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1、-小区楼道灯设计本科毕业论文-第 26 页毕业论文题 目： 小区楼道灯设计 学生姓名： 学生学号： 系 别： 物理与电子信息系 专 业： 电子科学与信息技术 届 别： 2012 指导教师： 聂 文 艳 目录小区楼道灯设计学生： 指导教师： 淮南师范学院物理与电子信息系摘 要：小区楼道灯控制，一要节约用电、控制自动化；二要方便住户对楼道照明用电的管理；三要投资少。根据这三个原则，本文介绍了一款基于单片机的声光控小区楼道灯的设计。用声光控小区楼道灯代替住宅小区的楼道上的照明，只有在天黑以后，当有人走过楼梯通道，发出脚步声或其它声音时，楼道灯会自动点亮，提供照明，当人们进入家门或走出公寓，楼道灯延时
2、几分钟后会自动熄灭。在白天，即使有声音，楼道灯也不会亮，可以达到节能的目的。该设计可作为企业、宾馆、商场及住宅的走廊、楼梯、电梯间、卫生间、库房等处的自动开关，起到“人来灯自亮，人走灯自灭”的作用，既新颖方便，又节约用电，在某些场所还能起到威慑盗窃活动的防范作用。本设计结构简单，器件功耗很小，价格低廉，隐蔽性好，应用范围广，所以可以通过扩展而达到实际的应用。 关键词：声光控电路；延时；节能Residential corridor lamp designAuthor: Supervisor: Huainan Normal University Department of physics and
3、electronic informationAbstract: Village corridor lights control, one is to save electricity, control automation; The convenience of corridor of illumination residents management; Third, we need less investment. According to the three principles, this paper introduces a based on SCM control village v
4、oice of corridor lights design. By acoustic electric village corridor lights instead of residential area in the corridor of the lighting, only after dark, when someone walked by the stairs channel, a footsteps or other voice, the corridor to the parade automatic light, with lighting, when people ent
5、er the house or out of the apartment, corridor lights will be a few minutes after delay goes out. During the day, even a voice, corridor lights also will not light, can achieve the purpose of saving energy. This design can be used as enterprises, hotels, stores and residential hallway, stair, elevat
6、or, toilet, the Treasury of the place such as automatic switch, rise to people to the bright lights, people walk out the lights effect, both novel convenient, and to save electricity, and, in some places still can rise to the activities of the guard against theft deterrent effect. This design is sim
7、ple in structure, the power consumption of the device is very small, the price is cheap, easy to conceal, application range, so can be extended to reach of actual application. Keywords: sound electric circuit; Delay; Energy saving 前言电力作为一种洁净方便的能源广泛的应用与我们的生活与生产方面，因此电能的节能尤为重要，要节能首先就要做到节约能源，其次再通过科学研究发明
