智能声控电风扇单片机课程设计资料.docx
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智能声控电风扇单片机课程设计资料
愤怒的仓鼠智能声控电风扇
第八部分研制报告
（一）系统设计方案
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。
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。
（二）声控电路的设计
摘 要
声控电路主要由捡音器（驻极体电容器话筒），晶体管放大器和发光二极管等构成。
驻极体电容来采取声音信号，晶体管放大器将较弱的信号放大传输给发光二极管，发光二极管即LED灯内芯，来产生发光效果。
本设计主要涉及模电部分音频放大电路：
把音频放大产生脉冲传递给LED驱动控制电路。
声控电路有很多种形式，本设计采取最基本，最实用的，性能可靠，安装调试方便等优点的声控LED电路。
关键词：
采集 放大 驱动LED
1 设计任务与要求
进一步熟悉模拟和数字设计方法和规范，并进一步巩固所学模拟电子及相关知识，达到综合应用电子技术的目的，培养设计开发以及动手实践等能力，学会阅读相关科技文献，查找器件手册与相关参数，独立思考分析，完整理总结设计报告。
了解声控电路的功能，学会在实际电路中应用。
进一步熟悉放大电路、驱动电路的应用。
了解驻极体电容传声器的种类不同，采用的测量电路和要求也不同。
完成声控电路的连接和调试。
学会对电子电路的检测和排除电路故障，进一步熟悉常用电子仪器的使用，提高分析问题和解决问题的能力。
1、声音由驻极体传声器拾取，使得LED灯发光
2、掌握驻极体电容传声器、放大电路、驱动电路的原理，给出声控电路总体方案。
2 设计方案与论证
原理:
本电路图是通过三级管的放大和开关作用来实现声控电路的功能，通过将声音型号转化为电信号并通过放大网络将电信号转化为二极管的光信号。
3单元电路设计及主要元器件参数计算
3.1 放大电路的设计
我们采用最基本的放大电路,因此，根据日常的学习，我们取最基本的电阻和电容原件
图3-1 放大电路示意图
3.2 开关的实现
由三极管工作条件可知，只有当2VD基极有电流时，才能够实现发射极正偏，此时2VD起到了开关的作用，即只有当驻极体电容传声器产生电信号，通过1VD的放大作用传送到2VD时，2VD才起到开关的作用，此时发光二极管LED接通，开始发光。
图3-2 开关电路示意图
4 仿真与调试
4.1 电路图
图4-1 声控电路设计示意图
4.2 调试准备——检查电路
在通电调试之前，必须认真检查电路连线是否正确，对照电路图按照一定的顺序逐级检测，特别要注意电源是否接错，电源与地是否有短接，三极管是否接反，轻轻拨一拨元器件，观察焊点是否牢固。
4.3 调试
先用万用表测量电路有关点电位是否正常。
发现不正常现象时，及时找出原因进行修改，注意接线不得有误，接入电源，是脉冲发生电路正常工作。
观察灯泡是否按要求进行亮暗变化。
如不能顺利完成以上功能，则应认真检查电路的连接及功能设计是否有误并作出相应的调整。
故障分析
起初闭合开关，LED灯并不能正常发光，仔细分析后发现，是因为信号发生器幅值不够，幅值改变之后， LED正常发光。
不断增加幅值大小，LED仍能够正常发光，说明声音强度越大，LED发光越好。
（三）声音控制开关
一、摘要
本课题主要设计一个声音控制开关，在智能板上安装一个MIC麦克风，当单片机接收到声音，控制继电器点亮LED灯，同时数码管显示OPENLED，否则显示CLOSE。
在原有开发板的基础上，外加一个MIC麦克风放大电路，如图1-1所示，正极接单片机的任意引脚，负极接地。
继电器控制电路的硬件连接如图2，STC12C5A60S2单片机的IO端口P3.7控制继电器的吸合-和释放，三极管用于增加线圈的吸合的释放的电流，二极管4148用于继电器线圈的反向保护，控制P3.7的“0”和“1”使“MID”与“CLOSE”通，或“MID”与“OPEN”通。
当麦克风接收到声音后继电器得电，经过处理转换成脉冲电压送给单片机，控制继电器点亮LED灯。
二、本论
2、课程设计原理
在原有开发板的基础上，外加一个MIC麦克风放大电路，如图1-1所示，正极接单片机的任意引脚，负极接地。
继电器控制电路的硬件连接如图2，STC12C5A60S2单片机的IO端口P3.7控制继电器的吸合-和释放，三极管用于增加线圈的吸合的释放的电流，二极管4148用于继电器线圈的反向保护，控制P3.7的“0”和“1”使“MID”与“CLOSE”通，或“MID”与“OPEN”通。
当麦克风接收到声音后继电器得电，经过处理转换成脉冲电压送给单片机，控制继电器点亮LED灯。
当有声音信号输入，则LED绿灯亮，数码管显示OPEN；没有输入时LED红灯亮，数码管显示CLOSE。
3、硬件原理图
1）MIC麦克风放大电路
图1-1
2）继电器控制电路
3）数码管显示电路
LED数码管显示器硬件电路原理图如图
4、程序流程
5、调试运行
1）将程序写入单片机中运行
2）上电后输入声音信号，数码管显示OPEN，LED绿灯亮
3）遇到的问题
a、起初数码管只能点动显示OPEN和CLOSED,在程序中加上if（in==0）s++;if（s!
