声、光、触摸三控楼道灯控制器设计与制作Word格式文档下载.docx
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Keyword:
ThreecontrolcorridorlightscontrolAuto-ControlMicrocontrollers
目录
诚信承诺书 I
摘要 II
Abstract III
目录 IV
1前言 -1-
1.1背景及意义 -1-
1.2设计内容 -1-
2设计方案论证 -3-
2.1总体思路 -3-
2.2设计方案 -3-
3设计流程 -4-
3.1电路结构框图 -4-
3.2元器件选型 -4-
3.3元器件部分清单 -5-
3.4元器件管脚及工作原理 -5-
3.5设计电路原理图 -7-
4原理分析 -9-
4.1声音检测模块原理 -9-
4.2触摸检测模块原理 -9-
4.3光检测模块原理 -10-
4.4输出模块原理 -11-
4.5中央处理器模块 -12-
4.6硬件程序设计 -13-
4.6.1程序流程设计 -13-
4.6.2程序结构设计 -14-
5电路板的制作、调试及故障分析 -16-
5.1电路板的焊接 -16-
5.2万用板设计的要求 -17-
5.2.1准确性 -17-
5.2.2合理 -17-
5.2.3经济角度 -17-
5.2.4手工焊接 -18-
5.3调试步骤及结果 -18-
5.4调试过程及问题 -19-
5.5注意事项 -20-
5.6最后设计电路的完成情况 -20-
6参考文献 -21-
致谢 -22-
附件Ⅰ -23-
附件Ⅱ -24-
1前言
1.1背景及意义
在当今高速发展的社会，对于新高科技的要求越来越高。
一些智能楼宇，高自动化的设施开始得到广泛的使用。
在这个背景下，我的这个毕业设计刚好符合当今的发展。
现在仍有不少的公共场所和居民住宅区的楼道大部分都是使用机械开关,这种开关需要人为去动作，且这种开关都是串联在负载线路中，存在有一定的安全隐患，某些干脆让照明灯常亮，这会使得灯泡寿命大大短,但若经常开关照明灯,则会加速开关的物理损伤,缩短了开关的寿命，另外开关动作是用力过大时也会影响墙体的质量,导致松动,这样也会增加了装置的维修费用,浪费了资金财产,而且还可能导致不必要的损失。
如若忘记关闭,在无人的条件下,灯也会在工作;
如果忘记了打开,有人经过也不会亮灯。
在这个资源紧缺的国家,我们需要新的节能方便的控制装置。
因此，我们要设计研制一种新的电路,其功能全面、安全节电、内部结构简单、安装方便而且使用简单的声、光、触三楼道灯自动开关是非常有必要的。
此设计主要用与小区和公共场所的照明的自动控制。
当有人经过时，灯自动亮，而当人离开后，又会自动关灯。
这就是我要设计的可以实现智能控制灯系统。
这个是三合一电路，即是此电路有多重安全保障，对于其有一部分功能使用不了，其他的功能也可以正常使用。
比如说，比如声音控制的电路坏了，此时光控电路也可以自动控制，使整个电路正常工作。
但是，有一种情况可能会导致自动控制功能失效，那就是光控，声控两部分电路都坏了；
不过此时可以通过人工触摸，实现灯亮。
所以此电路是有三重保障的多功能电路。
以前的声控开关大多数都是应用模拟电子技术进行设计的电路，设计存在较多缺点，而且元件多，不够可靠，而现在可以使用单片机进行设计，这样可以设计出智能型的声、光、触三控楼道灯，通过软件编程来实现所需功能，并且修改简单。
1.2设计内容
此设计主要用与小区和公共场所的照明，实现智能控制灯系统。
就像绪论所诉，实现有人与无人的、有光和无光的合理控制，通过单片机，软件编程来实现所需功能设计出智能型的声、光、触三控智能楼道灯。
2设计方案论证
2.1总体思路
首先通过我们所学的书籍查找收集相关可能用到的资料，把相关的资料列举出来，遇到不会的，找辅导老师，或者自己上网百度。
设计的时候，选择三种单独控制该设计电路若干，在众多的电路中，挑出个别符合设计思路的电路，再分析其控制原理。
在理解各个电路原理后开始构思并设计本毕业设计的电路，同时综合电路需求进行具体电路元件的选型和采购，然后根据设计好的电路焊接元件，完成后并进行调试，在调试阶段，不断的进行测试，对出现问题的电路，进行修改，直至电路符合设计要求，最后进行电路整合，调试出一个新的电路。
最终把符合要求的电路再焊接到电路板上，完成电路板的设计与制作。
2.2设计方案
方案一：
技术原理是采用3个5振荡器来实现延迟控制作用。