8、更加人性化和节能的用电器。我国照明缺乏独创产品，模仿产品居多，基础加工落后，只顾外表，轻视功能，产品的品种比较单一，性能差。尤其是在“智能”照明方面，缺乏创新，与国外智能灯具在技术研究方面有着不小的差距。我国现阶段的照明系统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。全球性的能源短缺和环境污染在经济高速发展的
9、中国表现得尤为突出，节能和环保是中国实现社会经济可持续发展所急需解决的问题。基于目前国内国际形势，尤其是能源紧缺，智能照明必是以后照明系统的发展方向。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。同时，智能照明将会使人们利用起来更加便利，改善家庭环境，不仅为建筑照明提供多种的艺术效果，而且使灯具控制和维护变得更为简单，而且具有可靠性高、安装布线容易。1 课题分析1.1 课题现状公共场所和居民居住区的公共楼道普遍使用机械手动开关,由于各种原因往往出现许多灯泡点
10、亮长明的现象,故使灯泡寿命短,浪费电量,为国家、单位、个人造成经济损失。因此，设计一个基于单片机的声光控小区楼道灯，使公共场所和居民居住区的公共楼道灯在白天时不亮，晚上闻声自亮，待人走后，几十秒后自动关闭，既方便，又省电。1.2 课题的研究内容运用单片机可以设计出智能型的声光控楼道灯，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。1.3 课题意义（1）利用单片机作为中央处理器；（2）具有光控功能，白天不亮灯，晚上有声音时亮灯；（3）延时时间可调节；（4）具有过零检测功能；（5）所设计的电路系统应做到节能、智能、耐用、可靠性高以及维护方便。2
11、硬件系统的设计2.1 声音信号采集电路的设计 如图1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。图1 声信号采集电路图2 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/O CLOCK）以及串行数据输出端（DATA INPUT）。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
12、，转换结束，EOC输出变高。TLC2543的引脚排列如图2所示。引脚功能说明如下：AIN0AIN10：模拟输入端，由内部多路器选择。对4.1MHz的I/O CLOCK，驱动源阻抗必须小于或等于50；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DATA OUT、DATA INPUT和I/O CLOCK。CS由低到高的变化将在一个设置时间内禁止DATA INPUT和I/O CLOCK；DATA INPUT：串行数据输入端，串行数据以MSB为前导并在I/O CLOCK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/O CLOCK将余下的几位依次输入；
13、DATA OUT：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/O CLOCK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/O CLOCK：时钟输入/输出。图2 TCL2543A/D转换器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10s； （4）SPI串行接
14、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4A。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。2.2 光信号判断电路的设计楼道上的声控开关出了声音控制外，还必须有光控功能，即在白天时无论有无声音，都不会点亮灯泡，只有在夜晚或是光线较暗时，发出声音后，才会开灯。这就必须设计一个光控电路，原理图如图3所示。图3 光信号判断电图中D1为光敏电阻器，光敏电阻器的主要功能是，当没有光照或光线不足时，其阻值较大，达到兆欧级以上，相当于处于短路状态，此时R1电位器中间
