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基于单片机的声光控开关电路的设计
题目:
基于单片机的声光控开关电路的设计
摘要
本毕业设计就是一种简单的通过声音和光线来控制继电器的断开闭合，从而达到开关的自动断开、闭合功能，其具有很强的适用性。
该设计主要由STC89C52单片机、电压源电路、声音的接收放大控制电路、光信号的接收放大控制电路以及继电器的驱动电路组成[1]。
本设计通过altium软件进行原理图的绘制，proteus软件进行电路仿真图的绘制及仿真，keil软件对程序的编写，编译与执行，实物图的制作与元器件的焊接来实现总体的效果的[2]。
仿真与测试均出现四种情况：
无光无声时、无光有声时、有光有声时、有光无声时，结果后文皆会阐述。
测试结果证明该系统性能稳定、操作方便，具有较高的实用价值。
可以广泛用于楼道，小区，及其他公众地带。
但是仿真电路图用开关去代替光控和声控过于简单。
本设计只能解决有无光照，有无声音的灯泡亮熄，并不能算出光照强度与声音大小的阈值，也不能因光线的不同，声音大小的不同控制灯泡的亮暗程度。
关键词：
STC89C52；声控；光控；自动开关
Abstract
Thegraduationdesignisasimplewaytocontroltheinterruptingandclosingoftherelaythroughthesoundandlight,sothattheswitchisautomaticallydisconnectedandclosed,andithasastrongapplicability.
ThedesignismainlycomposedofSTC89C52singlechip,voltagesourcecircuit,soundreceivingandamplifyingcontrolcircuit,opticalsignalreceivingandamplifyingcontrolcircuit,anddrivingcircuitofrelay.
ThedesignofthedesignthroughAltiumsoftwarefordrawingtheschematic,ProteusSoftwareforthedrawingandSimulationofthecircuitsimulationdiagram,keilsoftwareprogramming,compilationandimplementationoftheprogram,theproductionofphysicaldrawingsandtheweldingofcomponentstoachievetheoveralleffect.
Therearefourcasesinsimulationandtesting:
whenthereisnolight,nosound,nolight,sound,andnolight,theresultwillbeexplained.
Thetestresultsshowthatthesystemhasstableperformance,convenientoperationandhighpracticalvalue.Itcanbewidelyusedincorridors,residentialareasandotherpublicareas.Buttheanalogcircuitdiagramisreplacedbyswitchinsteadoflightcontrolandvoicecontrol.Thedesigncanonlysolvethelight,nosoundlightlight,andcannotcalculatetheintensityoflightandthesizeofthesoundthreshold,andcannotvarythelightandthesizeofthelightintensityofthelightanddarkdegree.
Keywords:
STC89C52;SoundControl;LightControl;Automaticswitc
摘要I
AbstractII
第一章引言1
1.1课题背景1
1.2国内外概况1
1.3目的和意义2
第二章总体方案论证与设计3
2.1对光的采集控制模块的选型和论证3
