电子技术进行设计,分立元件多,不可靠,而且许多声控开关的平均使用寿命不长,主要是因为电路作频繁的开关,启动电流非常大,导致功率元件可控硅由于过载而损坏。
如果在设计中采用开关电压过零保护技术,可消除白炽灯开启瞬间的大电流冲击,有效地防止可控硅元件启动时的电流过载,大大地延长了开关的使用寿命,并且可以起到保护灯泡的作用。
如今单片机技术已经相当成熟,未来的发展方向趋向于运用单片机可以设计出智能型的声控开关,电路设计好后,运用软件编程来实现其功能,灵活方便,修改简单。
在使用过程中更加的安全节电,智能环保。
首先单片机是一种集成在电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
单片机的特点:
(1)种类多,型号全;
(2)提高性能,扩大容量,性能价格比高;
(3)增加控制功能,向真正意义上的“单片”机发展;
(4)低消耗;
(5)C语言开发环境,友好的人机互交环境。
单片机的优点:
(1)使用寿命长;
(2)运行速度越来越快;
(3)低噪声和高可靠性技术;
(4)OTP与掩膜。
综上所述,单片机的特点和优点符合制作智能声光控开关的条件,并且具有准确性和节能性。
3.系统结构与工作原理
3.1系统结构
设计声光控开关,最起码要考虑三个问题,其一是灯泡的开关控制,这是由220V市供电。
其二是光控制,使其在有光时,即使有声音也不能亮。
其三就是声音控制,在晚上或光线不足时,只要有人经过,发出声音,灯泡就会点亮。
设计的整体方案图如图1所示。
CPU以GMS97C2051单片机为核心,GMS97C2051是LG公司生产,引脚功能和指令系统与MCS-51兼容的20引脚封装单片机,片内含2K字节的EPROM,与MCS-51的主要不同之处是少了P0和P1口,能方便地用于不需外扩程序存储器的应用场合,达到简化电路、缩小体积、减小损耗和降低成本的目的。
整个设计包括以下几个模块:
声信号采集模块,该模块主要是负责声音信号的采集并放大,再经过A/D转换器输入到单片机。
1.声信号采集模块,该模块主要是负责声音信号的采集并放大,再经过A/D转换器输入到单片机。
2.过零保护模块,该模块主要是负责声音信号的采集并放大,再经过A/D转换输入到单片机。
3.光信号采集模块,对光信号进行处理,电路当中有光信号时,输出一电平信号给单片机,当晚上或光线较暗时输出一反向信号给单片机,由单片机作出判断。
4.时钟定时模块,运用一时钟芯片,起到定时功能,当灯亮后,一定定时时间到,即自动熄灭。
5.看门狗模块,对现场干扰起保护作用,防止单片机的程序跑飞,使使使之输出一电压值,到可控使可控硅打开。
6.输出驱动模块,由单片机控制,使之输出一电压值,到可控硅,使可控硅打开。
图1整体方案图
3.2系统的工作原理
采用串行A/D对声音信号的采集,可以通过软件来调节对声音的灵敏度。
单片机软件实施对光度的判断,使开关在白天时即使有声音也不工作,在晚上闻声自亮。
4.硬件系统的设计
4.1声音信号采集电路的设计
图2声信号采集电路
如图2所示为声音信号采集电路。
R6为声传感器,当没有声音时,其输出为低电压信号,若有声音时,输出一电压值,该电压值经过运算放大器OP07放大,放大倍数为R2/R4,R2为可变电阻,可以调节其阻值,使其放大倍数改变,起到调节声音灵敏度的作用。
下图TLC2543为A/D转换器,TLC2543采用串行接口,与外围电路的连线简单,三个控制输入端为CS(片选)、输入/输出时钟(I/OCLOCK)以及串行数据输出端(DATAINPUT)。
片内的14通道多路器可以选择11个输入中的任何一个或3个内部自测试电压中的一个,采用一保持是自动的,转换结束,EOC输出变高。
图3TCL2543A/D转换器
TLC2543的引脚排列如图1所示。
引脚功能说明如下:
AIN0~AIN10:
模拟输入端,由内部多路器选择。
对4.1MHz的I/OCLOCK,驱动源阻抗必须小于或等于50Ω;
CS:
片选端,CS由高到低变化将复位内部计数器,并控制和使能DATAOUT、DATAINPUT和I/OCLOCK。
CS由低到高的变化将在一个设置时间内禁止DATAINPUT和I/OCLOCK; DATAINPUT:
