基于51单片机的声控和光控路灯的设计Word文件下载.docx
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第一章绪论
1。
1论文选题的目的和意义
在学校，机关，厂矿企业等单位的公共场所以及居民区的公共楼道，长明灯现象十分普遍，这造成了能源的极大浪费。
另外，由于频繁开关或者人为因素,墙壁开关的损坏率很高，增大了维修量，浪费了资金。
而本课题正是声光控制路灯的设计,它设计出一种电路新颖，安全节电，结构简单,安装方便,使用寿命长的声光双控白炽灯节能路灯，同时，这可加强对模拟电子技术和数字电子技术的理解和巩固。
以此达到节能环保的作用.
2国内外关于该论题的研究现状和发展趋势
由于近年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。
努力增加节能光源和不同档次、花样、不同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和应用是我国目前照明器材行业结构调整的重点。
我国目前已经成为世界照明电器生产大国，我们的目标是要成为照明电器产品生产强国，我们与发达国家在照明电器产品的质量、档次、生产工艺、材料及新产品开发能力等方面存在明显的差距。
看到我们取得成绩的同时，也能清醒的认识我们存在的差距，才能不断的进步。
美国、法国、荷兰、英国、意大利等国家从上世纪90年代起，纷纷制定出相关扶持政策,用于推广节能灯等节能产品。
仅美国环保局从1991年开始实施绿色照明以来,就投资10多亿美元用于推广高效照明产品。
研究指出，节能灯能减少雇员眼部疲劳和头疼的发生率.这也是构成商业机构乐于更换新一代照明系统的另一原因。
可见节能灯在国内外都有着重大的发展和重要作用。
随着城市路灯规模的增加，靠人工对路灯的控制、维护及工作状态的监测,在控制、检测的实时性等方面的矛盾日益突出。
对路灯实现智能化和节能控制，对于解决人工控制存在的问题是非常有利的,同时对于节约电能和美化城市夜景也是非常重要的。
路灯是我国经济发展和国家建设中必需的用电设备，它在我国的整体用电量中所占比例巨大,如果通过节能装置对其进行有效控制，就能够降低电力损耗，达到节约能源，降低生产安装成本，有助于我国经济的快速发展。
基于单片机的声光双控路灯将在我国的未来城市发展中发挥更加广泛的作用。
第二章论文设计方案
2。
1论文主要要求
（1）利用51系列单片机作为中央处理器；
（2）具有声控和光控功能；
（3）完成系统电路设计；
（4）光敏传感器的模电变化的电路设计；
（5）完成仿真电路，通过单片机编程能实现改变灯亮时间的长短。
2.2论文设计思路及说明
随着科技的飞速发展，自动化已经运用在了生活中的方方面面，而路灯就是一个很好的例子。
路灯的自动化控制主要通过声控和光控两部分来实现.这种控制主要根据光照强度和声音来共同控制路灯的点亮与熄灭.白天光照强度很大的时候路灯不需要点亮，而到了晚上通常就需要路灯是点亮的，但是由于晚上又不需要路灯经常亮着，因为这样势必会浪费许多电量,所以需要通过声控来实现路灯的点亮与熄灭:
当人或车经过的时候发出声响，路灯就会自动点亮,一段时间自动熄灭.这样就大大减少了能源的浪费.
大致原理介绍：
使用光敏电阻和驻极体话筒分别来检测光信号和声音信号，通过驻极体话筒和光敏电阻得到的电信号在进行测控电路进行整流、滤波、放大等功能后变为数字信号,再将这个数字信号发送到51单片机，经过51单片机来判断是否是高或低电平来决定灯的亮与不亮，灯的亮与不亮用发光二极管LED来显示.本设计有两种系统，一种是光控系统，另外一种是声控系统，这两个功能均通过单片机控制，使其能达到如下功能：
在白天有光照强度强时，声控不起作用，光控功能处于关闭状态，路灯在有声音信号的情况下也不亮;
在晚上黑暗状态时，声控系统起作用，当有声响的时候路灯点亮,延时一段时间自动熄灭。
本设计是通过驻极体话筒作为传感器来接受声音信号并将其转化为微弱电信号，然后通过放大电路和迟滞比较电路将微弱的电信号转变成单片机能识别的翻转电平信号即方波信号，并送入单片机的P3。
5口，单片机通过程序来判别信号变化来控制开关的闭合状态或者发光二极管的亮灭，同时光敏电阻受光强的影响阻值发生改变，引起电压变化进而来控制单片机的中断程序，使得开关在白天和光照比较亮的时候都处于断开状态,达到声光双控开关的目的。
3论文设计方案
2.3。
1方案一
利用51单片机定时器计数功能控制路灯在白天一段时间内灯不亮；
在晚上转变为通过声控电路控制路灯的点亮与熄灭。
图2。
3。
1方案一
2方案二
利用光敏电阻和驻极体话筒将外界的光信号和声音信号转换为单片机能识别的电信号来控制路灯。
3.2方案二
4方案选择
通过方案一与方案二的比较分析，可以清楚看到，如果在白天阴雨天气等光照强度很弱的情况下路灯也不会点亮，方案一因为是计时器功能实现白天灯不亮，设计不够灵活,而方案二则很灵活地可以通过光敏电阻进行调节，思路清晰明确且简洁易懂，故选择方案二。
第三章系统硬件设计
3.1AT89C52
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
图3。
1为AT89C52的引脚图：
图3。
1AT89C52引脚图
3.2单片机的原理及各引脚功能介绍:
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入.P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流,这是由于内部上拉的缘故.在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流.这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1"
时，它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号.
