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智能声光控灯系统设计
摘 要
随着社会的发展和生活水平的提高，智能设备已经被添加到人们的生活中。然而，浪费和不环保的现象也随处可见。例如，随处可见的夜灯和走廊照明，通常只有一个声音控制或仅在晚上的固定时间发光，这导致了电力的浪费，并大大缩短了灯泡的寿命。
本设计使用光敏电阻和极化来接收信号，并使用AT89C51微控制器和双电压比较器进行信号处理，以打开和关闭灯泡。它的组成主要基于集成电路，其原理是当早晨的环境亮度达到一定水平或提供更明亮的环境光时，通过控制光敏电阻使电阻增加并形成开路。此时，不考虑声音的量，声音不能触发电路。LED处于未点亮状态。如果环境亮度不足，光敏电阻的电阻值会显著降低。此时，对声音的量进行评估。当满足要求时，声音信号被偏振器转换为电信号并放大以满足检测要求。然后，处理器处理各种信号，将点亮、延迟熄灭和直接熄灭等信号传输到继电器，使继电器能够根据规定的要求控制灯泡的点亮和关闭。
智能声光双控灯可用于日常生活中的多种场合。经过普及，它们应用范围广，生产设计简单，使用寿命长，可以极大地方便人们的生活。它们更环保，更节能。
关键词：51单片机；智能声光控灯；传感器
ABSTRACT
With the development of society and the improvement of living standards, smart devices have been added to people’s lives. However, waste and environmental unfriendly phenomena can also be seen everywhere. For example, the ubiquitous night lights and hallway lighting usually only have one sound control or emit light at fixed times at night, which leads to power waste and greatly shortens the lifespan of light bulbs.
This design uses photoresistors and polarization to receive signals, and uses AT89C51 microcontroller and dual voltage comparator for signal processing to turn on and off light bulbs. Its composition is mainly based on integrated circuits, and its principle is to increase the resistance and form an open circuit by controlling the photoresistor when the ambient brightness in the morning reaches a certain level or provides brighter ambient light. At this point, regardless of the amount of sound, sound cannot trigger the circuit. The LED is in an unlit state. If the ambient brightness is insufficient, the resistance value of the photoresistor will significantly decrease. At this point, evaluate the amount of sound. When the requirements are met, the sound signal is converted into an electrical signal by the polarizer and amplified to meet the detection requirements. Then, the processor processes various signals and transmits signals such as lighting, delayed extinguishing, and direct extinguishing to the relay, allowing the relay to control the lighting and closing of the light bulb according to specified requirements.
Intelligent sound and light dual control lights can be used in various occasions in daily life. After popularization, they have a wide range of applications, simple production design, long service life, and can greatly facilitate people’s lives. They are more environmentally friendly and energy-efficient.
Key words：51 microcontroller; Intelligent sound light control light; sensor