串行数据输入端,串行数据以MSB为前导并在I/OCLOCK的前4个上升沿移入4位地址,用来选择下一个要转换的模拟输入信号或测试电压,之后I/OCLOCK将余下的几位依次输入;
DATAOUT:
A/D转换结果三态输出端,在CS为高时,该引脚处于高阻状态;当CS为低时,该引脚由前一次转换结果的MSB值置成相应的逻辑电平;EOC:
转换结束端。
在最后的I/OCLOCK下降沿之后,EOC由高电平变为低电平并保持到转换完成及数据准备传输;
VCC、GND:
电源正端、地;
REF+、REF-:
正、负基准电压端。
通常REF+接VCC,REF-接GND。
最大输入电压范围取决于两端电压差;
I/OCLOCK:
时钟输入/输出端。
TLC2543的主要特性如下:
(1)11个模拟输入通道;
(2)66ksps的采样速率;
(3)最大转换时间为10μs;
(4)SPI串行接口;
(5)线性度误差最大为±1LSB;
(6)低供电电流(1mA典型值);
(7)掉点模式电流为4μA。
由于TLC2543具有以上特点,其转换速度快,与单片机接口简单,占用的I/O口少,因此在本设计中选择进行A/D转换,用于采集声音信号。
4.2光信号判断电路的设计
楼道上的声控开关出了声音控制外,还必须有光控功能,即在白天时无论有无声音,都不会点亮灯泡,只有在夜晚或是光线较暗时,发出声音后,才会开灯。
这就必须设计一个光控电路,原理图如图4所示。
图4光信号判断电
图中D1为光敏电阻器,光敏电阻器的主要功能是,当没有光照或光线不足时,其阻值较大,达到兆欧级以上,相当于处于短路状态,此时R1电位器中间抽头输出为低电平。
而当有光照时,光敏电阻阻值下降,阻值相当小,此时电位器R1的中间抽头输出为高电位。
LM393和电位器R8组成一电压比较器,当同相输入端电位高于反相输入端时,LM393输出一高电平,反之,当反相输入端电位高于同相输入端时,LM393输出一低电平,输出信号经过具有施密特功能的反相器74LS14,送到单片机,由单片机进行检测,判断是否有光照。
4.3过零启动保护电路的设计
普通的白炽灯正常发光时的灯丝与不发光时灯丝电阻值相差甚远,从而使得其在启动瞬间的冲击电流非常大,例如一只60W的灯泡,在正常发光时,电阻约为800欧,工作在标准市电220V时,工作电流不到0.3A。
然而在不放光时,灯丝的电阻阻值约为6欧,当启动时,电流会很大,约有3.5A左右。
这种大电流的冲击,很容易损坏可控硅。
如图5为白炽灯启动时的电流波形图。
图5白炽灯启动电流波形图
市电电压是交流220V,交流电始终是从零值到峰值的变化,只要使白炽灯在零值或零值附近启动,就可以避免大电流的冲击。
如图6为过零启动保护电路。
D2为整流桥,SCR为可控硅,过零启动主要是由电阻Rx1~Rx5,二极管D3和二极管O6组成。
Rx2~Rx3是采样电阻,当整流桥2号端子的电压处于低电压时,Rx2和Rx3之间的电压也很低,Q6处于截止工作状态,protect端输出高电平。
当整流桥的2号端口为高电压时,Rx2和Rx3之间的电压亦很高,使Q6工作在导通状态,protect端输出低电平。
把protect的低电平信号送到单片机的I/O上进行检测,由单片机作出判断,再决定SCR端得电压值,当protect为高,此时的电压为低,可以驱动SCR导通,点亮白炽灯,当protect为低,此时的电压为高,使SCR关闭,暂时不点亮白炽灯,等到过零点电位时才运作。
因此,无论什么时候有声音信号来,只有在低电位时,才驱动SCR可控硅打开,声控信号才起作用,实现零压启动。
图6过零启动保护电路
白炽灯点亮以后,可控硅SCR导通,二极管D3的阳极电位就会下降,此时二极管D3就起到了过零电压启动取消的作用。
当有高电压来时,Rx1与Rx2之间的电位就会高于D3的阳极电位,二极管导通,从而使Q6的基极输入电位下降,有效地避免了灯泡的闪烁现象。
4.4定时电路的设计
声控开关在打开后,需要定时一定的时间,一般为几十秒,设计时可以借助时钟芯片,这里选用一款美国DALLAS公司生产的高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片DS1302.
