基于51單片機(jī)的路燈光聲控器設(shè)計

1、基于51單片機(jī)的路燈光/聲控器設(shè)計摘要：隨著自動化水平的不斷提高，用戶對家用電器的自動化要求也越來越高。因此，對路燈的自動控制也很有必要。路燈的光控與聲控是路燈自動控制的主要方式，這種控制的主要功能是根據(jù)光照強(qiáng)度和聲音的大小來共同控制路燈的亮和滅。例如，在白天光照強(qiáng)度大的時候，路燈就沒有必要再亮，而在晚上時，我沒通常需要燈是亮著的；同時，考慮到整個晚上路燈都在亮的狀態(tài)勢必會浪費(fèi)更多的電，而且也會大大地減少路燈的壽命，所以此時就要加上聲控部分了，當(dāng)人們需要路燈亮的時候只需要發(fā)出點(diǎn)聲音，路燈就會自動亮起來，過一定的時間就會自動滅了。這樣既滿足用戶需求又節(jié)省電源。關(guān)鍵詞：光控電路 聲控電路 光敏電阻

2、 駐極體話筒 過程控制目 錄一、課程設(shè)計的思路和設(shè)計說明41、題目要求4 2、設(shè)計思路及說明 42、 設(shè)計方案的比較和論證4 1、軟件設(shè)計方法 5 2、硬件設(shè)計方法 5三、基于單片機(jī)的路燈光/聲控器設(shè)計的具體方法和過程8 1、電源電路設(shè)計8 2、串口通信的實(shí)現(xiàn)83、光控模塊設(shè)計94、聲控模塊設(shè)計105、聲控電路設(shè)計116、 時鐘模塊設(shè)計117、 系統(tǒng)程序編寫118、51單片機(jī)系統(tǒng)及功能實(shí)現(xiàn)12四、設(shè)計過程中遇到的問題及解決方法12五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論12 1、光控模塊結(jié)果分析12 2、聲控電路結(jié)果分析13六、元件清單14七、參考文獻(xiàn)15附頁16基于51單片機(jī)的光/聲路燈控制器的設(shè)計1、 課程設(shè)計

3、的思路和設(shè)計說明1、 題目要求： 題目名稱：基于單片機(jī)的路燈光/聲控器設(shè)計 題目要求：(1)具有與PC串口通信的功能； (2)具有數(shù)碼光顯示或者LED指示燈顯示狀態(tài)； (3)繪制原理圖，PCB；(4)完成單片機(jī)的所有代碼編寫； (5)設(shè)計PC機(jī)簡易顯示界面。2、設(shè)計思路及說明隨著自動化水平的不斷提高，用戶對家用電器的自動化要求也越來越高。路燈的自動控制也很有必要。路燈光控與聲控是路燈自動控制的主要方式，這種控制的主要功能是根據(jù)光照強(qiáng)度和聲音的大小來共同控制路燈的亮和滅。例如，在白天光照強(qiáng)度大的時候，路燈就沒有必要再亮，而在晚上時，我沒通常需要燈是亮著的；同時，考慮到整個晚上路燈都在亮的狀態(tài)勢必

4、會浪費(fèi)更多的電，而且也會大大地減少路燈的壽命，所以此時就要加上聲控部分了，當(dāng)人們需要路燈亮的時候只需要發(fā)出點(diǎn)聲音，路燈就會自動亮起來，過一定的時間就會自動滅了。這樣既滿足用戶需求又節(jié)省電源。其大體原理介紹如下：使用駐極體話筒和光敏電阻分別來檢測聲音信號和光信號，將接受的信號經(jīng)過放的處理之后再與給定的電源大小進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個數(shù)字信號，再將這個數(shù)字信號發(fā)送的51單片機(jī)，經(jīng)過判斷是否是高或低電平來決定的亮與不亮，燈的亮與不亮用LED來顯示。感應(yīng)部分分為兩個模塊，也就是兩種方式提供脈沖信號，一個是光控系統(tǒng)，另外是聲控系統(tǒng)，這兩個功能通過單片機(jī)控制，使其達(dá)到如下功能：在有光照強(qiáng)度強(qiáng)時，聲控不起起作用，

