1、西北民族大学学士学位论文基于 AT89C51 单片机的声光控制开关的设计摘要在我们的生活中无时无刻在使用着灯，而在许多公共场所长明灯现象十分普遍，这造成了能源的极大浪费。因此要设计一种既节约又很方便实用的照明灯。本文阐述了简单的声光控制的照明灯的电路设计。通过 AT89C51 单片机结合 LED 显示技术、声音检测技术、光信号检测技术、延时技术、按键扫描等技术来实现对照明灯的控制。首先通过光敏电阻对光照强度进行检测，当白天光线强时，不管有多大的声音，照明灯都不会点亮。而在夜晚光线暗时，声音检测电路只要检测到有足够的声响时，就会自动点亮照明灯，过数十秒后又自动熄灭。这样就使人们的生活更加方便，同
2、时， 也达到了节电和节能的目的，延长了灯的使用寿命。关键词单片机，声控，光控，照明控制5ABSTRACTIn our lives, no at all times when in use with the light, and the eternal fire is very common in many public places, which resulted in tremendous waste of energy. So I want to design a practical lighting is saving and very convenient. This article
3、explains a simple sound and light control circuit design of lighting. By AT89C51 monolithic integration of LED display technology and sound detection technology, optical signal detection, delay, keypad scanning technology to control light control.First photosensitive resistor on measurement of light
4、 intensity, when the day when a strong light, no matter how much noise, lights are not lit. And when the night light, sound detection circuit for as long as enough when sound is detected, it will automatically point bright lights, automatically after few seconds off. This makes peoples lives more co
5、nvenient, meanwhile, reached a power-saving and energy-saving purposes, extend the life of the lamp.Key words：Single-chip Microcomputer，Acoustic control，Light-operated ，Lightingcontrol目录1. 绪论11.1 课题研究的背景和意义11.2 国内外概况12. 系统硬件设计22.1 单片机控制部分22.1.1 芯片 AT89C51 的介绍32.1.2 外形及引脚排列42.2 单片机最小系统52.2.1 时钟电路62.2
6、.2 复位电路62.3 光信号检测电路72.3.1 光敏电阻介绍72.3.2 光控部分原理82.4 声音信号检测电路92.4.1 驻极体话筒的介绍92.4.2 AD0832 的介绍92.4.3 声控部分原理102.5 延时时间显示电路112.5.1 数码管结构和分类112.5.2 数码管驱动方式122.5.3 定时/计数部分132.5.4 显示电路分析132.6 总原理图153. 系统软件设计153.1 延时程序163.2 按键扫描子程序173.3 LED 显示程序183.4 AD 转换程序193.5 总程序224. 调试与仿真314.1 光信号检测324.2 声音信号检测334.3 硬件仿真
7、图345. 设计总结35致谢36参考文献371. 绪论1.1 课题研究的背景和意义【10】现如今电子技术迅速发展，各先进国家无不将它放在优先发展的地位。在我们的生活中许多公共场所的白炽灯，在夜间不论使用与否都会点亮，这就造成了资源的严 重浪费，同时又容易造成事故隐患。因此用数字电路技术实现灯的自动发亮、节能节 电、延长灯的寿命变得越来越重要。本文研究的声光控电路具有接线简单、安装方便、使用寿命长、体积小等优点。系统在光线不足并有一定的声响时，照明灯就会自动点 亮，经过一段延时后会自动熄灭。将其广泛应用于走廊、楼道招待所等公共场所，会 使人们的生活更加方便安全。随着现代科学技术的迅速发展，各种采
8、用传感器的电子电路控制的新型灯具也不断推出。声光控开关能较好的减缓世界能源危机到来的步伐。有利于我国实现可持续发展，构建节约社会型。1.2 国内外概况【11】由于近年来我国的照明器材行业的迅速崛起，中国已经成为电光源产品的主要输出国之一。在地球资源日渐衰竭的今日，环保、节能是当今各产业发展的重心，尤其是需要消耗大量电力的照明产业，努力增加节能光源和不同花样、用途的照明器具的开发，加快绿色、节能光源产品的开发推广。根据国内外市场需求预测，随着人们生活水平的不断提高，对照明电器产品也提出了更高的要求。进一步提高照明产品的质量和档次进一步提高照明产品的质量和档1西北民族大学学士学位论文次，这既是当前