=0）语句后，就可以延时显示了。
b、输入单片机两个引脚的电压过低，无法驱动继电器工作。
加入一个上拉电阻后，
电压增大，就可以驱动继电器工作了。
三、参考文献
1、继电器控制电路说明
（1）电器的工作原理和特性
继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
（2）电器主要产品技术参数
1）额定工作电压
是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。
根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。
2）直流电阻
是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。
3）吸合电流
是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。
在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。
而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。
4）释放电流
是指继电器产生释放动作的最大电流。
当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。
这时的电流远远小于吸合电流。
5）触点切换电压和电流
是指继电器允许加载的电压和电流。
它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。
四、附录
课题设计程序
#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
sbitser=P2^1;//LED显示595数据输入
sbitsrclk1=P2^2;//
sbitrclk1=P2^3;//
sbitin=P1^2;//
sbitout=P3^7;//
ucharcodeLED[]={0xc0,0x8c,0x86,0x89,0xc7,0xc86,0xc0,0xc6,0xc7,0xc0,0x92,0x86,0xff};//共阳极段码表说明
uintidataj,k,m,n=0;//说明整数变量
ucharidataaa,bb[]={7,1,3,5,0,9,1,3,},cc;//8个数码管显示的数数组
uinti,dd,s;
//--------------------------------------------------------------------
voiddelay（uinttime）
{
ucharjj,hh;
while（--time!
=0）
{
for（jj==0;jj<255;jj++）
{
for（hh==0;hh<255;hh++）;
}
}
}
//--------------------------------------------------------------------
voidtime0（）interrupt1using2
{
TF0=0;
TH0=（65536-50000）/256;
TL0=（65536-50000）%256;
if（in==0）
s++;
if（s!
=0）
{
bb[4]=12;
bb[5]=0;
bb[6]=1;
bb[7]=2;
bb[0]=3;
bb[1]=4;
bb[2]=5;
bb[3]=6;
out=1;
s++;
}
if（s==100）
s=0;
if（in==1&&s==0）
{bb[4]=12;
bb[5]=12;
bb[6]=12;
bb[7]=7;
bb[0]=8;
bb[1]=9;
bb[2]=10;
bb[3]=11;
out=0;
}
}
voidtime1（）interrupt3using2
{
cc=LED[bb[n]];//取段码
dd=aa;
TH1=（65536-1000）/256;
TL1=（65536-1000）%256;
for（j=0;j<8;j++）//位码移位串行输出
{if（dd&0x80）ser=1;elseser=0;
dd=dd<<1;
srclk1=0;
srclk1=1;
}
dd=cc;
for（j=0;j<8;j++）//段码移位串行输出
{if（dd&0x80）ser=1;elseser=0;
dd=dd<<1;
srclk1=0;
srclk1=1;
}
n++;//显示位计数