5、光控功能處于關(guān)閉狀態(tài)；在黑暗狀態(tài)時，兩中控制方式同時起作用，此時光控模塊提供脈沖使電燈處于點(diǎn)亮狀態(tài)，然后通過單片機(jī)設(shè)定定時器，在沒有聲音信號到來之前，設(shè)置燈滅，當(dāng)有聲音信號到來時打開路燈，設(shè)置一定時間后關(guān)閉路燈。接下來的一段黑暗狀態(tài)就是只有聲控模塊提供即時脈沖，期間也有定時器控制電燈點(diǎn)亮狀態(tài)。二、設(shè)計過程中方案的比較，論證 本次課程設(shè)計共有兩種設(shè)計方案，即軟件設(shè)計和硬件設(shè)計。綜合兩種設(shè)計方法，軟件設(shè)計為硬件電路的搭建提供了理論依據(jù)，硬件設(shè)計更好的證明了軟件仿真的正確性和可行性。具體說明如下：1、軟件設(shè)計方法（1）、設(shè)計電路原理圖 根據(jù)整個系統(tǒng)的要求以及要實(shí)現(xiàn)的功能，選擇合適的電器元件，在Pro

6、teus軟件繪制出路燈控制系統(tǒng)的原理圖。整個控制系統(tǒng)的原理圖如下： 圖（1）（2）、按照已經(jīng)設(shè)計好的電路原理圖對整個系統(tǒng)進(jìn)行編程 編程時使用的是Kiel軟件。具體程序見附頁。 （3）、程序調(diào)試在Kiel中編好程序后，用Proteus調(diào)用寫好的程序。調(diào)用后運(yùn)行Proteus，若果所得結(jié)果就是預(yù)先設(shè)定的，則仿真基本上可以算完成了。若果和設(shè)定的結(jié)果不相一致，則說明程序還有問題，這時返回到步驟，繼續(xù)看程序有沒有出問題，修改結(jié)束后在進(jìn)行步驟的操作，直到結(jié)果正確。2、硬件設(shè)計方法 （1）、根據(jù)系統(tǒng)原理在Protel 99 SE繪制電路原理圖。圖中主要包括：電源模塊、復(fù)位模塊、時鐘模塊、串口通信模塊、光控模

7、塊以及51單片機(jī)系統(tǒng)等。與軟件的設(shè)計方法相同，其原理圖入下： 圖（2）電路原理圖 （2）、將rotel 99 SE的電路原理圖生成PCB板。在繪制完電路原理圖之后，檢測是否正確，在進(jìn)行電器規(guī)則檢測，然后生成相應(yīng)的網(wǎng)路報表。最后把原理圖生成PCB。生成后，對其進(jìn)行手動或自動布線。其PCB圖如下： 圖（3）PCB圖（3） 、制作PCB板?？梢詫⒁呀?jīng)做好的PCB板圖發(fā)給制板商叫他們生產(chǎn)。也可以自己買相應(yīng)的比較簡單的設(shè)備自己做。（4） 、焊接與測試設(shè)計過程第一個階段要求完成板卡的焊接，主要過程如下: 、練習(xí)使用烙鐵、鑷子、鉗子等工具。在焊接正式電路板之前，先熟練焊接過程，練習(xí)使用烙鐵，配合鑷子，焊錫焊

8、接電阻、電容等一些常用的元器件。 、焊接電源模塊器件。首先，使用萬用表測試電路板正電源與GND之間是否有短路現(xiàn)象，如發(fā)現(xiàn)光板上有短路現(xiàn)象，及時向指導(dǎo)老師報告，更換電路板:然后，認(rèn)清電源模塊器件的類型(電阻、電容、芯片)、放置方向(電解電容的正負(fù)極方向、芯片的管腳方向)、擺放位置(見電路原理圖和元件放置圖);再對電路板電源模塊器件進(jìn)行焊接;最后，使用萬用表測試電路板上的電源模塊在焊接過程中是否出現(xiàn)短路和斷路(虛焊)情況，焊接成功為輸出電壓正常，電路板電源指示燈亮。 、焊接主芯片模塊。主芯片模塊是凌陽單片機(jī)CPU工作模塊，包括晶振電路、復(fù)位電路、下載電路、鎖相環(huán)電路。注意主芯片的芯片座管腳方向和下

