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

本科毕业论文（设计）

基于单片机的智能声光控开关

李波

XXXXX

专业名称电气工程及其自动化

申请学士学位所属学科工科

指导教师姓名、职称XXXXXXXX

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