DS1302与CPU通过三线接口同步通信,其接口电路如图7所求。
图7定时电路
4.5驱动输出电路的设计
前面提到,当单片机检测到声光信号后,要控制图6中的SCR可控硅导通,才能点亮灯泡,因此要设计一个驱动输出电路。
图8驱动输出电路
如图8所示,用一个反向器与一个NPN型的三极管,一般的8050或9013都可以,再加一个上位电阻,此处用一个10K的电位器,方便可调。
单片机的一个I/O端口控制74LS14,使三极管关断截止或导通闭合。
当单片机检测到有声光信号时需要驱动可控硅导通,则单片机给一个高电平信号,经反向器反为低电平,三极管截止,SCR输出端为高,打开可控硅,点亮灯泡。
反之,单片机给一个低电平,使三极管导通,SCR端输出为低,可控硅截止,灯泡不亮。
4.6电源设计
灯泡的工作电压为220V,但控制器的工作电压为5V,所以必须设计一个电源电路,取得5V的低电压。
如图9所示,ZI为9V稳压管,C7~C10为滤波电容,D4、.D5为保护二极管,7805为三端稳压管。
220V经过整流后,经过Z1稳压输出9V,再经C9和C7滤波输出直流电压,从7805的1脚输出+5V.。
图9电源设计
4.7看门狗电路的设计
4.7.1简介看门狗电路及其作用
在由单片机构成的微型计算机系统中,由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰,造成程序的跑飞,而陷入死循环,程序的正常运行被打断,由单片机控制的系统无法继续工作,会造成整个系统的陷入停滞状态,发生不可预料的后果,所以出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑,便产生了一种专门用于监测单片机程序运行状态的芯片俗称“看门狗”(Watchdog)。
声控开关控制器长时间工作,电路中即有220V的强电,又有+5V的低工作电压,现场的抗干扰在所难免,为避免单片机的程序跑飞,这里加入了看门狗电路,起到抗干扰的作用。
X5045将EEPROM、看门狗定时器、电压监控三种功能组合在单个芯片之内,大大简化了硬件设计,提高了系统的可靠性,减少了对印制电路板的空间要求,降低了成本和系统功耗,是一种理想的单片机外围芯片。
X5045引脚如图10所示。
图10X5045引脚图
其引脚功能如下:
CS:
芯片选择输入:
当CS是高电平时,芯片未选中,并将SO置为高阻态。
器件处于标准的功耗模式,除非一个向非易失单元写的周期开始。
在CS是高电平时,将CS拉低将使器件处于选择状态,器件将工作于工作功耗状态。
在上电后任何操作之前,CS必须要有一个高变低的过程;
SO:
串行输出:
SO是一个推/拉串行数据输出引脚,在读数据时,数据在SCK脉冲的下降沿由这个引脚送出;
SI:
串行输入:
SI是串行数据输入器,指令码、地址、数据都通过这个引脚进行输入。
在SCK的上升沿进行数据的输入,并且高位(MSB)在前;
SCK:
串行时钟输入,其上升沿将数据或命令写入,下降沿将数据输出;
WP:
写保护输入:
当WP引脚是低电平时,向X5045中写的操作被禁止,但是其他的功能正常。
当引脚是高电平时,所有操作正常,包括写操作。
如果在CS是低的时候,WP变为低电平,则会中断向X5045中写的操作,但是,如果此时内部的非易失性写周期已经初始化了,WP变为低电平不起作用;
Vss:
地;
Vcc:
电源电压;
RESET:
复位输出:
PESET是一个开漏型输出引脚。
只要Vcc下降到最小允许Vcc值,这个引脚就会输出高电平,一直到Vcc上升超过最小允许值之后200ms。
同时它也受看门狗定时器控制,只要看门狗处于激活状态,并且WDI引脚上电平保持为高或者为低超过了定时的时间,就会产生复位信号。
CS引脚上的一个下降沿将会复位看门狗定时器。
由于这是一个开漏型的输出引脚。
所以在使用时必须接上拉电阻。
X5045硬件连接图如图11所示。
X5045芯片内包含有一个看门狗定时器,通过软件预置系统的监控时间后,若在预置的时间内看门狗芯片的CS端电平没有发生变化,则X5045将从RESET输出一个高电平信号,使CPU复位
图11看门狗电路
4.7.2X5045特性介绍
(1)可选时间的看门狗定时器。
(2)Vcc的降压检测和复位控制。
(3)5种标准的开始复位电压,使用特定的编程顺序即可对电压检测和复位开始电压进行编程,复位电压可低至Vcc=1V。
(4)省电特性:
在看门狗打开时,电流小于50uA,在看门狗关闭时,电流小于10uA,在读操作时,电流小于2mA。
不同的型号的器件,其供电电压可以是1.8-3.6V、2.7-5.5V、4.5-5.5V。
4K位EEPROM,1,000,000次的擦写周期。