2.2对声的采集控制模块的选型与论证3
2.3单片机对采集信号处理模块的选型与论证4
2.4继电器驱动模块的选型与论证4
2.5系统整体设计概述4
第三章系统硬件电路设计6
3.1系统设计的原理框图6
3.2总电路原理图7
3.3单片机最小系统7
3.3.1STC89C52的介绍7
3.3.2单片机最小系统电路图9
3.4电源电路模块10
3.5光控电路模块11
3.5.1光敏电阻11
3.5.2光控电路12
3.6声控电路模块13
3.6.1驻极体话筒13
3.6.2声控电路13
3.7继电器驱动电路模块14
3.7.1电磁继电器14
3.7.2继电器驱动电路15
第四章系统软件设计17
4.1系统软件总体设计17
4.2程序设计原理17
第五章系统调试与仿真20
5.1硬件调试20
5.2软件调试20
5.3系统仿真截图21
第六章结论与展望28
致谢29
参考文献30
附录32
元件清单32
系统主程序33
第一章 引言
1.1课题背景
所谓声光控开关是由光和声控制的开关，不像传统的开关只能用电去控制。
自从光电技术问世以来，就被广泛应用于军事、医疗，甚至应用于家庭[3]。
由于市场前景很广阔，况且现在的光电研究成果只是光电技术的冰山一角，所以我们才会大力地去研究它。
本人近期对大学四年所学光电和单片机相关知识内容的回顾，以及广泛地查阅国内外资料，了解国内外研究趋势，决定设计一款用单片机控制的声光控开关电路，这个声光控开关会通过声音的大小去决定开关，也会通过光的强弱去决定，被广泛应用于小区和家庭。
利用声光控开关在很多领域发挥作用，在生活中常常利用声光控开关控制灯光，这样极大的节约了电资源。
由于它具有体积小、外形美观、制作容易、工作可靠的特点，适用于各行各业。
1.2国内外概况
我们在资源日益衰竭的地球上，环保和节能是当今社会生产和生活的主题。
而声光控开关正好秉承着这两大主题。
随着科学技术的发展，公共场所对于智能开关的应用已是很普遍，不但有声光控开关，而且还有微波感应开关和热释远红外感应开关[4]。
对于抗干扰性能方面，微波感应感应开关略显不足。
而热释远红外感应开关却恰恰相反[5]。
但是它也存在很多缺点：
安装复杂、比较娇气、价格偏高，一般运用于宾馆、大饭店楼道级居家走廊[6]。
如果是在普通的居民住房、办公室通道等则要考虑性价比了。
由于价格低廉、安装方便、节能环保，声光控开关将会成为不二之选。
在科学发达的今天，无论是军事、地理、医疗还是家庭，都广泛使用着各种各样的电路。
声光控开关是利用声音的大小和光的强弱最终决定要不要进行开关，而且打开的时间可以内定，这极大地节约了有限资源，既方便又环保。
本人设计的基于单片机的声光控开关电路，利用单片机、继电器、光敏传感器、驻极体话筒等组成电路[7]。
并编写程序导入单片机中，期间所用软件有：
keil、protues、protel等。
通过调节光敏传感器的参数和驻极体话筒中声音的大小来设定开关是否打开。
在此，单片机的使用尤为重要。
随着全球经济的发展，声光控开关的应用将会是各种各样节能器材的首选[7]。
因此，声光控开关有着极为广阔的前景。
对提高人们的生活质量产生了不可磨灭的作用。
科学无国界，我们也可以引用国外先进的技术来达到自己的研究目的。
通过国内外的研究，取其精华，去其糟粕，站在巨人的肩膀上看世界。
1.3目的和意义
研究目的：
通过本次课题的设计，让我对大学四年的知识进行汇拢和总结，这既是解决自身的知识层面问题又是为社会科学提供绵薄之力。
为日后的光电行业垫一块垫脚石，也为日益腾飞的科技增添一抹色彩。
研究意义：
本课题用声光控制开关来代替一般的开关，当天黑以后（或无光照射时），并且有声音时才能使继电器导通，使电路导通，否则延迟一段时间继电器就会自动断开，而白天（或光照时）开关总是断开的。
因此节电效率很高，达到70％的样子，全自动智能控制，接线简单，安装方便，是公共场所照明开关的理想选择[8]。
第二章
总体方案论证与设计
为了实现此功能，本系统需要以下几个模块：
对光的采集控制的模块、对声的采集控制的模块、单片机对采集信号处理的模块、继电器驱动电路的模块，以下我们将会对这几个模块进行选型和论证。
2.1对光的采集控制模块的选型和论证
方案一：
采用开关控制有无电流进行模拟有无光照。
此方案的优点是简洁，易控制。
此方案存在的不足是只能模拟有无光照，不能模拟光照的强弱，所以不选用开关来模拟光照在电路原理图中。