9、摆在我们面前的课题，同时也是全行业共同努力的长期目标。从国际市场分析，针对现在的情况我们与发达国家在照明电器产品的质量、生产工艺、设备、材料以及新产品开发能力等方面均存在着一定的差距。我国目前已成为世界照明电器产品生产的大国，未来的目标是要成为生产强国。2. 系统硬件设计2.1 单片机控制部分本设计通过 AT89C51 单片机结合 LED 显示技术、声音传感技术、光感技术、延时技术等来实现对照明设备的声光控制。当光线较亮时，采用光敏电阻把外界光亮程度转换成相应的电压值，然后通过电压比较后给单片机输入数字信号。在光线较暗时，负载电路进行声音检测。用声音传感器将声音信号转换成电信号，从而推动触发工
10、作。当声强达到一定程度时使得灯泡自动点亮，经过内部设定的时间后，灯泡自动熄灭。在延时部分采用单片机内部定时器从而实现不同时间的定时，并根据场所及使用人群的不同通过设置单片机引脚的状态来设置不同的延时时间值，并用 LED 动态显示方式显示倒计时等数据。单片机通过继电器控制照明设备的打开或者关闭。其原理框如图 1 所示：37图 1、原理框图2.1.1 芯片 AT89C51 的介绍AT89C51【6】是一种带4K 字节闪存可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器。AT89C51单片机的可靠性高，体积小，功耗低，便于扩展，价格便宜，易于产品化。 该单片机中有一个8位的微处理器，包括
11、了运算器和控制器两大部分，还增加了面向控制的处理功能。 具有5个中断源、2级中断优先权。 两个16位的定时器/计数器。128字节数据存储器 RAM/SFR，用以存放可以读/写的数据。4个8位并行 I/O 端口 P0P3。 片内振荡器和时钟产生电路。 一个全双工的串行口，具有四种工作方式。 有21个特殊功能寄存器。2.1.2 外形及引脚排列如图 2 所示 ，其引脚说明如下：图 2AT89C51 的引脚排列1. VCC：运行和程序校验时接电源正端。2. GND：接地。3. XTAL1：输入到单片微机内部振荡器的反相放大器。4. XTAL2：反相放大器的输出，输入到内部时钟发生器。5. P0 口：P
12、0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，（作为总线时）能驱动 8 个 LSTTL 负载。6. P1 口：P1 口是一个 8 位准双向 I/O 口，P1 口能驱动 4 个 LSTTL 负载。7. P2 口：P2 口为一个 8 位准双向 I/O 口，P2 口可以驱动 4 个 LSTTL 负载。8. P3 口：P3 口管脚是 8 位准双向 I/O 口，具有内部上拉电路。可以驱动 8 个 LSTTL负载。P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示：P3.0 RXD（ 串 行 输 入 口 ） P3.1 TXD（ 串 行 输 出 口 ） P3.2 /INT0（ 外 部 中 断 0
13、） P3.3 /INT1（ 外 部 中 断 1） P3.4 T0（记时器 0 外部输入） P3.5 T1（记时器 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）9. RST：复位输入信号，高电平有效。在振荡器工作时，在 RST 上作用两个机器周期以上的高电平，将单片微机复位。10. ALE/PROG：在访问外部存储器或 I/O 时，用于锁存低 8 位地址，以实现低 8 位地址 与 数 据 的 隔 离 。 11./PSEN：片外程序存储器的读选通信号。在由外部程序存储器取指期间，在每个机器周期中，当 PSEN 低电平有效时，程序存储器的内容被送上
14、 P0 口。12./EA/VPP：片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。2.2 单片机最小系统单片机最小应用系统【6】，是指用最少的原件组成的单片机可以工作的系统。对于51 系列单片机来说，最小系统应包括单片机、复位电路、晶振电路。最小系统电路图如 3 所示：图 3、单片机最小系统2.2.1 时钟电路AT89C51 单片机的时钟产生方法有两种。内部时钟方式和外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在 XTAL1、XTAL2 引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频。系统对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振
15、荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此本系统的晶体振荡器的值为 12MHZ，电容取 30pF。2.2.2 复位电路当操作或程序运行出错使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境可以通过复位键重新启动。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果 RST 引脚上有一个高电平并维持 2 个机器周期(24 个振荡周期)以上，则 CPU 就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位。本设计使用的是按键手动复位。手动按钮复位需要人为在复位输入端 RST 上加入高电平。一般采用的办法是在 RST 端和正电源 Vcc 之间接一个按钮。在按键复位的使用过程中，按键