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流.当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故.
P3口作为AT89C52的一些特殊功能口,管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3。
1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
3/INT1（外部中断1）
4T0（记时器0外部输入
5T1（记时器1外部输入）
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）
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH）,不管是否有内部程序
存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；
当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
图3.2AT89C52引脚功能介绍
3.3驻极体话筒
驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中。
属于最常用的电容话筒。
由于输入和输出阻抗很高，所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器，为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。
驻极体话筒声电转换的关键元件是驻极体振动膜。
它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜。
然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。
膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。
膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开。
这样,蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。
当驻极体膜片遇到声波振动时，引起电容两端的电场发生变化，从而产生了随声波变化而变化的交变电压.驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小,一般为几十pF。
因而它的输出阻抗值很高（Xc＝1／2～tfc），约几十兆欧以上。
这样高的阻抗是不能直接与音频放大器相匹配的.所以在话筒内接入一只结型场效应晶体三极管来进行阻抗变换。
场效应管的特点是输入阻抗极高、噪声系数低。
普通场效应管有源极（S）、栅极（G）和漏极（D）三个极.这里使用的是在内部源极和栅极间再复合一只二极管的专用场效应管.接二极管的目的是在场效应管受强信号冲击时起保护作用.场效应管的栅极接金属极板。
这样，驻极体话筒的输出线便有三根。
即源极S，一般用蓝色塑线，漏极D，一般用红色塑料线和连接金属外壳的编织屏蔽线。
其原理图如下：
图3.3驻极体话筒结构图
4光敏电阻
光敏电阻又称光导管,常用的制作材料为硫化镉,另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。
这些制作材料具有在特定波长的光照射下,其阻值迅速减小的特性。
这是由于光照产生的载流子都参与导电,在外加电场的作用下作漂移运动,电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。
光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。
常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。
光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化,在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1～10M欧,在强光条件（100LX）下,它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆.光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0。
4～0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光,都会引起它的阻值变化.图（3）为光敏电阻基本结构图：
图3。
4。
1光敏电阻结构图
在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压,其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时,电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。
光敏电阻没有极性,纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。
光敏电阻是采用半导体材料制作,利用内光电效应工作的光电元件.它在光线的作用下其阻值往往变小，这种现象称为光导效应，因此，光敏电阻又称光导管。
用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。
通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，然后接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内,以免受潮影响其灵敏度。
在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度,则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子-空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻的阻值下降.光照愈强，阻值愈低。
入射光消失后，由光子激发产生的电子-空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值.
光敏电阻随入射光线的强弱其对应的阻值变化不是线性的，也就不能用它作光电的线性变换，这是使用者应注意的地方。
初学者可购置一只光敏电阻器（MG45型），在夜间点一盏60～100W的白炽灯,用万用表直接测量光敏电阻器的阻值.测量时，应把光敏电阻对着白炽灯的光，再逐渐拉开与灯的距离（由近到远），观察万用表指示的阻值变化,可以直观验证光敏电阻的特牲，以加深对它的感性认识。
常用的光敏电阻器型号有密封型的MG41、MG42、MG43和非密封型的MG45。
它们的额定功率均在200mW以下。
在光电自动控制电路中,可以选用光敏电阻器作为光电传感元件.
