上海电力学院
本科毕业设计（论文）
题 目：教学楼声光控电子开关的设计与实现
院 系： 电子与信息工程学院
专业年级： 电子信息工程系
学生姓名： 韩程
指导教师： 10级 学号： 20101933刘洪利
2014年5月25日
教学楼声光控电子开关的设计与实现
摘要
本设计主要是通过AT89C51单片机延时技术、光检测技术、声音检测技术和热释电红外检测人体技术控制白光LED灯的亮灭来实现声光控电子开关的设计。
光信号检测是通过光敏电阻检测光照强度来改变自身的阻值来控制光敏电阻所分担的电压多少来实现光控制。如果光敏电阻处在强光（白天）下，光敏电阻的阻值很小，电压比较器的同相输入端有较大的电压输入，通过电压比较器比较后，输出相应的电平，将电平输送到电片机进行处理；如果光敏电阻处在弱光（黑暗）下，光敏电阻的阻值很大，电压比较器的同相输入端有很小的电压输入，通过电压比较后，输出相应的电平，将电平输送到单片机的
声音检测是通过驻极体传声器把声音信号转换成电信号P3.3口进行处理。 （极小），电信号经过放大器放大，再经过
P3.4口。 电压比较器进行比较，得到相应的电平，将电平输送到单片机的
热释电红外检测人体技术是红外探头（热释电红外传感器）捕捉人体产生的红外光谱，再将红外
信号转变为电信号，电信号输入到BISS0001的第一级放大器的同相输入端，经过BISS0001处理后，将相应的电平由Vo口输送到单片机的P3.5口。
单片机将得到所有信号进行处理，如果P3.3口为低电平，且P3.4口为低电平或P3.2口为高电平，那么单片机使P3.6口输出低电平，因此照明LED灯点亮。
关键词：单片机，声控，光控，照明控制
I
教学楼声光控电子开关的设计与实现
摘要
本设计主要是通过AT89C51单片机延时技术、光检测技术、声音检测技术和热释电红外检测人体技术控制白光LED灯的亮灭来实现声光控电子开关的设计。
光信号检测是通过光敏电阻检测光照强度来改变自身的阻值来控制光敏电阻所分担的电压多少来实现光控制。如果光敏电阻处在强光（白天）下，光敏电阻的阻值很小，电压比较器的同相输入端有较大的电压输入，通过电压比较器比较后，输出相应的电平，将电平输送到电片机进行处理；如果光敏电阻处在弱光（黑暗）下，光敏电阻的阻值很大，电压比较器的同相输入端有很小的电压输入，通过电压比较后，输出相应的电平，将电平输送到单片机的
声音检测是通过驻极体传声器把声音信号转换成电信号P3.3口进行处理。 （极小），电信号经过放大器放大，再经过
P3.4口。 电压比较器进行比较，得到相应的电平，将电平输送到单片机的
热释电红外检测人体技术是红外探头（热释电红外传感器）捕捉人体产生的红外光谱，再将红外
信号转变为电信号，电信号输入到BISS0001的第一级放大器的同相输入端，经过BISS0001处理后，将相应的电平由Vo口输送到单片机的P3.5口。
单片机将得到所有信号进行处理，如果P3.3口为低电平，且P3.4口为低电平或P3.2口为高电平，那么单片机使P3.6口输出低电平，因此照明LED灯点亮。
关键词：单片机，声控，光控，照明控制
I
目 录
1 绪 论 ................................................................................................................................................................ 1
2 硬件电路设计 .................................................................................................................................................. 2
2.1 单片机最小系统模块电路设计 ........................................................................................................... 2
2.1.1 AT89C51功能介绍 .................................................................................................................... 3
2.1.2 AT89C51管脚功能说明 ............................................................................................................ 3
2.1.3 单片机时钟电路设计 ................................................................................................................ 5
2.1.4 单片机复位电路设计 ................................................................................................................ 6
2.2 声控模块电路设计 ............................................................................................................................... 6
2.3 光控模块电路设计 ............................................................................................................................... 8
2.4 人体检测模块电路设计 ....................................................................................................................... 9
2.5 设计成果 ............................................................................................................................................. 12
3 系统软件设计 ................................................................................................................................................ 19
