声光控彩灯设计

毕业论文（设计）

题目声光控彩灯设计

院系电子信息学院

专业电子科学与技术年级 2008级

声光控彩灯设计

【摘要】本设计是采集外界的声、光物理信号转换成声、光的电信号，以AT89C52单片机控制技术为核心，实现LED彩灯的智能控制。设计由声光控制开关延时电路和单片机控制双色彩灯两大模块组成。通过传感器采集物理信号并加以处理成电信号，并经过RC 延时电路传送给单片机，根据单片机的程序去控制LED彩灯，最终实现LED彩灯循环功能，使得设计智能化，具有较好的移植性。

【关键词】声光控单片机智能控制

Sound and light-controlled Lantern Design

【Abstract】This design is collecting external sound and light of physical signal to transform into sound and light of electrical signal, it’s based on AT89C52 MCU control technology as the core, to achieve LED lights of intelligent control.The design by the sound and light control switch delay circuit and a single chip of microcomputer controlled double color lights of two big modules .Through the sensor collects physical signal and processes it into electrical signals, through RC delay circuit is transmitted to the chip, it’s based on MCU to control LED lights, LED lights realize circular function, which makes the design of intelligent and has good portability.

【Keywords】Sound and light control MCU Intelligent control

目录

绪论 (1)

1 设计要求 (2)

2 方案的论证和选定 (2)

3 声、光控制延时电路 (3)

3.1 声、光控制单元电路的设计 (4)

3.1.1 声电转换电路 (4)

3.1.2 声信号检测电路 (5)

3.1.3 光电检测电路 (6)

3.1.4 检测电路 (7)

3.1.5 延时电路 (8)

3.2 声、光控开关延时电路的总体硬件设计和分析 (9)

4 彩灯循环电路 (10)

4.1 彩灯循环电路单元电路的分析和设计 (10)

4.1.1 时钟电路 (11)

4.1.2 复位电路 (12)

4.1.3 单片机最小系统 (12)

4.1.4 彩灯电路的设计 (13)

4.2 双色循环彩灯电路的总体设计硬件图 (14)

4.3 彩灯循环程序流程图 (15)

4.4彩灯循环总程序 (16)

5 总体电路的设计及仿真 (18)

结论 (19)

参考文献 (20)

致谢 (21)

附录1 (22)

绪论

电子技术随着经济的高速发展而提高，其中的自动控制技术的应用越来越广泛。自动控制技术让电子设备具备智能性、简单化、优越化，给人们带来很大的便利，具有广阔的发展前景和商业前景。

声光控灯技术的应用场所主要在照明行业里，这是一个比较成熟的技术，在国内外在公共楼道和商业中主要使用该技术，在一般照明市场中大规模普及。目前，根据国内外市场需求预测，我国经济高速稳定的发展，我国照明电器行业的高速增长期还将继续。进一步提高照明产品的质量和性能及其科学性，就国内市场需求而言，人们生活水平逐步提高，对产品的科技性的要求也越来越高，对照明电器产品提出更高的科学性要求。国家新的照明标准已完成制订工作，即将批准执行，新标准基本与国际接轨，同时对不同场合的照明提高了质的要求。而且现在国内外的设计者追求的是节能、绿色环保和使用方便的特性，这既是当前摆在我们面前的重大课题，同时也是全行业共同努力的长期目标。

我国的声光控开关技术被广泛应用已经有较长一段时间，声光控延时开关包括声学、光学和延时技术为一体组成的自动照明开关，被广泛用于社会公共场所的照明，比如楼道、厂房、厕所、洗漱室和建筑走廊等公共场所，只有在无光有声的条件下，开关闭合，使灯被点亮。这样杜绝了灯常开浪费资源，也避免了人们在黑暗的环境中寻找开关的不便，这样给人们的生活带来很大的便利。拥有科学性和人性化的特点，是现代极为理想的智能照明开关追求的目标。

声光控灯设计是通过传感器把声音信号和光信号转换成电信号，该电信号经过RC延时电路。将获得持续一段时间稳定的高电平电信号，该电信号去触发单片机系统，然后通过单片机来实现LED彩灯循环发的功能。

声光控灯设计有高效节能，绿色环保，控制简单方便等优点，因此应用越来越普遍，声光控的应用领域广泛。达到了节能和环保的目的，又给人们带来了很多的好处和便利。

本次设计采用了模块化的设计方法进行设计，是基于声光控开关和单片机系统两个模块。由声、光控控制延时开关和单片机控制彩灯循环电路系统构成。该系统具有在有光有声、有光无声、无光无声的情况下都不亮，只有在无光有声的情况下才会循环亮灯的特点。此设计是一个实用的智能自动控制系统。