因为简单好控制，我们可以用它在电路仿真图中模拟光照。
方案二：
采用滑动变阻器进行模拟光照强度。
通过改变滑动变阻器的阻值来控制光照。
此方案相对于开关而已，有明显的优势，那就是它在模拟光照的同时能适当的调节光照的强弱。
但是它依然不能完全的代替光照，不能精确地分析不同光照对此设计的影响。
因此我们也不选用滑动变阻器来模拟光照在电路原理图中。
由上可知，我们在仿真图中可以用滑动变阻器来代替光照。
方案三：
采用光敏电阻来控制光照强度。
光敏电阻器是一种半导体的拥有光电效应的电阻，它的电阻值会随着光的强弱而改变[9]。
它对光照的敏感强度近乎于人眼，所以它真实有效的模拟了光照强度。
因此在电路原理图中我们选用光敏电阻器来控制光照强度。
由于在proteus软件中，我们无法找到光敏电阻器，所以我们的仿真图中会采用方案一或方案二中的元器件进行模拟光照，本文我将采用方案一。
2.2对声的采集控制模块的选型与论证
方案一：
采用开关控制有无电流来模拟有无声音。
根据2.1的思想，开关不光能模拟有无光照，也能模拟有无声音，其利弊与2.1相同，在此不做过多阐述，所以我们也不建议在电路原理图中用开关来模拟声音，但是仍可以选做仿真原理图中的代替物。
方案二：
采用滑动变阻器来模拟声音的大小，由2.1可知，滑动变阻器可以手动控制阻值，用其来代替声音的大小相比于开关有较大的优势，但是仍然达不到我们想要的精准度，而且我们也无法将阻值大小换算成声音的赫兹，所以滑动变阻器仍不是理想之物。
方案三：
采用驻极体话筒来控制声音。
驻极体话筒也是电容式话筒的一种[10]。
它里面的驻极体震动膜能进行声电转换。
当有声波输入时，驻极体话筒中的膜片会随着声波的强弱而发生相应的震动，从而使电容极板间的距离发生相应的变化[11]。
由于话筒的灵敏度极高，犹如人耳，所以我们最终选用驻极体话筒来控制声音。
但是在电路仿真图中，本人选用的是方案一中的元器件来模拟声音。
2.3单片机对采集信号处理模块的选型与论证
方案一：
采用AT89C51对采集信号的处理。
AT89C51是我们在大学课本中学习的单片机，因此我们较为熟悉。
但是AT89C51较为普通，且年代久远，功能不健全，结构不先进，市场上基本上不流通。
所以本人决定不采用AT89C51。
方案二：
采用STC89C52对采集信号的处理。
STC系列是AT系列的升级版本。
它的内核是MCS-51。
虽然它的引脚功能与AT89C51大同小异，但是它相比于AT89C51结构更先进，功能更强，且市场上也在流通。
所以本人将采用STC89C52芯片对采集信号的处理。
2.4继电器驱动模块的选型与论证
方案一：
采用电磁继电器进行驱动。
电磁继电器一般都是由铁芯、线圈、衔铁、触点弹簧等组成[12]。
只要线圈两端有电压，线圈中就有电流。
这个时候就会有电磁效应。
继电器中的衔铁就会依靠电磁力去克服返回弹簧的拉力，从而吸向铁芯，能带动衔铁的动静触点吸合。
当断电时，电磁的吸力就没有了，衔铁就会跑到原来的位置上，然后动触点与静触点就会被释放。
由电磁继电器的释放与吸合，就可以控制电路中的导通与切断。
选用电磁继电器能达到低电压，低电流去控制高电压高电流的目的。
所以本人将采用电磁式继电器进行驱动。
2.5系统整体设计概述
本系统设计以单片机为控制核心，连接与协调其它模块工作，使之达到声控，光控等目的。
整体框图：
图2.5-1系统结构框图
第三章
系统硬件电路设计
3.1系统设计的原理框图
图3.2-1系统设计原理框图
在电源电路，首先将220V的交流电压经过15V变压器变成15交流电，再经LM7812、LM7912和LM7805转换成±12V与5V直流电源，电源电路给声控电路、光控电路、STC89C52单片机最小系统电路以及继电器驱动[13]；
声控电路通过话驻极体话筒将声音转化成电信号，经电容耦合到三极管的基极，通过控制三极管的饱和、截止来控制输出电平的高低，然后输送到单片机；
光控电路通过光照改变光敏电阻的阻值大小来控制三极管的饱和、截止，在经过LM358的运放来控制电平的高低，再输送到单片机；
单片机根据声控电路、光控电路输入的信号来判断继电器的断开或者连接，单片机也控制继电器连接的延迟时间。
单片机的输出的电流比较小，不能够驱动继电器的闭合断开，继电器驱动由三极管组成给单片机的输出电流进行补偿，来驱动继电器的闭合。
3.2总电路原理图
图3.2-1系统总电路原理图