3.1 单片机最小系统软件设计 ................................................................................................................. 20
3.2 光控模块软件设计 ............................................................................................................................. 21
3.3 声音控制模块软件设计 ..................................................................................................................... 22
3.4 人体检测模块软件设计 ..................................................................................................................... 23
4 结论 ................................................................................................................................................................ 25
谢辞 .................................................................................................................................................................... 26
参考文献 ............................................................................................................................................................ 27
III
1 绪 论
随着新技术的不断开发与应用，单片机发展迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、视频、石油等各个行业。它所给人带来的方便也是不可否定的并且带动了数字电路技术的进一步发展，在这样的背景下，声光控智能灯应运而生，它既满足了人们对单片机及数字电路技术研究的需求，也符合了照明灯在人类生活中扮演重要角色的条件。
用数字电路技术及单片机实现灯的自动点亮、节能节电、延长灯的寿命变得越来越重要，而且贴近实际生活。声光控电路已成为人们日常生活中必不可少的必需品，它不需要开关，当有人经过时会自动点亮；广泛应用于走廊、教学楼楼道等公共场所，给人们的生活带来极大的方便。因此，得到了广泛的应用。声光控电路时声音和光控制电路工作的电子开关。该电路有电源电路、声控电路、光控电路、红外检测电路和延时控制开关电路等组成，它不仅广泛使用于楼梯间、过道库房等场合，而且节能省电，使用方便。
以前，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，及增大了维修量、
控智能灯在使用中的节能作用是非常明显的。以浪费了资金，又容易造成事故隐患。声光40W灯具使用普通开关连续点亮6小时为例，耗电应为0.04KW/H即0.24度电；如果以40W的声光控智能灯，按照6小时内点亮100次，每次20秒钟计算，耗电量为 0.04KW/H即0.022度电，二者的耗电量相比为10倍之多。由于声光控智能灯的巨大经济效益及其智能化和安全性，智能控制已被人们广泛研究并加以利用。
声光控智能灯的核心部分是控制系统，单片机控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的声光控智能开关控制来讲，总体发展水平仍然不高，同其他先进国家相比，仍然有着较大的差距。随着科学技术日益迅速的发展和现代工业技术的需要，智能控制已经深入到生活各个方面，声光控智能开关也不断的改进和提高。它具有控制效果好，经济效益高，方便使用等许多优点。
智能开关与传统的手动照明灯相比，更具有节约能源，控制准确等优势。 声光控
本设计运用了光敏电阻，驻极体话筒和单片机最小系统及电源电路及照明电路构成的声光控智能开关电路。主要有声控电路、光控电路、控制电路、电源电路及照明电路等部分组成。在白天该灯始终处于关闭状态，一到晚上，在黑暗中，该灯只要收到一个猝发的声音（足够触发开关）或红外检测器检测到人体，灯就自动点亮，而后延时一段时间（10S）又会自动熄灭，可以达到一个节电的目的，具有结
构简单、自耗电少、性能稳定、灵敏度高、通用性强的特点。
1
2 硬件电路设计
本设计的硬件系统由单片机最小系统来控制声音强度检测模块、
测人体模块来实现各个功能，如图2-1所示。 光照强度检测模块、热释电红外检
图2-1 系统结构框图
(1) 声音强度检测模块：驻极体传声器检测是否有声音输入，如果有声音，声音通过驻极体传声器转换成电信号，将电信号经过放大器放大，输入到电压比较器的同相输入端，电压比较器的输出端接在单片机P3.4端口，电压比较器将同相输入端的电压和反相输入端的电压比较，当反相输入端的电位高于同相输入端时，LM393则输出一低电平；而当同相输入端的电位高于反相输入端的电位时，LM393将会输出一高电平；单片机通过检测P3.4是否有信号输入，以达到声音控制的效果。
(2) 光照强度检测模块：光敏电阻检测光照强度，如果光敏电阻处在强光下，光敏电阻的阻值很小，电压比较器的同相输入端有较大的电压输入，将得到的相应的电信号输送到单片机进行处理；如果光敏电阻处在黑暗中，光敏电阻的阻值很大，电压比较器的同相输入端有很小电压输入，电压比较器经过比较输出相应的电信号到单片机的P3.3口；单片机通过检测P3.3口的信号输入，以达到光控制的效果。
(3) 人体检测模块：人体红外感应模块电路主要有人体红外传感器、菲涅尔透镜、专用芯片BISS0001组成。当有人出现在探头的探测区，传感器便能探测到红外信号转换成电信号，并把信号输送到
BISS0001的第一级放大器的同相输入端，经过BISS0001的内部处理，由Vo输出相应的电平，单片机再根据相应的电平是否该开启器件设备。热释电红外探头通过检测人体是否存在、移动，以达到人体检测的效果。
2.1 单片机最小系统模块电路设计
本系统的主体是由AT89C51单片机、时钟电路与复位电路组成的单片机最小系统。通过最小系统与各个模块相连接，从而达到控制各个模块完成相应功能的目的，AT89C51单片机相当于人的大脑，充当了非常重要的作用。
2
2 硬件电路设计
本设计的硬件系统由单片机最小系统来控制声音强度检测模块、