1 设计要求

本系统要求设计声光控彩灯系统，包括声光控延时模块和单片机控制彩灯循环模块。通过外部电源供电，声光传感器采集信号并转换为电信号，延时传送给单片机8个红的LED 和8个绿LED循环。声、光控制能自动检测外界的声光条件，设计按下列要求：当在有光无声时，彩灯LED不亮

当在有光有声时，彩灯LED不亮

当在无光无声时，彩灯LED不亮

当在无光有声时，彩灯LED循环点亮

红绿彩灯LED的循环方式：单红LED右移单红LED左移单绿LED右

移单绿LED左移

2 方案的论证和选定

整个声光控彩灯系统设计的设计分为声、光控制延时电路和单片机控制双色彩灯循环电路两部分电路构成。其构成如下图2-1。

声、光控制延时电路单片机控双色彩灯循环电路

图2-1系统设计模块

声光控双色彩灯循环彩灯的实现，首先采集声光的信号，然后声信号到电信号的转换和光信号到电信号的转换，只有将其转换成电信号后，通过单片机系统就可以实现智能控制双色彩灯循环电路。为了实现整个功能，可以采用如下两个方案：

方案1：①声光控制延时电路模块需要通过传感器将声信号和光信号转换成电信号。用驻极体话筒作为声音传感器，它将采集到的声信号转换成电信号。这电信号去触发一个常开型的继电器使其闭合，这将使光电转换电路导通，光敏二极管接收到光信号，输出高电平，此时电路处于导通状态。

②在控制彩灯循环电路中，是以计数器和译码器为核心控制器件。用555器件构成频率振荡器，为电路提供时钟，计数器选用CC4516芯片，它是16位进制加减计数器，通过端口的设置，并采用CC4514器件译码器进行译码，最终输出高电平使电路彩灯被点亮。

方案2：①声、光控制延时电路中，在满足无光有声的条件下，通过驻极体话筒和光敏二极管分别将声、光信号装换成电信号。这两个电信号同时通过转换电路，输出高电平，最后经过延时电路，输出60秒稳定的高电平。

②彩灯循环电路是以单片机系统为核心。单片机选用89C52，它是8位的。得到声光控制延时电路的电信号的触发，单片机得到信号后开始工作，采用软硬件结合模式，通过程序来控制彩灯循环方式。

比较上述两个方案：在声、光控延时电路中，方案1对工作条件的判断是先检测是否有声音，若有声音后输出的高电平驱动继电器闭合，然后让光检测电路构成回路，光检测电路只有在无光时才输出高电平从而实现声、光控；在方案2中，声、光控工作条件采用门电路判断，相比方案1更容易得到一个稳定的高电平利于驱动彩灯循环电路，且工作原理清晰，其工作稳定；

对于彩灯循环电路，在方案1中CC4516的加计数方式和减计数方式通过一个引脚就可以控制。方案2中以单片机系统去控制彩灯循环，不用芯片译码，就可以直接驱动彩灯电路。相比方案1电路设计更简单，控制方便，稳定性高，容易实现。

结合以上分析最终选择方案2，采用单片机实现彩灯的循环更简单，利于设计彩灯循环，容易实现，电路简单，最终决定选用方案2。方案2的实现框图2-2如下。

图2-2 声、光控制彩灯循环电路的实现框图

3 声、光控制延时电路

在声光控制电路中，电信号才能使用，而声光物理信号在电路的有些电子元器件是不能识别的，因此先将声光的物理信号通过传感器转换为电信号。该电路是一个智能开关，当在有声音有光、无声音有光、无声音无光时，开关是打开的，这时相当于输出低电平。只有当在有声音无光时，开关才闭合，这时相当于输出高电平，这就实现了智能开关的作用。

由于外界发出的声信号是短暂的，触发电信号也在较短时间内将消失，为了让电路在接收到声音信号后依然能一段时间内继续工作，必须在电路中增加一个延时电路，这样就可以让彩灯循环电路在一段时间范围内实现预期的工作效果。

3.1 声、光控制单元电路的设计

为了实现声光控开关延时电路，可以按照实现流程分为声电转换电路、声信号检测电路、光电转换电路、检测电路、延时电路五个主要电路实现。当在有声音有光、无声音有光、无声音无光时，在输出端singal为低电平，在无光有声时，在输出端singal为高电平。