9、載電路中的'74LS244芯片DIP插座的缺口方向。 、焊接IO口模塊和指示燈模塊。IO口模塊為輸出設(shè)備，焊接器件主要是電阻和各種接插件，注意電阻大小和接插件方向:指示燈模塊是LED燈，LED燈有正負(fù)極，焊接前用萬用表量出LED燈的正負(fù)極（LED正接萬用表時，發(fā)出微弱光芒），然后參照電路原理圖和制板圖，焊接LED。 、焊接串口模塊。串口模塊是用串口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信，焊接DB9串口座，貼片電解電容和串口MAX232芯片，先熟悉電解電容的正負(fù)極標(biāo)志，查看電路圖上的電容的正負(fù)極位置，焊接完成后，先檢查電容的正負(fù)極是否與電路圖保持一致，在確認(rèn)正確無誤的情況下進(jìn)行上電測試。、焊接電機(jī)檢測信號和控

10、制信號模塊。電機(jī)檢測信號和控制信號模塊主要焊接DIP芯片座和輸入輸出信號接插件，焊接時注意DIP芯片座缺口方向和接插件方向，焊接完成后對74LS245測試，檢測芯片的輸入輸出電壓和芯片電壓是否正確（5）板卡初始化和程序編寫電路板卡初始化主要包括測試板卡的下載電路、IO口電路和串口電路，實(shí)現(xiàn)電路板可以進(jìn)行程序下載，LED指示燈動態(tài)閃爍，IO口輸出莫頻率的方波信號，上下位機(jī)進(jìn)行串口通信。程序主要包括LED閃爍程序，IO方波程序和串口通信程序。（6）擴(kuò)展功能實(shí)現(xiàn) 擴(kuò)展功能實(shí)現(xiàn)包括: 、電路板IO口能輸入模擬信號，并對模擬信號進(jìn)行采集。 、擴(kuò)展通信協(xié)議，如制定用于其他系統(tǒng)的協(xié)議設(shè)定，如光照強(qiáng)度檢測、聲

11、音信號檢測等。 、對路燈進(jìn)行控制，能根據(jù)單片機(jī)發(fā)出的信號對路燈進(jìn)行控制。3、 基于單片機(jī)的路燈光/聲控器設(shè)計的具體方法和過程 1、電源電路的模塊設(shè)計 電源模塊主要是為整個系統(tǒng)提供可靠、穩(wěn)定的電源。主要實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）、（2）、電路保護(hù)：包括短路保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、其它保護(hù) 。（3）、電壓變換：這里主要是將強(qiáng)電變成弱電。（4）、穩(wěn)壓：將交流電別換成直流弱電，始終保持輸出電壓一定。其原理圖如下： 圖（4）電源電路2、串口通信的實(shí)現(xiàn)串口通信原理 串口通訊對單片機(jī)而言意義重大，不但可以實(shí)現(xiàn)將單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)端，而且也能實(shí)現(xiàn)計算機(jī)對單片機(jī)的控制。由于其所需電纜線少，接線簡單，

12、所以在較遠(yuǎn)距離傳輸中，得到了廣泛的運(yùn)用。 圖（5） 串口通信電路3、 光控模塊設(shè)計 如下圖所示，圖中主要有j4插件是從外界接入光敏電阻，LM393是一個比較器，它的主要工作原理是：將正輸入和負(fù)輸入的電壓進(jìn)行比較，當(dāng)正輸入電壓大于負(fù)輸入電壓時，則輸出高電平，反之則輸出低電平?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)可變電阻VR1VR2的阻止來改變正負(fù)輸入的電壓值來調(diào)節(jié)比較器的靈敏度。 圖（6）光控電路圖4、 聲控模塊的設(shè)計 聲控照明電路的主要原理是利用了聲學(xué)和電子學(xué)的原理即用聲音傳感器將聲音信號轉(zhuǎn)換成電信號從而推動觸發(fā)器觸發(fā)使電路導(dǎo)通工作。作為一個智能化聲控照明電路應(yīng)具有以下功能：能在聲音的控制下實(shí)現(xiàn)電路的導(dǎo)通與截止。聲音

13、的發(fā)出應(yīng)是多方面的如腳步聲，物體打擊聲等。響應(yīng)時間應(yīng)越短越好。為此在選擇電路元器件時應(yīng)選擇靈敏度較高的聲音傳感器組成聲控照明電路控制電路的前端，同時我們還要為該傳感器設(shè)置傳感條件如聲音響度必須在20DB以上才能響應(yīng)等。 圖（7）聲控電路圖 5、 復(fù)位模塊的設(shè)計 復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后撤銷復(fù)位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復(fù)位信號，以防電源開關(guān)或電源插頭分-合過程中引起的抖動而影響復(fù)位。下圖所示的RC復(fù)位電路可以實(shí)現(xiàn)上述基本功能。 圖（8）復(fù)位電路6、 時鐘模塊的設(shè)計 51單片機(jī)內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反相