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
1 绪论 1
1.1课题背景及其研究意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3本文研究内容 2
2 系统方案论证和工作原理 4
2.1 设计方案的论证 4
2.2 结构框图 4
3 硬件电路设计 6
3.1单片机选择设计 6
3.1.1 单片机芯片 6
3.1.2 电源电路 10
3.1.3 晶振电路 10
3.1.4 复位电路 11
3.2 声控电路设计 11
3.3 光控电路设计 12
3.4 LED灯电路设计 13
4 程序软件系统设计 15
4.1 Keil程序开发环境 15
4.2 主程序设计 16
5 仿真功能测试 18
5,1 系统功能测试 18
5.2 测试结论 19
5结论 20
参考文献 21
致谢 22
1 绪论
1.1课题背景及其研究意义
随着电子技术，特别是数字技术的发展，利用数字电路技术实现自动照明、节能和延长灯具寿命变得越来越重要，这与我们的实际生活密切相关。声光控制已成为人们日常生活中不可或缺的一部分。它不需要开关，当有人经过时会自动亮起。广泛应用于走廊、宾馆等公共场所，给人们的生活带来了极大的便利。因此，它被广泛使用。声光控制电路是一个控制声光控制电路操作的电子开关。该电路由电源电路、语音控制电路、灯光控制电路和延迟控制开关组成。它不仅广泛应用于楼梯间、走廊、仓库等场合，而且节能、使用方便。
将住宅区走廊的开关更换为声光控制的延时开关。只有在天黑后，当有人走下楼梯并发出脚步声或其他噪音时，走廊的灯才会自动亮起以产生照明。当人们进入家中或离开公寓时，走廊灯会在几分钟后自动关闭。白天，走廊的照明，即使有声音，也不会亮起来，这可以达到节能的目的。声控延时照明电路不仅适用于住宅区的走廊，也适用于工厂、办公楼和教育楼等公共场所。它具有体积小、外观美观、易于生产、工作可靠等优点，适用于各种建筑走廊的照明设备。降低能源消耗、节约能源和强调环境保护是当今世界最重要的趋势。加剧温室效应的高能白炽灯越来越不受欢迎。随着欧盟明年宣布禁止白炽灯的时间表，毫无疑问，白炽灯将在全球范围内逐步淘汰。环保节能灯是白炽灯的替代品。
1.2 国内外研究现状
自20世纪90年代以来，美国、法国、荷兰、英国和意大利等国家实施了适当的支持措施，推广节能灯等节能产品。自1991年实施绿色照明计划以来，环境保护局已投资超过10亿美元推广高效照明产品。根据美国能源部的一项调查，新的节能照明技术还可以通过允许企业员工将照明效果调整到满足他们的水平来提高他们的生产力。一项调查显示，节能灯可以降低员工眼睛疲劳和头痛的发生率。商业机构愿意更换照明系统的另一个原因是。可见，节能灯在国内外都有很大的发展和影响。
声光控制智能开关的核心部分是控制系统。尽管微控制器控制系统在中国各行业的应用已经非常广泛，但与日本、美国和德国等先进国家相比，国内声光控制智能开关控制的总体发展水平仍然不高，仍存在显著差距。成熟的智能开关控制产品主要基于模拟电路和数字电路。它们只能适应一般的控制系统，在高税收场景中使用的智能和家庭技术还不太成熟，导致商业化程度较低，使用范围较广。随着中国经济的发展和加入WTO，中国政府和企业给予了高度重视。相关企业资源得到重组，一些国家和企业研发中心成立，进行创新研究，推动了中国仪器仪表行业的快速发展，
声光控制延时开关是建设部和科技部为建筑节能产品定义的延时自熄开关之一。它在使用中的节能效果非常明显。例如，如果一个40W的灯具在晚上用正常开关连续打开6小时，功耗应该是0.6KW/H，即0.36 kWh的电流。如果一个40W的灯具仍然使用声光延迟开关，并在晚上打开100次，每次30秒，功耗为0.033KW/H，即0.033kWh的电流。两者之间的功耗差异高达20倍，这表明声光开关最大的节能特点是其大的开/关时间比。将上述示例作为比较，当在每天24小时内打开正常手动开关6小时时，当天的开/关比为6:24=0.255。但是，如果使用声光开关，每天24小时的累计开/关时间为0.83小时，当天的开/关比为0.83:24=0.035。
目前，大多数语音控制开关都是用模拟电子设备设计的，其中有许多无法断开的分立元件。此外，许多声控开关的平均使用寿命不长，主要是由于电路的频繁切换，导致启动电流非常大，从而导致电流元件晶闸管因过载而损坏。如果设计中采用开关电压过零保护技术，可以消除灯泡运行时的大电流冲击，有效防止晶闸管元件运行时的电流过载，大大延长开关寿命，保护灯泡。
如今，微控制器技术已经相当成熟，未来的发展方向倾向于使用微控制器设计智能语音控制开关。电路设计完成后，使用软件编程实现其功能，灵活、方便、易于修改。使用更安全、更节能、更智能、更环保。
1.3本文研究内容
本设计讨论了一种由光敏电阻、驻极体麦克风、微控制器、最小系统、电路和照明电路组成的声光控制智能电路。主要由语音控制电路、灯光控制电路、控制电路、电源电路和照明电路组成。白天灯总是关着的。晚上，在黑暗中，当它收到突然的声音（如脚步声或击掌声）时，灯会自动打开，然后在一段时间后自动打开。这可以达到节能的目的，具有结构简单、自耗轻、性能稳定、灵敏度高、通用性强的特点。具体功能如下：
（1）声光信息采集模块
声音信号采集：使用驻极体话筒 BM，将声音信号转化为电信号。
光线信号采集：使用光敏传感器，将光线强度转化为电信号。
（2）信号处理模块
声音信号处理：对采集到的声音信号进行放大和滤波处理。
光线信号处理：对光敏传感器的输出信号进行滤波和阈值判断。
（3）控制模块
使用 AT89C51 单片机作为核心控制器，实现信号采集、逻辑判断和继电器控制等功能。
（4）电源模块
