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基于单片机的智能声光控开关毕业设计.doc
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1、学 院 本科毕业论文(设计)基于单片机的智能声光控开关李波XXXXX专 业 名 称 电气工程及其自动化 申请学士学位所属学科 工科 指导教师姓名、职称 XXXXXXXX 2011 年 6 月 8 日摘要摘 要声光控开关的原理是只有在天黑以后,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。 本文以LGS公司生产的GMS97C2051单片机为核心,研究声光控开关的设计,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,
2、使开关在白天时即使有声音也不工作。文章应用了过零启动技术,开关工作在频繁的开关状态时不易损坏可控硅,延长了声控开关的使用寿命。文章中还加入了看门狗电路,在工作中可以起到抗干扰的作用,大大加强了开关的可靠性.关键词:声光控,智能,节能,可靠性.AbstractABSTRACTThe principle of acoustic optical switch is only after dark, when someone pass stair channel, issued, or other sounds of footsteps will provide automatic lit corri
3、dor, lighting, when people enter the house or apartment corridor lights out several minutes automatically delay extinguished. During the day, even a voice, corridor lights also will not light, can achieve the purpose of saving energy. In this paper GMS97C2051 LGS company production, the single-chip
4、microcomputer is thedesign of acoustic lightactivated switch, the serial A/D for sound signal collection, by software to adjust the sensitivity to sound。 Single-chip microcomputer software implementation on photometric judgment to make the switch in the daytime, even though there is voice doesnt wor
5、k. Article applied zero start up technology, switch work in frequent switch to thyyistoy andextendedofsoundcontrolled。 Article also joined watch-dog circuit, in the work plays a role of antiinterference, the reliability of switches is greatly enhanced。 Keywords: sound, the intelligent controller,ene
6、rgysaving, reliability.目录目 录1。 绪论11。1 课题背景11.2 课题现状11。3 课题意义12.系统设计方案22。1 课题的研究内容22。2技术方案的选择23。系统结构与工作原理33。1 系统结构33。2 系统的工作原理54。硬件系统的设计54.1 声音信号采集电路的设计54。2 光信号判断电路的设计74。3 过零启动保护电路的设计74。4定时电路的设计94.5驱动输出电路的设计104.6电源设计104.7 看门狗电路的设计114。7。1 简介看门狗电路及其作用114。7.2 X5045特性介绍124.8。 PCB板的制作的设计134。8。1 PROTEL DXP
7、 2004的概述134。8。2 Protel原理图界面144。8。3 电路原理图的设计流程144.8。4 PCB板的绘制原则154。8。5 Protel PCB设计流程164.8。6 印制电路板(PCB)的绘制过程如下所示:174。8。7 焊制电路板如下所示195。 软件设计205。1 软件设计语言的选择205.2 程序流程图215.3 主程序设计225.4 延时程序设计225。5 TLC2543读写程序设计225.6 DS1302驱动程序设计225.7 X5045驱动程序设计226系统的调试2361 调试过程236.2 调试结果及经验总结257总结258附录26参考文献33致谢34泰山学院本
8、科毕业论文(设计)1。 绪论1.1 课题背景当今社会的主潮流是:降低能耗,节约能源,注重环保.声光控开关体积小,外形美观,反应灵敏,制作容易,是公共场合照明开关的理想选择,被誉为:“长明灯的克星”。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。另外,由于频繁开关或其他人为因素,墙壁开关的损坏率很高,既增大了维修量、浪费了资金,又容易造成事故隐患。因此,设计研制一种电路新颖、安全节电、结构简单、安装方便的声光双控白炽灯节能自动开关显得相当有必要。1。2 课题现状公共场所和居民居住区的公共楼
9、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开关系统,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。1.3 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)所设计的开关系统应做到节能、智能、耐用、可靠性高以及维护方便.2。系统设计方案2.1 课题的研究内容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
10、,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。2.2 技术方案的选择目前的声控开关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。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
11、电,智能环保。首先单片机是一种集成在电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统.单片机的特点:(1) 种类多,型号全;(2) 提高性能,扩大容量,性能价格比高;(3) 增加控制功能,向真正意义上的“单片”机发展;(4) 低消耗;(5) C语言开发环境,友好的人机互交环境。单片机的优点:(1) 使用寿命长;(2) 运行速度越来越快;(3) 低噪声和高可靠性技术;(4)
12、 OTP与掩膜。综上所述,单片机的特点和优点符合制作智能声光控开关的条件,并且具有准确性和节能性.3。系统结构与工作原理3。1 系统结构 设计声光控开关,最起码要考虑三个问题,其一是灯泡的开关控制,这是由220V市供电。其二是光控制,使其在有光时,即使有声音也不能亮.其三就是声音控制,在晚上或光线不足时,只要有人经过,发出声音,灯泡就会点亮。设计的整体方案图如图1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MCS51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
13、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
14、. 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,使可控硅打开。图1整体方案图03。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。4。硬件系统的设计4。1 声音信号采集电路的设计图2声信号采集电路如图2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
15、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。下图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,转换结束,EOC输出变高。图3 TCL2543A/D转换器TLC2543的引脚排列如图1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
16、,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;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
17、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/输出端.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.4
18、。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4所示.图4 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
19、,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。4。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,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5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
20、零值附近启动,就可以避免大电流的冲击.如图6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Q6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
21、,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6 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.4.4 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R
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