3.1.1 声电转换电路

通过声传感器将声音信号转换成电信号，驻极体话筒就是其中常见的一种，本设计采用DGO9767CD型号的驻极体话筒，工作电压在1.5V到10V之间，工作电流为0.1到1mA。如图3-1。驻极体话筒体积小，频率范围广，高保真，价格低廉，应用非常广泛。驻极体薄膜上分布有自由电荷。当外界声波通过小孔进入器件，引起驻极体薄膜上下振动而产生位移时；改变了电容两极版之间的距离D，因而引起电容的容量大小改变，由于驻极体上的电荷数保持恒定[1]，根据公式：

Q =CU(3.1) 所以当C变化时必然引起电容器两端电压U的变化，从而输出电信号，它的原理如下图3-2。

图3-1 驻极体话筒的外观图3-2 驻极体话筒结构图驻极体话筒与用3kΩ电阻R串联分压式的连接方式组成电路，如下图3-3所示。当外界没有声信号时，驻极体话筒MIC不会产电信号，因此A点不会有一个交流的电信号。而当外界产生声信号后，外界声波引起驻极体薄膜上下振动而产生位，改变了电容两极板之间的距离D，因而引起电容的容量大小改变，由于驻极体上的总电荷保持不变，根据公式3.1，只有电压U发生改变，这样A点就会接受到一个交流的电信号。

图.3-3 驻极体话筒应用电路

3.1.2 声信号检测电路

实现声信号的检测，使用的主要器件是NPN型三极管。其结构如图3-4所示。本电路采用9011型号三极管。

图3-4 三极管类型和结构

在该电路中采用NPN三极管的共射极电路中，图3-5，当三极管处于饱和状态条件下，外界无声音时，驻极体话筒不能采集到声信号，声电转换电路就没有交流电信号，用电容C隔断声控电路的直流的电信号，此时R C e的电阻很小，R C的电压约为VCC的电压，因此三极管的集电极C端口输出低电平。

当三级管处于截止状态条件下，外界有声音时，驻极体话筒采集到声信号后，声电转换电路会产生一个交流的电信号，该交流电信号通过电容C，电容C相当于短路，此时R C e 的电阻很大，远大于R c，U ce的电压约为VCC的电压，因此在三极管的集电极C端口输出高电平。

选择合适的偏置电阻大小，使三极管工作在截止区和饱和区，这是非常重要的。三极管工作在这两个区域的临界条件是CE BE V V =,

在三极管当中有 B C I I β= (3.2)

（3.3）

B C R R β= （3.4）

9011为放大系数100≈β，这样三极管就能较敏感的拾采集到声信号[2]

。

取R b =47k Ω，R c =470Ω，得出I b ≈100uA ，能让三极管工作在声截止区和饱和区，这就能实现声信号检测功能。

图3-5声信号检测电路 3.1.3 光电检测电路

光传感器能够把光信号转换成电信号，本设计采用2CU2B 型号的光敏二极管，如图3-6，它是把光信号变成电信号的半导体器件，它的核心部分也是一个PN 结。 光电式传感器的工作原理：首先把被测量的变化转化成光信号的变化，然后通过光电器件变换成电信号。具有频谱宽、不易受电磁干扰的影响、高精度、高分辨率、高可靠性、反应快等优点

【3】

。

光敏二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小。当有光照时，携带能量的光子进入PN 结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子

B

BE

CC

C CC R V V V V -=-βC E R

挣脱共价键，从而产生电子--空穴对，它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大【4】。

光敏二极管作光检测电路的核心器件，与4.7KΩ电阻R串联，构成光检测电路。光电转换时需要让光敏二极管反向偏置，光检测可以按照图3-7来检测光敏二极管工作时加有反向电压，没有光照时，其反向电阻很大，只有很微弱的反向饱和电流。当有光照时，就会产生很大的反向电流，其反向电阻变小[5]。无光照时，反向电阻很大，其电压约等于VCC，B点是高电平，在有光照时，反向电阻很小，其电压很小，B点是低电平。这样就实现光信号的检测。

图3-6 光敏二极管图.3-7光敏二极管连接电路

3.1.4 检测电路

检测电路是用于判断电路是否满足工作条件，整个电路有两个条件需要判断。

声信号设为逻辑变量A，当有声信号输出为1，无声信号时输出为0；信号设为逻辑变量B，设当无光信号输出为1，有光信号输出为0；输出设为逻辑变量C，不满足工作条件为0，满足工作条件时为1。

检测结果如下：

若A=0，B=0，则C=0;

若A=1,B=0;则C=0;