这样做的优点是设计的电路简单、技术难度相对比较小、容易实现。
而缺点是电路所涉及的原理相对比较复杂，而且电路的焊接线路多，容易出错，工作量比较大，且设计过程中所需要的知识多涵盖量大。
方案二：
采用小型单片机定时器实现输出延时控制。
这种方式电路结构简单，无需传统的复杂逻辑控制电路，将所有的信息都交由单片机进行处理，不仅电路面积小、成本低，且控制精度高、功能灵活、功耗低。
单片机丰富的资源可轻松的拓展额外功能，如添加按键进行延时输出时间设置、光照强度校准、声音检测灵敏度设置等等，还可以添加数码管或点阵液晶屏显示实现人机交互。
但是单片机抗干扰性能较差，容易受到电磁波等高频干扰，若没有严谨的设计则会使的单片机受到干扰后出现内部逻辑错误而导致失控。
以上两个备选方案，各有各的优缺点，本人认为方案2在总体上更占优势，因为采用微控制器替代普通简单的逻辑器件可使得控制器更加智能化、现代化，而智能化是社会发展的主流，因此本人选择方案二作为本毕业设计的指导方向。
3设计流程
3.1电路结构框图
经查询大量资料后，初步构思本次设计的总体结构。
该结构可大致划分为六个模块，分别是电源模块、光检测模块、触摸检测模块、声音检测模块、中央处理模块及输出模块。
其中中央处理器模块为本设计控制器的核心，该模块分别连接电源模块、光检测模块、触摸检测模块、声音检测模块和输出模块，结构框图如图2.1所示。
图3.1系统结构框图
其中，中央处理器模块为整个控制器的核心，负责处理各种信号的输入并对输出作出相应的动作；
光检测模块的作用是将光信号转变为电信号；
触摸检测模块为将人体触摸的信号转变成数字量，使这种信号能够被单片机所识别；
声音检测模块主要是将声音信号转变成电信号，并进行放大信号后简单过滤噪音，最后传送至单片机；
输出模块主要是将控制信号转变成机械动作，达到控制负载的工作状态；
电源模块则负责为控制器提供电源，以保障控制器的正常运行。
3.2元器件选型
电源模块中，为了防止有意或无意的反接电源正负极，因此计划在电源正极安装二极管，保护电源寿命和负载的安全。
小型单片机选用STC12C2052AD单片机，该MCU使用简单、抗干扰性能好且电路结构简单。
光检测模块选用光敏电阻将光信号转变成电信号。
触摸检测模块选用普通铝片作为触摸片，并利用三极管的开关特性将触摸信号转为能够被单片机识别的信号。
声音检测模块采用9×
7麦克风检测周围环境的声音情况，并利用运放将信号放大，同时采用耦合方式来简单过滤信号中的杂音。
输出模块采用低压继电器来控制照明灯类负载的电源，模拟物理开关的开关过程。
3.3元器件部分清单
本毕业设计的部分元件清单如表3.1所示：
表3.1元件清单
元件名称
元件参数
瓷片电容
0.1uF/2000V
三极管
s8050
0.01uF/2000V
继电器
DC-5V
电解电容
1uF/25V
单片机
STC12C2052AD
10uF/25V
石英晶振
12MHz
250uF/25V
接线端子
5.08-2P
色环电阻
1/4W/5%/10Ω
运放芯片
LM386
1/4W/5%/10K
麦克风
7×
9
1/4W/5%/1MΩ
万用板
100cm2
1/4W/5%/100K
电池
3节5号电池
整流二极管
1N4007
电池盒
3节5号电池盒
光敏电阻
5506
触摸片
渡银不锈钢片
3.4元器件管脚及工作原理
光敏电阻是最常见的光敏器件，其大部分采用半导体材料制。
光敏电阻属于模拟器件，不分正负极。
在无光环境下时，其电阻值特别大，此称为暗电阻，此时流过光敏电阻的电流称为暗电流。
随着光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始减少，当到一定光照强度后，光敏电阻的阻值基本保持不变，此时的电阻值称为亮电阻。
光敏电阻的主要有金属电极、半导体及玻璃电板三部分组成，如图3.2的a图所示，结构非常简单。
其中半导体为一层非常薄的光导层。
在半导体的两端装有金属电极，与外面的引脚相连，而光敏电阻引脚则接入电路。
为了提高光感应的灵敏度，一般采用“S”型的图案如图3.2的b图所示：
图3.2光敏电阻内部结构与原理
晶体三极管s9014，s9015,s9013属于小功率三极管，图3.3中1、2、3引脚分别是三极管的发射极e、基极b和集电极c；
将三极管的图展现出来面向自己，三个引脚朝下放置，如图3.3所示,。
用下面这个管脚图表示：
图3.3三极管
三极管是一种电子开关元件。