15、抽头输出为低电平。而当有光照时，光敏电阻阻值下降，阻值相当小，此时电位器R1的中间抽头输出为高电位。LM393和电位器R8组成一电压比较器，当同相输入端电位高于反相输入端时，LM393输出一高电平，反之，当反相输入端电位高于同相输入端时，LM393输出一低电平，输出信号经过具有施密特功能的反相器74LS14，送到单片机，由单片机进行检测，判断是否有光照。2.3 过零启动保护电路的设计普通的白炽灯正常发光时的灯丝与不发光时灯丝电阻值相差甚远，从而使得其在启动瞬间的冲击电流非常大，例如一只60W的灯泡，在正常发光时，电阻约为800欧，工作在标准市电220V时，工作电流不到0.3A。然而在不放光时，
16、灯丝的电阻阻值约为6欧，当启动时，电流会很大，约有3.5A左右。这种大电流的冲击，很容易损坏可控硅。如图4为白炽灯启动时的电流波形图。图5 白炽灯启动电流波形图市电电压是交流220V，交流电始终是从零值到峰值的变化，只要使白炽灯在零值或零值附近启动，就可以避免大电流的冲击。如图5为过零启动保护电路。D2为整流桥，SCR为可控硅，过零启动主要是由电阻Rx1Rx5，二极管D3和二极管O6组成。Rx2Rx3是采样电阻，当整流桥2号端子的电压处于低电压时，Rx2和Rx3之间的电压也很低，Q6处于截止工作状态，protect端输出高电平。当整流桥的2号端口为高电压时，Rx2和Rx3之间的电压亦很高，使Q
17、6工作在导通状态，protect端输出低电平。把protect的低电平信号送到单片机的I/O上进行检测，由单片机作出判断，再决定SCR端得电压值，当protect为高，此时的电压为低，可以驱动SCR导通，点亮白炽灯，当protect为低，此时的电压为高，使SCR关闭，暂时不点亮白炽灯，等到过零点电位时才运作。因此，无论什么时候有声音信号来，只有在低电位时，才驱动SCR可控硅打开，声控信号才起作用，实现零压启动。图5 过零启动保护电路白炽灯点亮以后，可控硅SCR导通，二极管D3的阳极电位就会下降，此时二极管D3就起到了过零电压启动取消的作用。当有高电压来时，Rx1与Rx2之间的电位就会高于D3的
18、阳极电位，二极管导通，从而使Q6的基极输入电位下降，有效地避免了灯泡的闪烁现象。2.4 定时电路的设计声控开关在打开后，需要定时一定的时间，一般为几十秒，设计时可以借助时钟芯片，这里选用一款美国DALLAS公司生产的高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片DS1302.DS1302与CPU通过三线接口同步通信，其接口电路如图6所求。图6 定时电路2.5 驱动输出电路的设计前面提到，当单片机检测到声光信号后，要控制图6中的SCR可控硅导通，才能点亮灯泡，因此要设计一个驱动输出电路。图7 驱动输出电路如图7所示，用一个反向器与一个NPN型的三极管，一般的8050或9013都可以，再加一个上位电阻，此
19、处用一个10K的电位器，方便可调。单片机的一个I/O端口控制74LS14，使三极管关断截止或导通闭合。当单片机检测到有声光信号时需要驱动可控硅导通，则单片机给一个高电平信号，经反向器反为低电平，三极管截止，SCR输出端为高，打开可控硅，点亮灯泡。反之，单片机给一个低电平，使三极管导通，SCR端输出为低，可控硅截止，灯泡不亮。2.6 电源设计灯泡的工作电压为220V，但控制器的工作电压为5V，所以必须设计一个电源电路，取得5V的低电压。如图7所示，ZI为9V稳压管，C7C10为滤波电容，D4、D5为保护二极管，7805为三端稳压管。220V经过整流后，经过Z1稳压输出9V，再经C9和C7滤波输出
20、直流电压，从7805的1脚输出+5V。图8 电源设计2.7 看门狗电路的设计2.7.1 简介看门狗电路及其作用在由单片机构成的微型计算机系统中,由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰,造成程序的跑飞,而陷入死循环,程序的正常运行被打断,由单片机控制的系统无法继续工作,会造成整个系统的陷入停滞状态,发生不可预料的后果,所以出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑,便产生了一种专门用于监测单片机程序运行状态的芯片俗称“看门狗”（Watchdog）。声控开关控制器长时间工作，电路中即有220V的强电，又有+5V的低工作电压，现场的抗干扰在所难免，为避免单片机的程序跑飞，这里加入了看门狗电路，起
21、到抗干扰的作用。X5045将EEPROM、看门狗定时器、电压监控三种功能组合在单个芯片之内，大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，减少了对印制电路板的空间要求，降低了成本和系统功耗，是一种理想的单片机外围芯片。X5045引脚如图9所示。图9 X5045引脚图其引脚功能如下：CS：芯片选择输入：当CS是高电平时，芯片未选中，并将SO置为高阻态。器件处于标准的功耗模式，除非一个向非易失单元写的周期开始。在CS是高电平时，将CS拉低将使器件处于选择状态，器件将工作于工作功耗状态。在上电后任何操作之前，CS必须要有一个高变低的过程；SO：串行输出：SO是一个推/拉串行数据输出引脚，在读数据时，数据在