若A=0,B=1,则C=0;

若A=1，B=1，则C=1;

以上整个过程的真值表如下表：

表3 ·1 ABC 的真值表

A （声）

B （光）

C （输出）

0 0 0 0 1 0 1 0 0 1

1

1

化简ABC 的真值表得：

逻辑变量C=AB=AB ；其电路图3-8如下：

图3-8检测电路

3.1.5 延时电路

在无光有声的情况，声光控延时电路获得一个电信号，该电信号不可能持续很长时间，为了保证电路在外界的声音信号消失后仍在一段时间内输出高电平电信号，需要将获取的信号延时一段时间，就需要加上一个RC 延时电路。延时电路利用电容充放电与电阻构成环路，让电容只对电阻放电。利用电容的充放电这一过程就可以实现延时[6]。当电信号断开后，加二极管可以防止电信号回流，以免影响电路。

整个延时电路延时时间取决于时间常数τ的大小，

τ=RC (3.5)

设计一个延时时间为60S 左右的电路，可以取R 1=ΩM 2.0 ，C 1=47uF 。

电信号经过延时电路后，为了让信号经过延时产生稳定的高电平且具备较强的驱动能力，常将延时后的信号经过两个反向器提高驱动能力同时起到模拟信号向数字信号转换的作用。延时电路图3-9所示。

图.3-9 延时电路

3.2 声、光控开关延时电路的总体硬件设计和分析

声、光控延时带电路是由声信号检测电路中输出端与光检测电路的输出端进行两次与非门电路得到高电平信号，然后连接一个由RC延时电路，在通过两个反相器，最终输出端singal与单片机的P1.0口连接，以控制彩灯电路工作。整个声、光控开关延时电路分为4种状态工作情况，有光无声时,在图中的A点为低电平，B点为低电平，经过两次与非门后在电路的singal端输出低电平。有光有声时，图中的A点为高电平，B点为低电平，经过两次与非门后在电路的singal端输出低电平。无光无声时，图中的A点为低电平，B 点为高电平，经过两次与非门后在电路的singal端输出低电平。在无光有声时，图中的A 点为高电平，B点为高电平，经过两次与非门后在电路的singal端输出高电平，并且是一个持续60S的时间的方波图形，仿真图3-10如下组成声光控开关延时总硬件电路，如图3-11。

图3-10仿真波形

Singal

图3-11 声、光控延时硬件电路

4 彩灯循环电路

彩灯循环电路是整个声光控环彩灯设计的第二个重要的大模块，它是由时钟电路、复位电路、单片机和LED彩灯电路构成。在外部提供5V电压，提供给单片机最小系统正常

工作。声、光控延时电路的输出端singal与单片机的P1.0口相连接。单片机系统开始控制LED彩灯循环点亮，单片机的P0口接8个红色LED彩灯，单片机的P2口接8个绿色LED 彩灯。当singal端为低电平时，即P1.0=0，彩灯不亮。当singal端为高点平时，即

P1.0=1，首先红的LED彩灯开始向右流水点亮，到达最右边的红的LED灯，向左流水点亮，到达最左边的红的LED灯，然后绿的LED彩灯开始向右流水点亮，到达最右边的绿的LED 灯，再然后向左流水点亮，后到达最左边的红的LED灯，如此循环红绿彩灯。

4.1 彩灯循环电路单元电路的分析和设计

为了实现彩灯循环电路，将其分为4个小模块。每个模块实现相应的特定功能，以单片机为控制核心，外加时钟电路、复位电路、LED彩灯电路就可以实现循环彩灯的功能。这让设计思路更加清晰，又很大程度上提高了彩灯循环系统的设计效率。整个电路用5V

电压提供，使单片机系统正常工作，它的P1.0端口与声光延时电路与当单片机得到触发

信号，使得红绿彩灯循环工作。整个彩灯循环电路的设计思路可以采用如图4-1的框图分为下列模块进行设计。

图4-1彩灯循环电路的实现框图

4.1.1 时钟电路

常见的构成时钟的电路有多种，本设计采用的是由晶振为主体构成的振荡电路，晶振的实物图4-2，时钟电路是用于产生单片机工作时所必需的时钟信号。时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准的，有条不紊地地工作。时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性，常用单片机时钟电路有两种：内部和外部时钟方式，本设计采用内部时钟方式[7]。

振荡器振荡电路是相当稳定的，如图4-3。电路中的电容C1、C2典型值为33 pF，晶体振荡器来产生时钟脉冲，两个输出端分别与单片机的XTAL1和XTAL2相连。系统中采用12MHz可以满足系统在设计时的机器周期的需要；具有频率稳定，结构简单、工作稳定等优点。