14、放大器的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2.這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器（簡稱晶振）和微調(diào)電容，就構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。如下電路中的電容C14和C15典型值通常選擇為20Pf左右。晶振的震蕩頻率的范圍一般是在1.2MHz到12MHz之間。晶振的頻率越高，則系統(tǒng)的時鐘頻率也越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。 圖（9）時鐘電路7、 系統(tǒng)程序設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)的原理圖設(shè)計程序，實(shí)現(xiàn)以下功能：在有光照強(qiáng)度強(qiáng)時，聲控不起起作用，光控功能處于關(guān)閉狀態(tài)；在黑暗狀態(tài)時，兩中控制方式同時起作用，此時光控模塊提供脈沖使電燈處于點(diǎn)亮狀態(tài)，然后通過單片機(jī)設(shè)定定時器，在沒有聲音信號到來之前，設(shè)置燈滅，當(dāng)有聲

15、音信號到來時打開路燈，設(shè)置一定時間后關(guān)閉路燈。接下來的一段黑暗狀態(tài)就是只有聲控模塊提供即時脈沖，期間也有定時器控制電燈點(diǎn)亮狀態(tài)。系統(tǒng)采用C語言編程，利用Kielc51軟件進(jìn)行程序的編寫。8、51單片機(jī)系統(tǒng)及功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主要由電源電路模塊、復(fù)位電路模塊、時鐘電路模塊、串口通信模塊、光控電路模塊、聲控電路模塊以及51單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。它們各自實(shí)現(xiàn)的功能前面已有介紹，此處不作贅述。先將整個系統(tǒng)總的實(shí)現(xiàn)原理做一簡單的介紹。（1） 打開電源，給系統(tǒng)提供電源，此時指示燈亮。（2） 加載程序，將已寫好的程序（仿真正確的程序）下載到單片機(jī)里，具體方法是：首先將系統(tǒng)的串口與pc機(jī)的串口相接，找到已經(jīng)寫好的程序點(diǎn)擊

16、下載。其次，按系統(tǒng)復(fù)位電路，給系統(tǒng)上電，此時，程序就會自動的下載到單片機(jī)中去。（3） 光控功能的調(diào)試，給系統(tǒng)不同的光照強(qiáng)度，此時可以看到路燈會隨著外界光照強(qiáng)度的不同而時亮是滅。這就是光控的實(shí)現(xiàn)。（4） 聲控功能的調(diào)試，駐極體話筒會感應(yīng)的外界的聲音大小而產(chǎn)生不同的電流強(qiáng)度，當(dāng)聲音達(dá)到一定的程度是，路燈就會放光。之后一直處于明亮狀態(tài)，過了設(shè)定的時間后自動關(guān)閉。4、 設(shè)計過程中遇到的問題及解決方法 1、第一次調(diào)試光控路燈時程序無法下載，經(jīng)過對整個電路的仔細(xì)檢查，最后終于發(fā)現(xiàn)是因?yàn)橥ㄐ艆f(xié)議模塊的芯片MAX232插反了。改正過來之后系統(tǒng)運(yùn)行處于正常狀態(tài)。 2、在設(shè)計聲控路燈時，由于駐極體話筒的靈敏度不高

17、，將聲音信號轉(zhuǎn)換成的電流過小，很難被單片機(jī)所識別，導(dǎo)致單片機(jī)始終接受到的是低電平，使得系統(tǒng)無法正常的工作。通過在電路中增加放大器使得問題得以解決。 3、最初設(shè)計程序時將光控部分提供脈沖信息設(shè)置反了，以至于電燈沒有出現(xiàn)應(yīng)有的現(xiàn)象，有光的時候處于點(diǎn)亮狀態(tài)，黑暗狀態(tài)的時候是出于熄滅狀態(tài)。最后把程序的光控部分改過來就可以實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)功能了。5、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析1、光控模塊結(jié)果分析通過對光敏電阻光照強(qiáng)度的控制來調(diào)節(jié)路燈的亮與不亮。，當(dāng)外界光線較強(qiáng)時，系統(tǒng)控制路燈關(guān)滅，當(dāng)外界光線較弱時路燈自動打開。如圖（5）所示，電路中主要有J4插件，是從外界接入光敏電阻，光敏電阻在光照強(qiáng)度不同時輸出不同的電阻值，而且反應(yīng)十