测人体模块来实现各个功能，如图2-1所示。 光照强度检测模块、热释电红外检
图2-1 系统结构框图
(1) 声音强度检测模块：驻极体传声器检测是否有声音输入，如果有声音，声音通过驻极体传声器转换成电信号，将电信号经过放大器放大，输入到电压比较器的同相输入端，电压比较器的输出端接在单片机P3.4端口，电压比较器将同相输入端的电压和反相输入端的电压比较，当反相输入端的电位高于同相输入端时，LM393则输出一低电平；而当同相输入端的电位高于反相输入端的电位时，LM393将会输出一高电平；单片机通过检测P3.4是否有信号输入，以达到声音控制的效果。
(2) 光照强度检测模块：光敏电阻检测光照强度，如果光敏电阻处在强光下，光敏电阻的阻值很小，电压比较器的同相输入端有较大的电压输入，将得到的相应的电信号输送到单片机进行处理；如果光敏电阻处在黑暗中，光敏电阻的阻值很大，电压比较器的同相输入端有很小电压输入，电压比较器经过比较输出相应的电信号到单片机的P3.3口；单片机通过检测P3.3口的信号输入，以达到光控制的效果。
(3) 人体检测模块：人体红外感应模块电路主要有人体红外传感器、菲涅尔透镜、专用芯片BISS0001组成。当有人出现在探头的探测区，传感器便能探测到红外信号转换成电信号，并把信号输送到
BISS0001的第一级放大器的同相输入端，经过BISS0001的内部处理，由Vo输出相应的电平，单片机再根据相应的电平是否该开启器件设备。热释电红外探头通过检测人体是否存在、移动，以达到人体检测的效果。
2.1 单片机最小系统模块电路设计
本系统的主体是由AT89C51单片机、时钟电路与复位电路组成的单片机最小系统。通过最小系统与各个模块相连接，从而达到控制各个模块完成相应功能的目的，AT89C51单片机相当于人的大脑，充当了非常重要的作用。
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在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
(3) P1口 ：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。P1口管脚写入“1”后，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流。在FLASH编程和校验时，P1口作为低8位地址接收。
(4) P2口：P2口为一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉到高电平，且作为输入。并因此作为输入口使用时，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，
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。
(5) P3口：P3口管脚是一组带有内部上拉电阻的 P2口输出其特殊功能寄存器的8位双向I/O口，P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉电阻拉高可作为输入端口。作为输入端时，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口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表2-1所示：
表2-1 P3口功能
端口引脚
P3.0
P3.1
P3.2
P3.4
P3.5
P3.6
P3.7
第二功能 RXD（串行输入口） TXD（串行输出口） INT0（外部中断0） T0（计时器0外部输入) T1（计时器1外部输入） WR（外部数据存储器写选通） RD（外部数据存储器读选通）
(6) RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
(7) ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低
4
8位字节。在
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
(3) P1口 ：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。P1口管脚写入“1”后，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流。在FLASH编程和校验时，P1口作为低8位地址接收。
(4) P2口：P2口为一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉到高电平，且作为输入。并因此作为输入口使用时，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，
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。
(5) P3口：P3口管脚是一组带有内部上拉电阻的 P2口输出其特殊功能寄存器的8位双向I/O口，P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉电阻拉高可作为输入端口。作为输入端时，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口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表2-1所示：
表2-1 P3口功能
端口引脚
P3.0
P3.1
P3.2
P3.4
P3.5
P3.6
P3.7
第二功能 RXD（串行输入口） TXD（串行输出口） INT0（外部中断0） T0（计时器0外部输入) T1（计时器1外部输入） WR（外部数据存储器写选通） RD（外部数据存储器读选通）
(6) RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
(7) ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低
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8位字节。在
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
(3) P1口 ：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。P1口管脚写入“1”后，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流。在FLASH编程和校验时，P1口作为低8位地址接收。
(4) P2口：P2口为一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉到高电平，且作为输入。并因此作为输入口使用时，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，