if（n>=8）//如果显示了8个位码初始
{
aa=0x7f;//位码初始值11111110其中0为显示1为不显示
n=0;//初始变量i
}
elseaa=（aa>>1）|0x80;//不是8位码左移一位
rclk1=0;//595锁存脉冲
rclk1=1;
}
main（）
{TMOD=0x11;
TH0=（65536-50000）/256;
TL0=（65536-50000）%256;
TH1=（65536-1000）/256;
TL1=（65536-1000）%256;
IE=0x8a;
TR0=1;
TR1=1;
while
（1）
{
}}
（四）声控开关设计
设计过程
一、方案设计
1.方案概述
方案说明：
此方案采用集成运放放点电路，555构成的单稳态触发器和多谐振荡器以及施密特触发器。
驻极体话筒接收到一定强度的声音信号后，声音信号转换为电压信号，幅度很小，经放大、整形后，触发单稳态延时电路，产生一个宽度可调的脉冲信号，驱动发光二极管显示。
图1声控开关原理框图
从以上方案中可知，方案设有信号发生电路，放大整形电路，单稳延时，实基电路，计数器以及译码显示。
各部分功能明确且之间的联系容易理解，所以采用这种方案。
2实验器材：
主要器件：
（1）、555定时器；
（2）、UA741集成放大块；
（3）、电源+6V、+5V直流电源；
（4）、电容皮法、纳法级别电容若干；
（5）、电阻及电阻器若干；
3电路设计：
1、放大整形电路
因为集成运放起着放大的作用，所以它的输出信号应为输入信号的101倍。
放大倍数计算：
Au=1+R2/R4=1+100k/1k=101。
电阻参数设计，由放大倍数可设R2为100k欧姆，R4为1k欧姆。
则其中电阻R1的计算公式为：
R1=R2//R4=R4*R2/（R2+R4）=100k*1k/（100k+1k）＝1k其中R1可以选择为1k，这样就可与反向端电阻起到平衡的作用。
用555定时器构成的施密特触发器起整形作用。
如图2电路所示。
辅助时钟信号100HZ，占空比50%
图2放大整形电路原理框图
2、整形电路
用555定时器组成施密特触发器
（1）当ui＝0时，由于比较器C1=1、C2=0，触发器置1，即Q＝1、，uo1＝uo＝1。
ui升高时，在未到达2VCC/3以前，uo1＝uo＝1的状态不会改变。
（1）当ui＝0时，由于比较器C1=1、C2=0，触发器置1，即Q＝1、，uo1＝uo＝1。
ui升高时，在未到达2VCC/3以前，uo1＝uo＝1的状态不会改变。
（2）ui升高到2VCC/3时，比较器C1输出为0、C2输出为1，触发器置0，即Q＝0、，uo1=uo=0。
此后，ui上升到VCC，然后再降低，但在未到达VCC/3以前，uo1＝uo＝0的状态不会改变。
（1）当ui＝0时，由于比较器C1=1、C2=0，触发器置1，即Q＝1、，uo1＝uo＝1。
ui升高时，在未到达2VCC/3以前，uo1＝uo＝1的状态不会改变。
（2）ui升高到2VCC/3时，比较器C1输出为0、C2输出为1，触发器置0，即Q＝0、，uo1=uo=0。
此后，ui上升到VCC，然后再降低，但在未到达VCC/3以前，uo1＝uo＝0的状态不会改变。
（3）ui下降到2VCC/3时，比较器C1输出为1、C2输出为0，触发器置1，即Q＝1、，uo1=uo=1。
此后，ui继续下降到0，但uo1＝uo＝1的状态不会改变。
3、单稳延时电路
用555定时器构成的单稳态触发器起单稳延时作用，高电平触发，其中tw=1.1RC。
时间是0—10s可调，C取100uF，可计算出R为0—900千欧的电位器。
如图3电路所示。
图3单稳延时电路原理框图
单稳态触发器的工作原理：
单稳态触发器的特点是电路有一个稳定状态和一个暂稳状态。
在触发信号作用下，电路将由稳态翻转到暂稳态，暂稳态是一个不能长久保持的状态，由于电路中RC延时环节的作用，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态，并在输出端获得一个脉冲宽度为tw的矩形波。
在单稳态触发器中，输出的脉冲宽度tw，就是暂稳态的维持时间，其长短取决于电路的参数值。
由555构成的单稳态触发器电路及工作波形如图1所示。
图中R，C为外接定时元件，输人的触发信号ui接在低电平触发端（2脚）。
稳态时，输出uo为低电平，即无触发器信号（ui为高电平）时，电路处于稳定状态——输出低电平。
在ui负脉冲作用下，低电平触发端得到低于（1/3）Vcc，触发信号，输出uo为高电平，放电管VT截止，电路进入暂稳态，定时开始。