18、分靈敏。LM393是一個電壓比較器，它的主要工作原理是：將正輸入和負(fù)輸入的電壓進(jìn)行比較，當(dāng)正輸入電壓大于負(fù)輸入電壓時，則輸出高電平，反之則輸出低電平。隨著外界光照強(qiáng)度的變化，輸入比較器的正反電壓也在變化，當(dāng)正電壓較大時（也就是外界光照強(qiáng)度強(qiáng)的時候）比較器會給單片機(jī)輸入高電平，在通過單片機(jī)程序控制路燈的明亮與關(guān)斷。因此這個結(jié)果是可以也是比較容易實(shí)現(xiàn)的。硬件設(shè)備的成功控制也恰恰說明了這一點(diǎn)。 2、聲控電路結(jié)果分析 （1）駐極體話筒的原理： 駐極體話筒聲電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件是駐極體振動膜。它是一片極薄的塑料膜片，在其中一面蒸發(fā)上一層純金薄膜。然后再經(jīng)過高壓電場駐極后，兩面分別駐有異性電荷。膜片的蒸金面向

19、外，與金屬外殼相連通。膜片的另一面與金屬極板之間用薄的絕緣襯圈隔離開。這樣，蒸金膜與金屬極板之間就形成一個電容。當(dāng)駐極體膜片遇到聲波振動時，引起電容兩端的電場發(fā)生變化，從而產(chǎn)生了隨聲波變化而變化的交變電壓。駐極體膜片與金屬極板之間的電容量比較小，一般為幾十pF。因而它的輸出阻抗值很高(Xc12tfc)，約幾十兆歐以上。這樣高的阻抗是不能直接與音頻放大器相匹配的。所以在話筒內(nèi)接入一只結(jié)型場效應(yīng)晶體三極管來進(jìn)行阻抗變換。場效應(yīng)管的特點(diǎn)是輸入阻抗極高、噪聲系數(shù)低。普通場效應(yīng)管有源極(S)、柵極(G)和漏極(D)三個極。這里使用的是在內(nèi)部源極和柵極間再復(fù)合一只二極管的專用場效應(yīng)管。接二極管的目的是在場

20、效應(yīng)管受強(qiáng)信號沖擊時起保護(hù)作用。場效應(yīng)管的柵極接金屬極板。這樣，駐極體話筒的輸出線便有三根。即源極S，一般用藍(lán)色塑線，漏極D，一般用紅色塑料線和連接金屬外殼的編織屏蔽線。其原理圖如下：圖（10）駐極體話筒原理圖（2）聲控電路原理 聲控電路主要是通過控制聲音的強(qiáng)度對駐極體話筒的作用來控制路燈的亮與滅，當(dāng)聲音強(qiáng)度超過一定程度后，駐極體話筒產(chǎn)生會電信號，然后經(jīng)過一系列放大、整流，最后經(jīng)過數(shù)字不叫器將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，比較器轉(zhuǎn)化原理與光控電路中的相同。然后將得到的數(shù)字信號發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)接受后用來控制路燈的開和關(guān)。 六、元件清單 Category,Reference,ValueResistors,

21、"R1",3kResistors,"R2",3kResistors,"R3",2kResistors,"R4",10KResistors,"R5",10kResistors,"R11",10kResistors,"R6",75kResistors,"R7",200Resistors,"R9",510kResistors,"R12",510kResistors,"R10",5.1

22、kCapacitors,"C1",0.1uCapacitors,"C2",0.1uCapacitors,"C3",0.1uCapacitors,"C4",0.1uCapacitors,"C5",220uCapacitors,"C6",470UFCapacitors,"C7",20pFCapacitors,"C8",20pFCapacitors,"C9",10ufCapacitors,"C10",0.1ufCapacitors,"C11",1ufCapacitors,"C12",1ufCapacitors,"C13",47UFIntegrated Circuits,"U1",AT89C52Integrated Circuits,"U2",MAX232Integrated Circuits,"U3",7