16、抖动现象是不容忽视的，所以为了确保按键的一次闭合单片机只处理一次，就必须在设计时考虑到抖动的消除。2.3 光信号检测电路2.3.1 光敏电阻介绍光敏电阻是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。本实验选用 MG45 型光敏电阻。在黑暗条件下，光敏电阻的可达 110M 欧,在强光条件（100LX）下，阻值仅有几百至数千欧姆。参数表 1 如下所示：2.3.2 光控部分原理声光控制电路在光照强时电路不工作，所以单片机首先对关照进行检测，此处使用到光敏电阻、电压比较器、反相器等元件进行检测。设计图如图 4 所示：图 4、光信号检测电路在
17、图 2-3 中 LDR1 为光敏电阻，光敏电阻器实现的功能是：当有光照时，光敏电阻的阻值下降，这时的阻值仅有几百至数千欧姆，所以 LM393 反相输入端为高电平。当光线不足或没有光线时，其阻值可以达到兆欧级以上，此时相当于电路处于断路状态，所以 LM393 反相输入端为低电平。其中 LM393 为电压比较器【1】，当反相输入端的电位高于同相输入端时，LM393 则输出一低电平。而当同相输入端的电位高于反相输入端的电位时，LM393 将会输出一高电平。此时信号会经过具有施密特功能的 74LS14 反向器，变为低电平后送到单片机中，经过单片机检测是否有足够的光照，当光照不足时则进行声音检测。在此电
18、路中可以通过改变滑动变阻器的阻值来改变同相输入端的电压，从而改变对光照强度检测的灵敏度，以满足不同场所或人群的需要。2.4 声音信号检测电路2.4.1 驻极体话筒的介绍驻极体话筒【11】具有体积小，电声性能好，结构简单，价格低廉等特点，在生活中应用非常广泛。驻极体结构有振膜、背极、空隙三部分，这样在振膜与背极间形成一个具有定量电荷的电容结构。驻极体是由进行特殊处理的高分子材料组成，这些高分子材料表面具有永久电荷(Q)，总的电荷量是不变，当极板在声波压力下后退时，电容量减小，电容两极间的电压就会成反比的升高，反之电压就会成反比的降低。最后再通过阻抗非常高的场效应将电容两端的电压取出来，同时进行放
19、大，便可以得到和声音对应的电压了。2.4.2 AD0832 的介绍由于单片机无法对模拟信号进行识别，因此在对声音信号进行检测时首先要将声音信号对应的电压值转变成数字信号，所以此系统需要使用到 A/D 转换器。本系统中使用到的是 AD0832【2】，该芯片能将 05V 的模拟电压量转换为 0255 级的数字量。它具有易于和微处理器接口或独立使用的特点，其转换速度较高，250KHz 时转换时间为 32s。可以显示 0.00 5.0V 的电压范围。ADC0832 的引脚介绍如下: CS_ 片选使能，低电平芯片使能。 CH0 模拟输入通道 0，或作为 IN+/-使用。 CH1 模拟输入通道 1，或作为
20、 IN+/-使用。 CLK 芯片时钟输入。 DI 数据信号输入，选择通道控制。 DO 数据信号输出，转换数据输出。 GND 芯片参考 0 电位（地）。 Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）。2.4.3 声控部分原理当单片机检测到光线不足时，便启动声音信号采集电路如图 5 所示：图 5 声音信号采集电路用驻极体话筒将得到与声音信号对应的电压值。若有声音时则会输出一电压值，由于传声器转换的电压值非常小，所以必须将该电压经过 LM324 运算放大器进行放大， 放大倍数为 RV1/R9，RV1 为可变电阻，通过调节其阻值使其放大倍数产生变化，起到了调节声音灵敏度的作用。放大后的电压必须经过
21、ADC0832 进行模数转换，由单片机内部程序对转换值进行对比。当值高于预设值时单片机启动 T0 计时中断和照明灯控制电路，使照明灯点亮， 并通过数码管显示倒计时时间。当没有声音或声音微弱时，系统不进行下一步的工作。2.5 延时时间显示电路2.5.1 数码管结构和分类数码管【5】是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。按发光二极管单元连接方式分为共阴极数码管和共阳极数码管。共阴极数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极。如图 6（c） 所示，共阴数码管在应用时应将公共极接到地线 GND 上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。共阳极数码管是指将所有发光二极管
22、的阳极接到一起形成公共阳极。如图 6（b） 所示，在使用时应将公共阳极接+5V 电压，当某一字段发光二极管的阴极端输入低电平时，相应字段就点亮。（a）数码管引脚图 （b）共阳极内部结构图 （c）共阴极内部结构图图 2-52.5.2 数码管驱动方式数码管要正常显示【5】，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 静态显示驱动：静态显示的特点是每个数码管的段选必须接一个 8 位数据线来保持显示的字形码。当送入一次字形码后，显示字形可一直保持，直到送入新字形码为止。这种方法的优点是占用 CPU 时间少，LED 的亮度高