三极管可以放大电流，在电路中通常以集电极作为输出，控制信号连接到基极，而发射极则与地相连，当基极电压在0~1.2V变化时，同样基极的电流发生变化，但受基极电流控制的集电极电流会有很大的差异，基极电流与集电极电流成正比的关系。
三极管有三截止、放大和饱和导通三个工作状态，在本设计中让三极管只工作在截止和饱和导通两个状态。
继电器是常见的电气隔离的控制器件。
继电器在电路中广泛用于隔离控制电路电路，继电器内部带有单刀双掷或双刀双掷开关，甚至有的继电器自带两个双刀双掷开关。
适用于弱电控制强电类型的电气隔离控制。
电磁式的继电器通常都是由铁芯、线圈、触点簧片三个部分组成。
当线圈两端到达一定的电压时，根据洛仑兹定律，在线圈就两端就会产生电磁效应，开关的衔铁刀闸则在电磁吸引力的作用下，向铁芯靠拢，从而使开关闭合。
当线圈两端电压低于一定的电压时，开关的衔铁刀闸则会在拉力弹簧的作用下远离铁芯，使闭合的开关断开。
在继电器的线圈无电流通过时，内部闭合的开关称为常闭触点，内部断开的开关称为常开触点。
3.5设计电路原理图
设计智能型的声、光、触三控照明灯开关电路如图3.4所示：
图3.4电路原理图
图3.5电路原理框图
该电路原理图，主要由几部分组成：
1、电源部分：
由电池或外接电源都可以达到供电的目的，并且在电源正极添加二极管，为防止因电源正负极反接而损坏元件。
这部分主要负责电路的正常供应，为其他部分提供支持。
一旦这部分坏了，将可能导致整个电路无法正常运行。
2、声控电路：
由麦克风MK1、电容C4、C5、C6、C7、C8、R6和运放LM386组成。
这部分主要是负责声音感控，当有人来往、说话、以及其他发出其他声音时，将会这个部分将会进行控制电路，使电路进行照明，如若这部分电路受损，不会影响其他部分正常工作。
3、触摸控制电路由触摸电极TouchBoard、电阻R1、R2、三极管Q1组成。
这部分主要是负责触摸感控，当有人及其他物体触碰到时，电路将进行照明，这部分将控制电路。
如若这部分电路受损，不会影响其他部分正常工作。
4、光控电路部分：
由光敏电阻R3、金属膜电阻R5组成。
这部分主要负责光感应，外界光线较亮时，灯会自动关闭。
如若这部分电路受损，有可能影响其它部分的正常工作。
5、输出电路由三极管Q2、二极管D2和继电器组成。
电路原理主要由这几部分组合而成，这样可以实现触摸、声音、光照三种功能控制。
电路的每个功能都有对应的控制区，都是由对应的控制区来控制完成的。
下面，将会对各部分分别说明介绍：
4原理分析
4.1声音检测模块原理
声音检测模块是将声音信号转变为电信号输出的功能。
涉及到声音检测，那么采用麦克风是最简单也是最方便的方式，本设计的声音检测如图4.1所示。
图4.1声音检测模块电路
图4.1中MK1为麦克风元件，当其周围有声音时，MK1的正极则会产生与声音频率相同的交流信号，并通过C6进行耦合连接到运算放大器U2的输入端正极，运算放大器U2的负极则与地相连，构成正向放大电路。
运放的输出端采用阻容滤波电路进行滤除高频噪声，最后将信号通过C5进行耦合后的A点输出连接到单片机。
根据电容的通交流隔直流特性，C5、C6的作用则是隔断直流信号，将一定范围的交流信号传送到耦合的另一侧，其中电容通交流的范围可通过式4.1计算得出。
f=1/（2πRC）式4.1
R6、C7的阻容滤波也同样适用式4.1。
中央处理器模块可通过采集A点的电压变化作为声音信号的判断依据。
4.2触摸检测模块原理
触摸检测模块电路是根据三极管开关特性，将人体电位转成TTL电平。
每个人都带有的静电由几百伏到几万伏不等，但是静电具有电流小，因此在触摸片上须串联大阻值电阻，防止因为高压而烧毁元件，在本设计中采用1M欧电阻作为限流降压电阻，如图4.2所示
图4.2触摸检测模块电路
图4.2中，TouchBoard为触摸片，当人体触摸到触摸片后，人体静电通过触摸片并经R2限流降压后传导至三极管Q1的基极，触发Q1导通，使得点B由原先的高电平跳转为低电平。
中央处理器模块可通过检测B点的电平状态作为触摸信号，当有人体触摸时，B点为低电平，否则为高电平。
4.3光检测模块原理
光检测模块主要是将光信号转变成电信号的功能。
该模块的传感器主要是光敏器件，如光敏电阻，其相关型号及参数如表4.1所示。
在本设计中采用的5506光敏电阻，模块电路如图4.3所示。
图4.3光检测模块电路
表4.1光敏电阻型号参数表
型号
最大电压（VDC）
最大功耗（mw）
环境温度
（℃）
光谱峰值（nm）
亮电阻（10Lux）（千欧）