4.2光敏电阻实物图
3.5双电压比较集成器LM393
3.5.1主要功能
输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上，不受Vcc端电压值的限制。
此输出能作为一个简单的对地SPS开路（当不用负载电阻没被运用）,输出部分的陷电流被可能得到的驱动和器件的β值所限制。
当达到极限电流（16mA）时,输出晶体管将退出而且输出电压将很快上升。
输出饱和电压被输出晶体管大约60ohm的γSAT限制.当负载电流很小时,输出晶体管的低失调电压（约1。
0mV）允许输出箝位在零电平。
5。
1LM393芯片图
3.5.2主要特点
LM393是双电压比较器集成电路。
该电路的特点如下：
比较器数:
2
工作温度范围:
0°
C--+70°
C
SVHC（高度关注物质）：
NoSVHC（18—Jun—2010）
器件标号:
393
通道数:
逻辑功能号:
工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作,单电源：
2～36V，双电源：
±
1~±
18V；
消耗电流小，ICC=0。
8mA;
输入失调电压小，VIO=±
2mV;
共模输入电压范围宽，VIC=0～VCC—1.5V;
输出与TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容;
输出可以用开路集电极连接“或”门；
采用双列直插8脚塑料封装（DIP8）和微形的双列8脚塑料封装（SOP8）。
3.5.3结构图
LM393内部采用双列直插8脚塑料封装（DIP8）和微形的双列8脚塑料封装（SOP8）
5.3LM393内部结构图
3.5.4应用说明
LM393是高增益,宽频带器件，象大多数比较器一样，如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合，则很容易产生振荡。
这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时,输出电压过渡的间隙，电源加旁路滤波并不能解决这个问题，标准PC板的设计对减小输入-输出寄生电容耦合是有助的。
减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号，而且增加甚至很小的正反馈量（滞回1。
0~10mV）能导致快速转换,使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡，除非利用滞后，否则直接插入IC（集成电路板integratedcircuit,缩写：
IC）并在引脚上加上电阻将引起输入—输出在很短的转换周期内振荡，如果输入信号是脉冲波形，并且上升和下降时间相当快，则滞回将不需要。
比较器的所有没有用的引脚必须接地。
LM393偏置网络确立了其静态电流与电源电压范围2.0～30V无关。
通常电源不需要加旁路电容。
差分输入电压可以大于Vcc并不损坏器件，保护部分必须能阻止输入电压向负端超过-0。
3V。
LM393的输出部分是集电极开路，发射极接地的NPN输出晶体管，可以用多集电极输出提供。
6系统主要模块介绍：
3.6。
1光控电路模块
光敏传感器模电变换的电路图
6.1光控电路图
当光敏电阻收到光照的时候，电阻减小，运放同向输入端为低电平,端口1输出为低电平;
当光照较弱时，电阻增加，运放同向输入端为高电平，端口1输出为高电平。
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P1。
6口。
6。
2声控电路模块
声控电路部分电路图
6.2声控电路图
驻极体话筒将接收到的声音信号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器的放大，然后将放大后的信号电压通过迟滞比较器转变成单片机识别的高低电平信号,经过双向稳压管变成翻转电平信号，然后传给单片机的外部中断P3.5口。
3串口通信模块
6.3串口通信模块电路图
串口通讯对单片机而言意义重大，不但可以实现将单片机的数据传输到计算机端,而且也能实现计算机对单片机的控制。
由于其所需电缆线少,接线简单,所以在较远距离传输中,得到了广泛的运用.
通信协议原理
通信协议是通信设备在通信前的约定。
单片机、计算机有了协议这种约定，通信双方才能明白对方的意图，以进行下一步动作。
假定我们需要在PC机与单片机之间进行通信，在双方程式设计过程中，有如下约定：
0xA1：
单片机读取P0端口数据，并将读取数据返回PC机;
0xA2：
单片机从PC机接收一段控制数据；
0xA3：
单片机操作成功信息。
在系统工作过程中，单片机接收到PC机数据信息后,便查找协议，完成相应的操作。
当单片机接收到0xA1时，读取P0端口数据，并将读取数据返回PC机;
当单片机接收到0xA2时,单片机等待从PC机接收一段控制数据；
当PC机接收到0xA3时,就表明单片机操作已经成功.
硬件连接
51单片机有一个全双工的串行通讯口,所以单片机和计算机之间可以方便地进行串口通讯。
进行串行通讯时要满足一定的条件，比如计算机的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，我们采用了专用芯片MAX232进行转换,虽然也可以用几个三极管进行模拟转换，但是还是用专用芯片更简单可靠。
我们采用了三线制连接串口，也就是说和计算机的9针串口只连接其中的3根线：
第5脚的GND、第2脚的RXD、第3脚的TXD。
这是最简单的连接方法，
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