基于单片机的照明控制系统

单片机原理及系统课程设计

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自动化与电气工程学院

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基于单片机的照明控制系统

1.设计说明

1.1设计目的

对一些照明时间较长、照明设备较多的场所(如学校教室、商场等)，其照明系统的使用浪费现象经常出现。因此，有必要在保证照明质量的前提下，实施照明节能措施。这不仅可以节约能源，而且会产生明显的经济效益。随着科学技术的发展，单片机在现代生活和工业生产中得到了广泛的应用，在公共场所照明控制手段也将逐步更新。本次将针对生活中这种照明中电能浪费的现象设计一套使用单片机控制的智能照明系统。

1.2设计任务

本次将以AT89C51单片机为核心，通过声控电路和光控电路来控制继电器的落下和吸起，间接控制灯的亮暗。本系统采用AT89C51单片机为照明电路控制中心，系统主要包括AT89C51单片机，声控电路，光控电路，继电器驱动电路。

1.3设计意义

用声光控制开关代替一般的开关，只有在光线弱，并且有声音时才能使继电器导通，使得led灯导通，否则将延迟一段时间继电器自动断开，而白天开关总是断开的。因此节电效率很高。

2.照明系统总体设计

2.1总体设计方案

系统核心AT89C51单片机，输入为声控电路和光控电路。输出为继电器驱动电路。声控电路通过话驻极体话筒将声音转化成电信号，经电容耦合到三极管的基极，通过三极管放大，在经过LM393的运放来控制电平的高低然后输送到单片机；光控电路通过光照改变光敏电阻的阻值大小，在经过LM393的运放来控制电平的高低，再输送到单片机；单片机根据声控电路、光控电路输入的信号来控制继电器的断开或者闭合，同时单片机也控制继电器的延迟时间。

因为单片机的输出的电流比较小，不能够驱动继电器的闭合断开，继电器驱动由三极管组成给单片机的输出电流进行补偿，来驱动继电器的闭合。

2.2系统组成原理

晶振电路和复位电路是单片机系统工作必不可少的。晶振电路结合单片机内部电路，产生单片机所必需的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快。复位电路实现单片机各单元值得初始化。除此之外还需要电源电路把220V交流变成单

片机及各功能电路的元件所需的电压。

驻极体话筒属于电容式话筒的一种，声电转换的关键元件是驻极体振动膜。当声波输入时，驻极体膜片随声波的强弱而振动，使电容极板间的距离发生变化，引起电容量C发生变化，因为驻极体两侧的电荷来变，因此电容两端的电压发生变化，从而实现了声电转换。由于振动引起的输出电压的变化量较小，所以要在电容的后面加一个三极管进行放大，提高话筒的灵敏度。

光敏电阻是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。常用的光敏电阻硫化镉光敏电阻，它是由半导体材料制成的。光敏电阻的阻值随入射光线（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,在强光条件下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。

电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。

2.3系统组成框图

图1 系统组成框图

系统框图如图1所示，系统主要由五大模块组成，即晶振电路、复位电路、声控电路、光控电路、继电器驱动电路。

3.系统硬件电路设计

3.1系统芯片

本系统采用AT89C51芯片

P1口：是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，作为本系统的输入口。

P3口：是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，同时具有第二功能，作为本系统的另一输出口。

RET：复位输入，当振荡器工作时，RET引脚出现两个机器周期以上高电平将单片机复位。连接复位电路。

EA/VPP：外部访问允许/内部编程电压。

XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输出端。XTAL1、XTAL2连接晶振电路。

图2 芯片

3.2电源电路

本设计使用的是5V电源的电路如图3所示

图3 电源电路

3.3晶振电路

时钟振荡器：AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反

馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路如图：

图4 时钟振荡器

外接石英晶体（或陶瓷振荡器）及电容C10、C11接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C10、C11接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C10、C11虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低，振荡器工作的稳定性，起振的难易程度及温度稳定性。