暗电阻（兆欧）
响应时间（ms）
上升
下降
150
100
25
540
2-5
0.2
20
30
5516
5-10
0.5
5528
10-20
1
5537
20-30
2
5537-2
30-50
3
5539
30-40
5
5549
40-120
10
5506光敏电阻的亮电阻最小为2千欧，暗电阻为0.2兆欧，那么在电路中，C点的电压在0.2V~4.9V范围内。
R3的阻值加上R5的阻值最大为2.1兆欧，因此流经R3和R5的电流约为2.9uA。
当无光照时，C点的电压为最大，约为4.9V，随着光照强度的增加，C点的电压会逐渐降低，C点电压最低不会低于0.2V。
4.4输出模块原理
输出模块主要是将中央处理器输出信号转变为机械动作进行控制负载的接通与关断。
在本设计中，这一过程通过继电器来实现，其电路如图4.4所示。
图4.4输出模块电路
中央处理模块可通过控制D点的电平来控制继电器的工作状态，由于单片机的输出电流较小，为了避免单片机不能正常驱动继电器，因此使用NPN三极管来驱动继电器。
当对D输出低电平时，继电器的常开触点断开，常闭触点闭合，此状态称为继电器的还原状态；
当对D点输出高电平时，继电器的常开触点闭合，常闭触点断开，此状态称为继电器的动作状态。
图4.4中，每当继电器动作状态发生变化时，其线圈两端会产生反电动势，而D2的作用则是释放继电器线圈两端的反电动势，防止其他元件因继电器的反电动势而被烧毁。
4.5中央处理器模块
中央处理器模块是整个控制器的核心部分。
在本设计中，采用STC12C2052AD作为中央处理器，它片上集成256字节的RAM和2K字节的Flash程序存储器，自带8路8位AD采集，含有看门狗和串口，有15路IO引脚。
这款单片机的资源完全足够应用与本次设计内容，其最小系统电路如图4.5所示。
图4.5中央处理器电路
本次设计采用上电复位电路，单片机在每次上电都重头开始执行程序，此为防止单片机掉电而丢失内存数据，导致程序运行不正常。
在上电瞬间，由于电容不能瞬间改变两端电压的特性，让R4两端电压接近为VCC，随着C1充电的，R4两端电压不断升高，直到C1充满电时，R4两端电压为0，此时单片机开始处于正常工作状态。
12MHz的工作频率对于楼道灯的控制是完全足够的，而C2、C3则是起到抑制高频噪声的作用。
在本设计中需要用到两路的AD采集，用作采集光检测模块的信号输入和声音信号检测模块的输入；
需要启用定时器来控制输出的延时时间；
需要启用看门狗来防止因发生以外而导致程序运行不正常。
4.6硬件程序设计
4.6.1程序流程设计
程序流程设计思路如图4.6所示。
图4.6程序流程图
本设计的硬件程序开发是基于KeilSoftware公司的KeilμVision2环境上进行开发的，采用的编程语言为C语言，对于单片机内部寄存器的定义则调用STC官方提供的头文件。
4.6.2程序结构设计
单片机对输入信号的采集有两种方式，分别是中断方式和查询方式。
本人经认真分析比较后得出以下结论：
采用中断方式采集输入可使单片机在大部分时间处于休眠模式，仅当有声音信号或触摸信号触发时才唤醒单片机工作。
理论上这种方式能够有效降低设备功耗，延长电池单次使用时间，但实际上这种方式并不适用于本设计的硬件电路。
若强行使用中断方式将会导致设备对输入的灵敏度大打折扣且声音信号会频繁地触发中断，使单片机难以进入休眠模式；
若将声音信号和触摸信号改用单片机外部中断采集，则单片机采集的声音信号只有“0”和“1”两种，使设备的声控灵敏度大大降低，当然也可以通过修改声音硬件电路来弥补声控不灵敏的情况，但是与此同时也意味着电路将变得复杂且制作成本上升，并且修改声控灵敏度只能通过机械的方式，不利于往后的个性化设计。
综合以上情况，本人决定在本设计中采用查询的方式对输入信号进行采集。
采用查询的方式对输入信号进行采集，理论上单片机是一直在不间歇地循环进行工作，工作内容包括输入采集、逻辑判断、输出控制。
在本设计中，并非使单片机长期不间歇地循环工作，而是每当单片机工作完一个循环时则进入休眠状态，并定时休眠20毫秒后唤醒单片机进行下一个循环工作，单片机每循环一次所工作的时间约为1毫秒。
因此在一个周期中，单片机约有1/20分之一的时间在工作，其余时间都是处于休眠状态，并且长期都是在这样一个稳定的周期里面工作。
这种工作方式不仅能够
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