图4-2 晶振图4-3时钟电路

4.1.2 复位电路

复位电路在单片机系统中是很重要的部分，复位是单片机的初始化操作，给RESET

引脚加上2个机器周期以上的高电平信号，即可使单片机复位。89C52C的复位采用是按键电平复位方式，外加5V电压，电容为10uF，电阻R为10K，输出端与单片机的 RST相连，当按下键时,通过电容充电来复位。如图4-4。除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行出错或是操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱死锁状态，也需要按复位键重新复位[8]。

图4-4 复位电路

4.1.3 单片机最小系统

本次设计采用的是ATMEL公司的AT89C52型的单片机，如图4-5，其内部结构图4-6,它是8为的单片机。对51系列单片机来说,单片机、晶振电路和复位电路便组成了一个单片机最小系统。如图4-7，单片机是一种微控制器，通过程序编程来实现对器件的控制，达到预期的结果。当无光有声时，外界的声光的物理信号通过声光控制延时电路，使声光的物理信号转换成声光的电信号，并保持延时60s传送给单片机，单片机得到高电平触发信号，单片机系统开始工作，执行程序，使彩灯按照：单红右移单红左移单绿右移单绿左移此方式进行循环。

图4-5 单片机实物

图4-6 AT89C52内部结构

图4-7 单片机最小系统

4.1.4 彩灯电路的设计

彩灯LED采用发光二极管，分别是红、绿两种。其发光原理：当在发光二极管PN结上加正向电压时，PN结势垒降低，载流子的扩散运动大于漂移运动，致使P区的空穴注入到N区，N区的电子注入到P区，这样相互注入的空穴与电子相遇后会产生复合，复合时产生的能量大部分以光的形式出现，因此而发光。发光二极管的压降一般为1.5-2.0 V，其工作电流一般取10-20 mA为宜[9]。

彩灯LED具有单向导通性，当对晶体二极管加上正向偏置电压，则有正向电流流过LED且随正向偏置电压的增大而增大[6]。开始电流随电压变化较慢，而当正向偏压增到接

近LED的导通电压，电流明显变化。在导通后，电压变化少许，电流就会急剧变化。当加反向偏置电压时，LED处于截止状态，但不是完全没有电流，而是有很小的反向电流。该反向电流随反向偏置电压增加得很慢，但当反向偏置电压增至该LED的击穿电压时，电流剧增，二极管PN结被反向击穿[10]。二极管的伏安特性曲线如图4-8。本设计用的是共阴极，在电路中8个红LED接单片机的P0口，但须注意P0口须上拉电阻，8个绿LED接单片机的P2，如图4-9。

图4-8二极管的伏安特性曲线

图4-9 彩灯电路

4.2 双色循环彩灯电路的总体设计硬件图

在双色循环彩灯电路中，是以单片机为控制核心器件及外围电路led彩灯电路组成，由外部电源提供5V电压给单片机最小系统工作。单片机的P1.0口接收声光控延时电路的

信号，外部提供12MHz时钟频率，外接8个红LED和8个绿LED且为共阴极的LED，其全部接地，P0口连接8个红的LED，但是必须在P0口端上拉电阻，P3口端连接8个绿色的LED,当P1.0=1时，单片机的P0口和P2口按程序输出电平，使彩灯led导通被点亮，其硬件电路连接的方式如图4-10。

图4-10双色循环彩灯电路

4.3 彩灯循环程序流程图

开始开始

初始化初始化

否

判断红灯点亮

P1.0=1

是绿灯点亮

彩灯循环

图4-11主流程图图4-12彩灯循环流程图

4.4彩灯循环总程序

#include

#include

unsigned char temp，flag;

int a;

sbit flag=P1^0;

void delay() //定义延迟函数delay()；

{

int i,j;

for(i=2000;i>0;i--)

for(j=1;j<150;j++);

}

void ledcircle（）//定义彩灯循环函数；

{

temp=0x7f; //给temp赋初值

P0=temp；

while(1)

{

for(a=0;a<7;a++) //右移部分，红LED从左到右依次点亮

{

delay();

temp >>=1;

temp | = 0x80

P0=temp;

}

for(a=0;a<7;a++) //左移部分

{

delay();

temp <<=1；//红LED从右向左点亮

temp | =0x01;

P0=temp }

delay();

for(a=0;a<7;a++) //右移部分，绿LED从左到右点亮