3.4光控电路

光控电路由光敏电阻，滑动变阻器，指示灯、电阻及运算放大器 LM393 组成，如下图4所示：

图5 光控电路

当光敏电阻受光照时，电阻减小，运放同向输入端为低电平；当光照较弱时，电阻增加，运放同向输入端为高电平。然后由运放输出端将信号传给单片机的I/O 口。

3.5声控电路

声控电路由麦克风，电阻、电容及NPN三极管组成，如下图5所示：

图6 声控电路

麦克风通过声音的强弱改变电容的大小将声音转换成微弱的电压信号。然后，微弱的电压信号经过NPN三极管放大电压，然后传给单片机的 I/O 口。

3.6继电器驱动电路

继电器驱动电路由继电器，指示灯、电阻、电容及PNP三极管组成。继电器由相应的PNP型号的三极管来驱动，三极管为使继电器工作，故接在继电器的控制端。由于单片机输出的是低电平信号有效，故选用PNP型三极管，当单片机输出低电平时三极管导通，电流流入继电器，使继电器工作。

图7 继电器驱动电路

3.7系统硬件连接图

见附录

4.系统软件设计

4.1软件设计原理

软件是该照明电路控制系统按要求工作的重要组成部分，故程序的正确度直接决定功能的可实现性。这里用keil编写C程序，运行后生成hex文件，将hex 文件拷入仿真单片机中，使单片机工作。

4.2软件总体设计框架

本设计主要有两个部分，一部分是声光信号的采集输入部分，另外一部分是继电器的驱动的输出部分

4.3程序设计流程图

主函数流程图

延迟函数流程图

工作函数流程图

4.4源程序

见附录

5.总结

本设计是基于单片机利用声光控制灯亮灭，通过单片机来实现开关的延时。本文从原理出发，介绍了本系统各个单元模块的电路原理和实现的功能，通过声音的采集、放大并经过迟滞比较强传送到单片机；利用光敏电阻的随光照强度增强而阻值变小的特性，并结合三极管和电流放大输送到单片机来达到光控的目的。

通过对课题的研究与操作，不仅实现了课题任务要求，实现了预期的功能，更重要的是在完成设计时，我们充分利用了proteus软件和keil软件，使我们对这两款软件有了初步的认识和学习，也使我们大体了解了模拟电路的设计流程，这将会对今后的学习大有帮助。

参考文献

[1] 王思明,张金敏，张鑫等.单片机原理及应用系统设计[M].北京:科学出版社,2012.5.

[2] 吴国义，周群，耿玉容.基于 AT89S51 单片机节能灯的设计.佳木斯大学学报(自然

科学版)，2009，27(3)：46-49

[3] 朱清慧，张凤蕊，翟天嵩等.Proteus教程——电子线路设计仿真[M].北京:清华大学出版

社,2001.6.

[4] 谭浩强著.C程序设计（第四版）.北京：清华大学出版社，2010

[5] 廖惜春.模拟电子技术基础.华中科技大学出版社，2008：10-180

[6] 卢敏，宫志中.声光控节能自动开关实习教学方法探讨.江汉石油职工大学学报，2007.

附录

附录系统硬件连接图

附录源程序

#include //调用单片机头文件

#define uint unsigned int //无符号整型宏定义变量范围0~65535 sbit GM=P1^0; //光敏

sbit shengyin=P1^4; //声音

sbit relay=P3^4; //继电器控制灯

void delay(uint x)//延时函数

{

uint i,j;

for(i=0;i

for(j=0;j<120;j++);

}

void work()//工作函数

{

static uint value,miao;

if(GM==0)//光敏（晚上）

{

delay(1);//延时20ms

if(GM==0)//确定是晚上

{ if(shengyin==0)//有声音

{

relay=0;//继电器吸合

miao = 0;

value = 0;

}

}

}

if(relay == 0) //继电器吸合计时10秒

{

value ++;

if(value >= 1000) //value为时间大于1000us

{

value = 0;

miao ++;

if(miao >= 10) //miao为10次

{

miao = 0;

relay = 1; //延迟10秒关闭继电器}

}

}

}

void main()//主函数

{

P0 = P1 = P2 = P3 = 0XFF;

while(1)//循环

{

work();//调用工作函数

delay(1); //1ms

}

}