22、SCK脉冲的下降沿由这个引脚送出；SI：串行输入：SI是串行数据输入器，指令码、地址、数据都通过这个引脚进行输入。在SCK的上升沿进行数据的输入，并且高位（MSB）在前；SCK：串行时钟输入：其上升沿将数据或命令写入，下降沿将数据输出；WP：写保护输入：当WP引脚是低电平时，向X5045中写的操作被禁止，但是其他的功能正常。当引脚是高电平时，所有操作正常，包括写操作。如果在CS是低的时候，WP变为低电平，则会中断向X5045中写的操作，但是，如果此时内部的非易失性写周期已经初始化了，WP变为低电平不起作用；Vss：地；Vcc：电源电压；RESET：复位输出：RESET是一个开漏型输出引脚。只要
23、Vcc下降到最小允许Vcc值，这个引脚就会输出高电平，一直到Vcc上升超过最小允许值之后200ms。同时它也受看门狗定时器控制，只要看门狗处于激活状态，并且WDI引脚上电平保持为高或者为低超过了定时的时间，就会产生复位信号。CS引脚上的一个下降沿将会复位看门狗定时器。由于这是一个开漏型的输出引脚。所以在使用时必须接上拉电阻。X5045硬件连接图如图10所示。X5045芯片内包含有一个看门狗定时器，通过软件预置系统的监控时间后，若在预置的时间内看门狗芯片的CS端电平没有发生变化，则X5045将从RESET输出一个高电平信号，使CPU复位图10 看门狗电路2.7.2 X5045特性介绍（1）可选时
24、间的看门狗定时器。（2）Vcc的降压检测和复位控制。（3）5种标准的开始复位电压，使用特定的编程顺序即可对电压检测和复位开始电压进行编程，复位电压可低至Vcc=1V。（4）省电特性：在看门狗打开时，电流小于50uA，在看门狗关闭时，电流小于10uA，在读操作时，电流小于2mA。不同的型号的器件，其供电电压可以是1.8-3.6V、2.7-5.5V、4.5-5.5V。4K位EEPROM,1,000,000次的擦写周期。（5）具有数据的块保护功能可以保护1/4、1/2、全部的EEPROM，当然也可以置于不保护状态。（6）内建的防误写措施：用指令允许写操作，写保护引脚。（7）时钟可达3.3M。（8）短
25、的编程时间：16字节的页写模式；写时由器件内部自动完成；典型的器件写周期为5ms。3 软件设计3.1 软件设计语言的选择单片机语言的编程一般使用两种语言：C语言和汇编语言。汇编语言是一种用文字助记符来表示机器指令的符号语言，是最接近机器语言的一种语言。其主要的优点是占用资源少，程序执行效率高。但是不同的CPU，其汇编语言可能有所差异,所以不易移植。C语言是一种结构化的高级语言。其优点是可读性好，移植容易，是普遍使用的一种计算机语言。缺点是占资源较多，执行效率没有汇编高。C语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了许多种高级语言的特点，其具备汇编语言的功能。C语言有功能丰富的库函数、运算速度快、编译
26、效率高、有良好的可移植性，而且可以直接实现对系统硬件的控制。C语言是一种结构化程序设计语言，它支持当前程序设计中广泛用的有顶向下结构化程序设计技术。此外，C语言程序具有完善的模块程序结构，从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保障。因此使用C语言进行程序的设计已经为软件开发的一个主流。综上所述，用C语言进行单片机程序设计是单片机开发和应用的必然趋势。本设计就采用C语言进行编程，明显的增加了软件的可读性。3.2 程序流程图3.3 主程序设计#define ON 1024#define OFF_TIME 30sbit Light=P30;/光信号sbit Protect=P31;/过零
27、信号sbit Open=P37;/开亮控制void main(void) bit on_flag; unsigned char time3=0; unsigned int voice; unsigned char time; unsigned char old_second; x5045_wrsr(0x00); /打开看门狗 DS1302SetTime(time); /设置时间初值 Open = 0; /关闭可控硅 RESET_WDT(); /复位看门狗 while(1) if(Light = 0) /判断是否在夜晚 voice = tlc2543_write(0x00); /采集声音信号 R