(5)具有数据的块保护功能—可以保护1/4、1/2、全部的EEPROM,当然也可以置于不保护状态。
(6)内建的防误写措施:
用指令允许写操作,写保护引脚。
(7)时钟可达3.3M。
(8)短的编程时间:
16字节的页写模式;写时由器件内部自动完成;典型的器件写周期为5ms。
4.8.PCB板的制作的设计
4.8.1PROTELDXP2004的概述
Altium公司2004年最新产品,ProtelDXP2004是一款能极大地提高PCB设计的完整的板卡级设计软件。
它可运行于Windows2000和WindowsXP操作系统之上,可实现从概念设计到输出外协加工文件等一系列操作,并对设计过程、设计结果进行分析、验证。
ProtelDXP2004不仅能方便经验丰富的PCB工程师,也降低了制作PCB的门槛,人们只需通过段时间培训,便可以很快制作出一块合格的PCB.ProtelDXP2004已经不再是单纯的SCH、PCB设计工具,而是主要由以下几个功能模块组成的系统工具:
(1)分级线路图输入。
(2)自动布局布线。
(3)设计前、后的信号传输效应分析。
(4)规则驱动下的板卡色设计和编辑。
(5)Spice3f5混合电路仿真模拟。
(6)完全支持线路图基础上的FPGA设计。
(7)完整的CAM输出。
4.8.2Protel原理图界面
在Protel主界面中单击File>Open命令,在文件路径中选择原理图文件。
ProtelDXP2004原理图界面主要包括以下几部分:
菜单栏、工具栏、工作窗口等。
原理图如下图所示菜单栏DXP(系统)、File(文件)、View(视图)、Project(工程)、Place(放置)、Design(设计)、Tools(工具)、Peports(报告)等。
4.8.3电路原理图的设计流程
在原理图设计时可能会涉及到众多元件的放置,繁多的电气连接。
为了保证不出错,需要遵循一定的设计流程。
在绘制简单的原理图时按照以下流程绘制即可。
(1)新建项目文件。
在项目文件中新建原理图文件。
(2)设置原理图图纸及相关信息,图纸是原理图绘制的工作平台。
几乎所有的工作都建立在其上,为原理图设置合适的图纸参数将有利于原理图设计。
(3)添加/删除元件库。
在原理图设计中使用的元件符号,需要在绘制之前导入。
(4)放置元件符号,元件符号的放置要遵循电路设计要求,同时要修改元件的属性(当然也可以在后续操作中再进行属性修改)。
(5)电气连接。
在原理图中进行电气连接时可以使用导线连接,也可以采用总线连接,还可以使用网络标记进行连接,电气链接可为PCB设计生成网络报表。
(6)调整原理图并检查错误、修改。
在电气连接完成后要根据电路设计进行仔细的检查,确保电路连接的正确性。
ProtelDXP2004引入了自动ERC检测功能,能简化设计人员的检查工作。
(7)原理图注释。
这是原理图设计不可缺少的部分。
注释时要注明原理图的名称、关键点的说明和波形描述等。
(8)原理图保存打印。
单击工具栏的保存按钮即可进行保存。
值得一提的是,在设计过程中要经常保存以防意外丢失。
单击工具栏上的打印预览按钮可以进行打印预览,查看打印效果。
若确定无误后即可单击打印按钮进行打印输出。
(9)输出文件。
可根据需要选择原理图元件清单输出或网络报表输出等。
4.8.4PCB板的绘制原则
(1)电路要有合理的走向
对于输出/输入、交流/直流、强/弱信号、高频/低频、高压/低压等,它们的走向应该是分离布线的,不得相互交融,其目的在于防止相互干扰。
(2)选择好电路信号的接地点
接地点的设置是较复杂而又灵活的,一般情况下要求公共地,,现实中,因受各种限制很难完全办到,但应尽力遵循,这个问题在实际中是相当灵活的,每个人都有自己的一套解决方案。
(3)合理安排电源滤波/各种退耦滤波电容
电源线上的小电容是为开关器件或其他需要滤波/退耦的器件而设置的,布置这些电容就应该尽量靠近这些元器件,离得太远就没有作用了。
(4)PCB布线有一定的规则
在PCB板上,有条件加宽的线尽量不做细。
高压及高频线应圆滑,不得有尖锐的倒角,拐弯也不得采用直角。
地线应尽量宽,最好使用大面积敷铜。
(5)谨慎处理来自PCB设计中的问题
设计中尽量减少过线孔,由于过线孔太多,在生产中工艺稍有不慎就会埋下隐患。
同向并行的线条如果密度过大,则焊接时很容易连成一片,线密度应视焊接工艺水平来确定。
焊点的距离太小,将不利于人工焊接,只能以降低工效来解决焊接质量,因此焊点最小距离的确定应综合考虑焊接人员的素质和工效。
4.8.5ProtelPCB设计流程
通常,PCB的设计是要遵循一定的流程,保证PCB和原理图设计同步,不要有遗漏,这样会使检查更加容易。
当然,对于不同的设计人员会有一些差别,概括有以下几个步骤。
(1)P