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。
(5) P3口：P3口管脚是一组带有内部上拉电阻的 P2口输出其特殊功能寄存器的8位双向I/O口，P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉电阻拉高可作为输入端口。作为输入端时，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口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表2-1所示：
表2-1 P3口功能
端口引脚
P3.0
P3.1
P3.2
P3.4
P3.5
P3.6
P3.7
第二功能 RXD（串行输入口） TXD（串行输出口） INT0（外部中断0） T0（计时器0外部输入) T1（计时器1外部输入） WR（外部数据存储器写选通） RD（外部数据存储器读选通）
(6) RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
(7) ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低
4
8位字节。在
图2-5 驻极体传声器机构图及实物图
根据极体传声器MK1的原理及由三极管、电容、电阻及电压比较器等组成的声控电路，如图
所示。其中LM393为电压比较器，当反相输入端的电位高于同相输入端时，
而当同相输入端的电位高于反相输入端的电位时，2-6LM393则输出一低电平；LM393将会输出一高电平。在此电路中可以通过改变变阻器的阻值来改变反相输入端的电压，从而改变对声音强度检测的灵敏度，以满足不同场所或人群的需要。为用驻极体话筒将得到与声音信号对应的电压值。若有声音时则会输出一电压值，由于传声器转换的电压值非常小，所以必须将该电压经过三极管放大电路进行放大，放大后的电压经过电压比较器LM393输入到单片机的P3.4口，R6为可变电阻，通过调节其阻值使电压比较器的输出电压发生变化，起到了调节声音灵敏度的作用。
图2-6 声控电路
7
2.3 光控模块电路设计
光敏电阻是利用半导体的光电效应制成的一种电阻岁入射光的强弱而改变的电阻器；
阻减小，入射光弱，电阻增大。本实验选用入射光强，电MG45型光敏电阻，如图2-7所示。在黑暗条件下，光敏电阻可达1兆欧至10兆欧，在强光条件下（100LX）下，阻值仅有几百至数千欧。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）|ìm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。
光控电路在光照强时电路不工作，所以单片机首先对光照进行检测，此处使用到光敏电阻
电压比较器LM393、变阻器R1等元件进行检测，如图
功能是;当有光照时，光敏电阻的阻值下降，这时的阻值仅有几百至数千欧姆，
个较大的电压输入，经过LM393比较后，输出相应的电平。当光线不足或没有光线时，其阻值可以达到兆欧级以上，此时相当于电路处于短路状态，
过LM393比较后，输出一个低电平。
2-7 光敏电阻的实物图 2-8所示。Q1为光敏电阻，光敏电阻器实现的LM393LM393同乡输入端基本上没有电压（很小）输入，经图2-8 光控电路 8 MG45、 图同相输入端有一
2.3 光控模块电路设计
光敏电阻是利用半导体的光电效应制成的一种电阻岁入射光的强弱而改变的电阻器；
阻减小，入射光弱，电阻增大。本实验选用入射光强，电MG45型光敏电阻，如图2-7所示。在黑暗条件下，光敏电阻可达1兆欧至10兆欧，在强光条件下（100LX）下，阻值仅有几百至数千欧。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）|ìm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。
光控电路在光照强时电路不工作，所以单片机首先对光照进行检测，此处使用到光敏电阻
电压比较器LM393、变阻器R1等元件进行检测，如图
功能是;当有光照时，光敏电阻的阻值下降，这时的阻值仅有几百至数千欧姆，
个较大的电压输入，经过LM393比较后，输出相应的电平。当光线不足或没有光线时，其阻值可以达到兆欧级以上，此时相当于电路处于短路状态，
过LM393比较后，输出一个低电平。
2-7 光敏电阻的实物图 2-8所示。Q1为光敏电阻，光敏电阻器实现的LM393LM393同乡输入端基本上没有电压（很小）输入，经图2-8 光控电路 8 MG45、 图同相输入端有一
BISS0001的工作原理：BISS0001的内部框图，如图2-10所示。运算放大器OP1将热释电红外传感器的输出信号作第一级放大，然后由C3耦合给运算放大器OP2进行第二级放大，再经由电压比较器COP1和COP2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号Vs去启动延迟时间定时器。
由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱（通常仅有1mV左右），而且是一个变化的信号，同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式（脉冲电压为
释红外传感器输出的电压信号通过运算放大器0.1～10Hz左右），所以应对热COP1和OP1和OP2进行二级放大。再经由电压比较器
COP2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号Vs去启动延迟时间定时器。输出信号Vo接单片机以便检测，当有人时便输出5V高电平，当人离开之后延时一段时间后便复位为
控制。电路设计让芯片处于可重复触发状态以便适合教室的实际情况。0V以便主控制电路的重复触发其工作过程：可重复触发工作方式下在Vc=“1”、A=“1”时，Vs可重复触发Vo为有效状态，并可促使Vo在Tx周期内一直保持有效状态。在Tx时间内，只要Vs发生上跳变，则将从Vs上跳变时刻起继续延长—个Tx周期；若Vs保持为“1”状态，则Vo一直保持有效状态；若Vs保持为“0”状态，则在Tx周期结束后Vo恢复为无效状态，并且，同样在封锁时间Ti时间内，任何Vs的变化都不能触发Vo为有效状态。
图2-10 BISS0001的内部框图
被动式热释电红外探头的工作原理：人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。人体发射的10UM左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，
测处理后就能产生报警信号。热释电红外检测人体电路如图2-11所示。 向外释放电荷，后续电路经检
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