在暂稳态期间，电源＋Vcc→R→C→地，对电容充电，充电时间常数T＝RC，uc按指数规律上升。
当电容两端电压uc上升到（2/3）Vcc后，6端为高电平，输出uo变为低电平，放电管VT导通，定时电容C充电结束，即暂稳态结束。
电路恢复到稳态uo为低电平的状态。
当第二个触发脉冲到来时，又重复上述过程。
工作波形图如图1（b）所示。
可见，输人一个负脉冲，就可以得到一个宽度一定的正脉冲输出，其脉冲宽度tw取决于电容器由0充电到（2/3）Vcc，所需要的时间。
可得
Tw=RCln[（Vcc-0）/（Vcc-2/3Vcc）]
Tw=1.1RC
这种电路产生的脉冲宽度莎w与定时元件R，C大小有关，通常R的取值为几百欧至几兆欧，电容取值为几百皮法到几百微法。
参数设计：
为了让时间Tw可以在几秒到几毫秒之间可以看清，则选择电容C=20皮法，电阻R=200k欧姆，此时Tw=20皮法*200K欧姆=0.4S
4性能的测试：
1.放大整形电路的性能测试。
放大倍数为101倍。
用信号发生器代替声音信号。
仿真电路如图4所示。
放大电路性能测试如图5所示。
整形电路性能测试如图6所示。
图4放大整形仿真电路
图5放大电路性能测试图
图6整形电路性能测试图
3.单稳延时电路性能测试。
输入信号为1000Hz，幅值为5V的信号源。
仿真电路如图9所示。
性能测试如图10所示。
图7单稳延时仿真电路
图8单稳延时电路性能测试通过以上性能测试，得表1
R
Tw
实测值
误差
10k
0.11s
0.10s
0.09
20k
0.22s
0.19s
0.14
50k
0.55s
0.57s
0.04
100k
1.1s
0.8s
0.27
150k
1.65s
1.45s
0.12
200k
2.2s
2.0s
0.09
300k
3.3s
3.1s
0.06
400k
4.4s
4.2s
0.05
500k
5.5s
5.7s
0.04
600k
6.6s
6.2s
0.06
5电路硬件：
1）.总电路图
2）.元器件清单如下表
名称
型号
数量
参数
集成块
UA741
1
集成块
NE555N
2
电阻
2
100k
电阻
4
1K
电容
2
10nf
电容
1
10uf
二极管
1N4007
1
三级管
2N2219
1
话筒
驻极体话筒
1
（四）基于单片机的智能电风扇控制系统
智能电风扇控制系统概述
传统电风扇是220V交流电供电，电机转速分为几个档位，通过人为调整电机转速达到改变风力大小的目的，亦即，每次风力改变，必然有人参与操作，这样势必带来诸多不便。
本设计中的智能电风扇控制系统，是指将电风扇的电机转速作为被控制量，由单片机分析采集到的数字声音信号，再通过可控硅对风扇电机进行调速。
从而达到无须人为控制便可自动调整风力大小的效果。
工作任务
本设计以MCS51单片机为核心，通过声音控制模块对环境声音进行数据采集，从而建立一个控制系统，使电风扇随声音的变化而自动变换档位。
速度控制技术
调节直流电机转速最方便有效的调速方法是对电枢（即转子线圈）电压U进行控制。
控制电压的方法有多种，广泛应用脉宽调制PWM技术来控制直流电机电枢的电压。
所谓PWM控制技术，就是利用半导体器件的导通与关断，把直流电压变成电压脉冲序列，通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压的目的。
直流电机智能控制组成
直流电机智能控制主要包括：
单片机、键盘输入模块、声音控制模块以及直流电机动控制模块等部分。
直流电机智能控制的结构框图如图所示。
键盘输入
单片机系统
直流电机
声音控制模块
对于单片机中央处理系统的方案设计，根据要求，我们可以选用具有4KB片内E2PROM的AT89C51单片机作为中央处理器。
作为整个控制系统的核心，AT89C51内部已包含了定时器、程序存储器、数据存储器等硬件，其硬件能符合整个控制系统的要求，不需要外接其他存储器芯片和定时器件，方便地构成一个最小系统。
整个系统结构紧凑，抗干扰能力强，性价比高。
是比较合适的方案。
直流电机控制系统电路设计
按照工作任务要求，直流电机控制系统电路是由单片机最小应用系统、298式驱动电路、独立键盘及直流电机构成。
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。
电机调速原理
可控硅的导通条件如下：
1）阳-阴极间加正向电压；
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