23、，容易控制。缺点是硬件电路比较复杂，功耗大，所需口线多，成本较高。若显示位数增多，则静态显示方式很难适应。 动态显示驱动：数码管动态显示一般是将所有位的段选线的同名端联在一起， 由一个 8 位 I/O 口控制，形成段选线的多路复用。当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码这就是动态驱动。点亮时间为 12ms，由于人眼有视觉暂留现象，就造成了多位同时点亮的假象。2.5.3 定时/计数部分AT89C51 芯片内有两个 16 位的定时/计数器，都可以由软件来设定。在此设计中用到的是 T0 作为定时器。由于在系统中需要设置延时时间电路，目的是在照明灯点亮后经过一定延时能自动熄灭。电路中采用
24、了单片机内部定时器。2.5.4 显示电路分析系统功能中有一点是可以根据场所及使用人群的不同设置不同的延时时间值。虽然动态显示的效果和静态显示是一样的，但动态显示能够节省大量的 I/O 端口，而且功耗更低。所以设计中采用 LED 动态显示方式显示倒计时数据。电路如图 7 所示：图 7、延时时间显示电路由图可知采用了共阴极的 2 位数码显示管做显示电路，所以只要数码管的a、b、c、d、e、f、g、h 引脚为高电平，那么其对应的二极管就会发光，使数码显示管显示 09 的编码见表 2。表 2 共阴极数码显示管字型代码字型共阴极代码字型共阴极代码03FH56DH106H67DH25BH707H34FH8
25、7FH466H96FH为了实现不同场所及使用人群的不同而灯亮的时间不一，在单片机的 P1 口接入了三个按键。电路如图 7 所示。当单片机进行按键扫描时，如果 P1.0 口按下则灯亮时间为 10s，并且显示器进行 10s 倒计时；如果 P1.1 口按下则为 20s 倒计时；如果 P1.2 口按下则为 30s。数码显示管的八位段选端接入单片机的 P0 口，而位选端由 P2 口控制，分别为P2.0 口为十位，P2.1 口为个位。设计中采用了目前最常用的软件消抖的方法，选择 5ms 的延时来消除抖动，延时后在进行一次按键是否闭合。图 8、按键接口电路图 8 中的按键部分可以进行扩展，如果接入一个键盘则
26、可以对延时时间自行进行设置。由于本设计中按键功能已经可以满足需要，所以没有进行扩展。2.6 总原理图3. 系统软件设计本系统的软件设计是通过 C 语言进行编程，主要有主程序、键盘扫描程序、初始化程序、A/D 转换程序、延时程序等部分组成。主程序流程图如图 9 所示：图 9、系统流程图3.1 延时程序在整个编写程序中要用到许多的延时，所以程序中包含一个大约为 1ms 的延时子程序，方便在程序中的调用，程序代码如下：/延时子程序； void delay(uint z)uint x,y; for(x=z;x0;x-)for(y=125;y0;y-);3.2 按键扫描子程序由于在 P1 口接入了三个按
27、键，通过按键扫描来确定定时的时间长度，所以先写入一个按键扫描子程序，可在主程序中直接调用。程序代码如下：/键盘扫描函数 ; void keyscan()if(key1=0)delay(5);/消抖；if(key1=0)/按下 key1 灯亮时间为 10s；temp=10;/10s 延时；if(key2=0)delay(5);/消抖；if(key2=0)/按下 key2 灯亮时间为 20s；temp=20;if(key3=0)delay(5);/消抖；if(key3=0)/按下 key3 灯亮时间为 30s；temp=30;3.3 LED 显示程序系统中通过数码管对不同延时时间进行显示，以便直观
28、的看出系统可以自行选择灯亮的时间长度。/显示数码管内容；void display(uchar shi,uchar ge)P2=0xfe;P0=tableshi; delay(1); P2=0xfd; P0=tablege; delay(1); P2=0xfc;3.4 AD 转换程序uchar adc0832(unsigned char ch) /AD 转换，返回结果;uchar i=0; uchar j;uint dat1=0; uchar dat2=0; if(ch=0)ch=2; if(ch=1)ch=3; adDI=1;_nop_();_nop_();adCS=0;/拉低 CS 端;_n
29、op_();_nop_();adCLK=1;/拉高 CLK 端;_nop_();_nop_();adCLK=0;/拉低 CLK 端,形成下降沿 1 ;_nop_();_nop_();adCLK=1;/拉高 CLK 端; adDI=ch&0x1;_nop_();_nop_();adCLK=0;/拉低 CLK 端,形成下降沿 2 ;_nop_();_nop_();adCLK=1;/拉高 CLK 端; adDI=(ch1)&0x1;_nop_();_nop_();adCLK=0;/拉低 CLK 端,形成下降沿 3 ; adDI=1;/控制命令结束 ;_nop_();_nop_();dat1=0; for(i=0;i8;i+)dat1|=adDO;/收数据; adCLK=1;_nop_();_nop_();adCLK=0;/形成一次时钟脉冲 ;_nop_();_nop_(); dat1=1;if(i=7)dat1|=adDO;for(i=0;i8;i+)j=0;j=j|adDO;/收数据; adCLK=1;