此图为系统的总电路图，它是由几个模块组成的。
分别是：
电源电路、声控电路、光控电路、单片机最小系统、继电器驱动。
下面我们将具体对这几个模块进行分析。
3.3单片机最小系统
3.3.1STC89C52的介绍
本系统中选用MCS-51内核的单片机，它是在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多种功能的I/O线等一台计算机所需要的基本功能部件[14]。
MCS-51单片机与MCS-48单片机相比，结构更先进，功能更强，在MCS-48的基础上增加了更多的电路单元和指令这里我们选用的是与这三种系列类型的单片机功能都是差不多的STC89C52，STC89C52与AT系列单片机性能差不多。
主要性能参数：
·与MCS-51产品指令系统完全兼容
·4k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器
·1000次擦写周期
·4.0－5.5V的工作电压范围
·全静态工作模式：
0Hz－33MHz
·三级程序加密锁
·128×8字节内部RAM
·32个可编程I／O口线
·2个16位定时／计数器
·6个中断源
·全双工串行UART通道
·低功耗空闲和掉电模式
·中断可从空闲模唤醒系统
·看门狗（WDT）及双数据指针
·掉电标识和快速编程特性
·灵活的在系统编程（ISP字节或页写模式）
图3.3.3-1STC89C52单片机引脚图
端口引脚第二功能
P1.5MOSI（用于ISP编程）
P1.6MISO（用于ISP编程）
P1.7SCK（用于ISP编程）
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INTO（外中断0）
P3.3/INT1（外中断1）
P3.4T0（定时/计数器0外部输入）
P3.5T1（定时/计数器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）
表3.3.3-2P3口第二功能
3.3.2单片机最小系统电路图
主要用STC89C52单片机最小系统板。
单片机及其外围电路见图3.3-4。
由5V电源给单片机供电，该芯片的P3.0—P3.4用作无线接收模块的输入端口，由于PT2272输出的是高电平，所以在程序初始化后，P3.0—P3.4为均低电平。
其他端口的作用为：
P1.6作为光控信号的输入口；
P3.4作为升空信号的输入口；
P1.7作为继电器驱动电路的输出口；（高电平有效）；
P3.0和P3.1是STC89C51的串口，实现上电复位程序下载。
图3.3.2-1单片机最小系统
STC89C52中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端[15]。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器[16]。
外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容Cl6、C17接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。
对外接电容Cl6、C17虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。
如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30pF±10pF，而如使用陶瓷谐振器，建议选择40pF±10pF。
用户也可以采用外部时钟，这里我使用的是30pF电容，12MHz的晶体振荡器。
由于没有外部的ROM，所以EA与外部电源相连接，置高电平，直接读取ROM。
连接如图3.3.2-1所示。
3.4电源电路模块
本课程设计使用的是5V电源的电路。
图3.4-1电源电路图
3.5光控电路模块
3.5.1光敏电阻
光敏电阻的介绍我们在第二章对光的采集信号的选型与论证中就有所涉及。
它是一种半导体的光电传感器，会随着光照的增强，其内部的电阻会越来越小[17]。
在无光的情况下，它的阻值能达到1~10M欧，在有光的情况下，它的阻值却只有几百或几千欧。
因为它对光照的灵敏度极强，可近乎于人眼，所以我们经常用它去实现一些功能。
下图是光敏电阻的原理图：
图3.5.1-1光敏电阻原理图
3.5.2光控电路