28、ESET_WDT(); /复位看门狗 If(voice = ON) /有声音 while(1) if(Protect = 1) /处于零压 Open = 1; /驱动输出 On_flag = 1; /置开灯标志位为1 DS1302GetTime(time);/获取当前时间值 old_second = time0; break; /跳出循环 RESET_WDT();while(on_flag = 1) /已经开灯就计时 DS1302GetTime(time);/获取当前时间值 if(old_second != time0) /一秒后 old_second = time0; time+; /计数变
29、量累加 if(time =OFF_TIME) /时间到 on_flag = 0; open = 0; /关灯 RESET_WDT();4 系统总体方案设计4.1 系统结构设计的整体方案图如图11所示。CPU以GMS97C2051单片机为核心，GMS97C2051是LG公司生产，引脚功能和指令系统与MCS-51兼容的20引脚封装单片机，片内含2K字节的EPROM，与MCS-51的主要不同之处是少了P0和P1口，能方便地用于不需外扩程序存储器的应用场合，达到简化电路、缩小体积、减小损耗和降低成本的目的。整个设计包括以下几个模块：声信号采集模块，该模块主要是负责声音信号的采集并放大，再经过A/D转换
30、器输入到单片机。（1）声信号采集模块，该模块主要是负责声音信号的采集并放大，再经过A/D转换器输入到单片机。（2）过零保护模块，该模块主要是负责声音信号的采集并放大，再经过A/D转换输入到单片机。（3）光信号采集模块，对光信号进行处理，电路当中有光信号时，输出一电平信号给单片机，当晚上或光线较暗时输出一反向信号给单片机，由单片机作出判断。（4）时钟定时模块，运用一时钟芯片，起到定时功能，当灯亮后，一定定时时间到，即自动熄灭。（5）看门狗模块，对现场干扰起保护作用，防止单片机的程序跑飞，使使使之输出一电压值，到可控使可控硅打开。（6）输出驱动模块，由单片机控制，使之输出一电压值，到可控硅，使可控
31、硅打开。4.2 系统的工作原理采用串行A/D对声音信号的采集，可以通过软件来调节对声音的灵敏度。单片机软件实施对光度的判断，使开关在白天时即使有声音也不工作，在晚上闻声自亮。图11 整体方案图4.3 印制电路板（PCB）4.4 调试结果及经验总结将程序导入GMS97C2051芯片，利用KEIL与PROTEUS进行调试，调试成功后可以达到设计的要求。通过设计智能声光控灯，加深了对单片机系列的认识。让我更好的运用了本科四年所学的知识，运用于实践，加深了对知识的理解。在设计过程中学习了很多软件的使用，包括硬件部分运用protues进行设计，用keil进行程序编译，用protel进行制板。5 总结声光
32、控电路，省事省电，应用广泛，本文应用单片机微控制器，通过软件来实现，采用了过零启动技术，并且加入了看门狗监视器，安全可靠。相信以后在这方面会不断完善，使日常生活更加方便，更加智能化。在设计中初步了解了声光控制电路的工作原理，学会了分析电路、设计电路的方法和步骤。通过本次设计提高了自己对资料的查阅、信息处理的能力，训练了自己的科学研究基本功，培养了知识综合运用能力，增加了对社会普通科学知识的了解，为以后写作专业学术论文打下基础。参考文献:1 肖洪兵.跟我学用单片机.北京:北京航空航天大学出版社,2002.8.2 何立民.单片机高级教程.第1版.北京:北京航空航天大学出版社,2001.3 赵晓安.
33、MCS-51单片机原理及应用.天津:天津大学出版社，2001.3. 4 何立民.从Cygnal 80C51F看8位单片机发展之路.单片机与嵌入式系统应用,2002年第5期:P58. 5 夏继强.单片机实验与实践教程.北京航空航天大学出版社, 2001年.6 何希才.传感器技术及其应用.北京航空航天大学出版社,2005年.7 赵家贵.传感器电路设计手册.中国计量出版社,2002年.8 王俊杰.检测技术与仪表.武汉理工大学出版社,2002年9 孙涵芳.单片机原理及应用.北京航空航天大学出版社,1996年.10 谭浩强.C语言程序设计（第四版）.清华大学出版社,2010年6月11 谭浩强.C语言题解
34、与上机指导（第二版）.清华大学出版社,2006年12 陈锦玲.Protel 99SE电路设计与制版快速入门.人民邮电出版社,2008年.13 郝文化.Protel DXP 电路原理图与PCB设计.机械工业出版社,2004年.14 郝希才.实用传感器接口电路实例.中国电力出版社,2007年.15 陈圣林.图解传感器技术及应用电路.中国电力出版社,2009年.致谢感谢老师在毕业设计过程中的指导和帮助，使我能够尽快的完成任务。在毕业设计过程中，遇到了一系列的难题，感谢老师和同学的帮助。在整个设计过程中我懂得了许多东西，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中的探索的艰难和成功的喜悦。虽然这个项目还不是很完善，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。