提供稳定的电源，支持 5V 或 3.3V 输出，满足系统各模块的供电需求
2 系统方案论证和工作原理
2.1 设计方案的论证
本次设计有两个具体的设计方案。方案一采用CD4011芯片作为主控制器。当BM双极麦克风接收到声音信号（如拍手、停止、说话）时，它会将声音信号转换为电信号并将其传输到C1电容器。在耦合和电压放大之后，信号被传输到芯片CD4011，以便用芯片的NAND门进行处理。
要关闭日光，必须将语音控制电路传输到处理芯片的电路系统。此时，必须控制光控制电路（光敏电阻、电容器、滑动电阻等）和由R5和RG串联形成的分压器电路。由于环境光较弱时光敏电阻的电阻明显较高，RG电路两端的分压器增加，导致灯泡不亮。如果需要改变延迟时间，只需要改变电阻器R8或电容器C3的树脂，以在不同要求下实现不同的目标。
完成了将电子开关的状态从一切换到关断的过程，并使用CD4011芯片形成方波信号。当电容器处于充电状态并达到一定水平时，单向晶闸管可以接通，电子开关处于闭合状态：当电容器充满电时，它向电阻器R8提供电流。放电一段时间后，单向晶闸管闭合，电子开关恢复到断开状态。
第二种解决方案使用AT89C51微控制器作为主控制端，LM393用于功率放大器控制。智能声光双控灯示意图如图2-3所示。主要部件的主控端采用AT89C51微控制器。AT89C51是一款性能良好、功耗低、简单易用的8位微处理器，具有许多优点。AT89C51的优点是性能稳定、抗干扰能力强。用户可以灵活地使用它进行不同的设计和编程，它配备了大型存储系统可编程存储器。它的广泛应用体现在许多工程控制现场、大型机器的内部控制、家用空调等。
方案一和方案二的原理基本相同，但方案二具有高灵敏度，并使用性能良好、稳定性高的AT89C51芯片。总体设计思路较为清晰，分为光检测模块、声音检测模块、电源模块、继电器控制LED照明模块和微控制器控制模块。此外，它使用的组件更少，代码简洁，成品更容易理解和制作。总体而言，方案二更适合在综合比较之下。
2.2 结构框图
本设计是基于AT89C51单片机的声光控制智能开关控制系统。系统的整个硬件电路包括：电路、声控电路、光控电路、主控电路和光控电路。整个系统图如下图所示。
图2.1 系统结构框图声光控制智能开关主要由以下几个关键部分组成：电源电路、声控电路、光控电路、主控电路以及照明电路。其中，电源电路主要是一个整流电路，负责为整个系统提供稳定的电力供应。声控电路则主要由驻极体麦克风、晶体管VT、电容器以及电阻器R1等元件构成。它的核心功能是将周围环境中的声音信号捕捉并转换为电信号，随后将这个电信号传输给主控电路进行进一步处理。光控电路则包含了光敏电阻、滑动电阻、其他电阻以及比较器等重要元件。光敏电阻能够根据外界光线的强弱变化其电阻值，而比较器则负责检测这些光信号的变化。此外，滑动电阻的加入使得用户可以根据实际需求调节控制精度，从而实现对光照条件的更精准感知。当信号触发时，实现灯泡的开启/关闭。
3 硬件电路设计
3.1单片机选择设计
3.1.1 单片机芯片
（1）AT89C51单片机的简介
图3.1 AT89C51单片机电路原理图
AT89C51是一种能量刺激和高活性的CMOS 8位微控制器，系统中具有较小的8K可编程闪存。使用Atmel高技术，该技术不会被储存技术压平，它与89C51的说明书和针头完全兼容。在我的芯片闪存上，你可以在系统中编程你的软件，它也适合普通软件用户。
AT89C51具有以下标准特性：8k无位闪存、256位无位RAM、256位RAM、32位I/O门线、狗时、2个数据、3-16位时间/talman、3-16位数时间/talmen、1个矢量2级停止结构、1个向量2级停止结构、全双线、片上晶体振荡器和1小时、256位内存、256位随机存取存储器、32位输入/输出门线、32位I/O门线、RAM、32位数输入/输出门线、2数据、3-16bit时间、3-16，并支持两种选择能源的软件选项。在非活动模式下，CPU停止运行并允许RAM、时间/数字、常规网关和停止运行。禁用控制可保存RAM内容，并停止所有微控制操作，直到恢复下一个停止或设置。
主要性能：
与MCS-51单片机产品兼容
8K字节在系统可编程Flash存储器
1000次擦写周期
全静态操作：0Hz～33Hz
三级加密程序存储器
32个可编程I/O口线
三个16位定时器/计数器
八个中断源
全双工UART串行通道
低功耗空闲和掉电模式
掉电后中断可唤醒
看门狗定时器
双数据指针
掉电标识符
（2）AT89C51的时钟介绍
微控制器的工作过程是接收一条指令，对其进行解码，执行一个操作，然后接收另一条指令、对其进行编码并执行微操作。通过这种方式，微进程自动逐步完成相应语句指定的功能。每条指令的微操作都是严格按时间顺序排列的，不同微操作的时间顺序称为定时。
① AT89C51的时钟信号生成方法
AT89C51微控制器上的时间通常有两种产生方式：一种是内部时钟，另一种是外部时钟。
内部小时如图3.2所示。AT89C51微控制器具有内部运动通道。只要石英晶体连接到XTAL1和XTAL2微控制器，它就会在微控制器内形成自调节的顺时针弯曲。图像中用于输液的C1和C2的活性恒定且快速移动，值范围为5-30pF；晶体运动速率CYS为1.2-12MHz。
图3.2 内部时钟方式
外部时钟方法是将现有的时钟信号插入微控制器，如图3.3所示。这种方法通常用于多个AT89C51微控制器同时工作。简化不同微控制器之间的同步。一般来说，外部高信号的持续时间必须大于20ns，并且频率低于12MHz的方波是必要的。对于采用CHMOS技术的微控制器，外部时钟主要从XTAL1端子引入，而XTAL2端子引脚应挂起。
图3.3 外部时钟方式
② AT89C51的时钟信号
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