由光敏电阻，滑动变阻器，电阻，NPN三极管及运算放大器LM393组成，如下图3.5.2-1所示：
图3.5.2-1光控电路图
当光敏电阻受光照时，电阻减小，运放同向输入端为低电平；当光照较弱时，电阻增加，运放同向输入端为高电平。
光控电路的输出信号经过电压跟随器后，将比较微弱的电流信号放大到单片机能够识别的电流，然后由运放输出端将放大后的信号传给单片机的I/O口[18]。
电路图中的集电极电阻R17作为限流电阻，保护三极管；调节变阻器T2能够改变基极电流，从而控制发射结和集电极电流，进而控制整个光控电路对光信号的灵敏度[19]。
3.6声控电路模块
3.6.1驻极体话筒
由第二章可知，驻极体话筒是一种电容式话筒，它能够进行声电转换。
它里面的膜片会通过声波的强弱发生相应的震动。
然后还会使电容极板间的距离发生相应的变化。
最后电容量也会发生变化。
因为电荷变了，所以电压也会变，就这样，声电就转换过来了。
如果加一个效应管，灵敏度会大大增强。
下图是驻极体话筒的外观、内部电路：
图3.6.1-1驻极体话筒外观、内部电路
3.6.2声控电路
图3.6.2-1声控电路图
如图3.3-3所示，拾音电路将声音转换成微弱的电压信号。
然后，微弱的电压信号经过两级放大成伏级的电压，电压通过迟滞比较器转变成单片机识别的方波信号,经过双向稳压管变成V的方波，然后传给单片机的I/O口[19]。
拾音电路由小型麦克和限流电阻组成[20]，自制5V电源向其提供驱动电流；两级放大电路由两级共射单管放大组成，前级是NPN管，后级是PNP管；迟滞比较器的正向阈值电压为：
负向阈值电压为：
由图3.6.2-1可知，故：
以通过阈值电压的设置来消除两级放大的噪声，防止噪声对产生方波信号的干扰，从而消除噪声对单片机的干扰，增强对有用信号的识别[21]。
电阻R15=200KΩ，非常大，延长电容放电时间。
3.7继电器驱动电路模块
3.7.1电磁继电器
电磁式继电器我们在第二章中有讲到。
它的组成我就不在这重复了。
电磁继电器的工作原理第二章也有涉及，它主要是通过加在上面的电压产生电流，从而产生电磁效应电磁继电器中的衔铁就会吸合铁芯，带动动静触点吸合[22]。
断电的时候，就没有了电磁的吸力，衔铁回到原来的位置上。
这样反反复复就能够达到电路的导通与关闭。
如下是电磁继电器的外形与工作原理：
图3.7.1-1电磁继电器的外形与工作原理
3.7.2继电器驱动电路
将开关电路的负载改为继电器，即变成继电器驱动电路。
如下图所示：
图3.7.2-1继电器驱动电路图
运放同相输入端CON13与单片机相连，电压跟随器将微弱的单片机I0口输出电流放大，提高带负载能力，使电流能够驱动三极管，但为防止电流过大烧坏三极管，因此加上限流电阻R12，从而通过三极管的开关作用来驱动继电器[23]。
LED2用来显示继电器的状态，当继电器闭合是LED2亮，但继电器断开是LED2灭，当开关的负载为电动机或者继电器等感性负载时，在截断流过负载的电流时（晶体管进入截止状态时），会产生感应电动势（楞次定律）。
这时产生的电压非常大。
当这种电压超过晶体管的VCBO，VCEO时，晶体管将会被击穿。
因此给继电器并上一个二极管，将集电极的电位钳制在（VCC+0.5）V左右，防止三极管被击穿[24]。
第四章 系统软件设计
4.1系统软件总体设计
否是
图4.1主程序流程图
主程序流程图如图4.1所示，我们需要一个延迟时间函数，一个判断语句，一个工作函数及一个主函数。
下面我们会具体介绍。
4.2程序设计原理
有硬件的设计与绘制就会有软件的设计与编写。
每一个硬件模块相对应每一个软件的编写。
首先每一个程序都会有头文件，表明你所用的单片机类型，你所用的变量类型：
#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
其次，你需要定义变量的接口：
sbitGM=P1^0;//光敏
sbitshengyin=P1^4;//声音
sbitrelay=P3^4;//继电器控制灯
再者，我们需要一个延迟时间函数：
voiddelay_1ms（uintx）//延时函数
{
uinti,j;
for（i=0;ifor（j=0;j<120;j++）;
然后，我们需要一个工作函数，这是程序的重心：
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（v
升级会员 