智能led照明控制系统设计说明书.docx

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智能led照明控制系统设计说明书

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目录

1.引言………………………………………………………………………………2

2.方案论证…………………………………………………………………………3

2.1方案一………………………………………………………………………4

2.2方案二………………………………………………………………………5

2.3各方案的比较6

3.各电路设计和论证6

3.1电源电路的方案设计与论证6

3.2信号采集部分电路的设计和论证7

3.3单片机部分电路的设计和论证11

3.4输出部分电路的设计和论证14

4.软件设计15

4.1程序流程15

4.1.1系统主程序流程图15

4.1.2传感器子程序流程图16

4.2程序17

4.2.1主程序17

4.2.2定时器中断子程序18

4.2.3数据处理程序19

4.2.4ADC0809连续对2个通道采样程序19

5．软硬件系统的调试19

5.1硬件调试19

5.2软件调试20

6．附录21

7．参考文献22

高亮度LED楼道照明灯电路的设计

摘要：

本系统以单片机80C51为核心部件，利用光线度检测技术、光电传感器接收技术并配合一套独特的软件算法实现了路灯自动开关、声光控制电路等功能。

在系统设计过程中，联系实际路灯状况，力求硬件线路简单，元件价格经济，充分发挥软件编程方便灵活的特点，来满足系统设计要求。

关键词：

单片机、光明二极管、话筒、A/D转换器、传感器。

1．引言

随着电子技术的迅猛发展，单片机技术已渗透到航天、国防、工业。

农业、日常生活等各个领域，成为当今世界科技现代化不可缺少的重要工具和强有力武器。

用单片机研制的各个智能化测量控制仪表周期短、成本低，在一起、仪表与机电一体化产品的设计中具有明显的优势。

这次用单片机设计制作一个走廊路灯控制系统。

光控电路有着广泛的应用。

比如城市中的路灯或楼道照明等一般都是由人工操作的,如果采用光控电路,根据光线的强弱来自动开启和关闭照明灯,做到无人自动控制,可以减轻工人的劳动强度,有效的节约能源。

但光控电路有其缺陷,就是夜晚无光线的时候,照明灯将一直工作着,这样会造成资源的浪费,也会缩短照明灯的寿命。

这时若在光控电路的基础上添加一个声控电路,使得照明电路在无光线的时候,只受声音的控制,当有脚步声或其它较强声响的时候,照明电路自动工作。

当声音消失的时候,照明灯自动熄灭,这就需要在光控电路和声控电路联合工作的条件下添加一个延时电路,使照明灯点亮后,延时一定时间后自动熄灭。

以上电路的设计非常简单，是通过RC震荡来完成电路的延时作用，它没有经过单片机的控制，所以电路完成的功能有限而且也不是非常稳定，所以我们把单片机加入走廊路灯控制电路能使得电路更加的完美和稳定。

如果在此电路基础上加入ADC0809转换器就可以拓展单片机的作用，使得电路的功能得到进一步的提升，达到本课题的设计要求。

使用这种照明电路,人们就不必在黑暗中摸索开关,也不必再担心点长明灯费电和损坏灯泡了。

夜间只要有脚步声或其它较强的声响时,灯便自动点亮,延时一定时间后自动熄灭。

特别适用自动控制路灯照明以及走廊和楼道等处的短时照明。

声光控灯在市场上是很常见的，我们生活中也有很多单位用着这种灯，在楼道上，在门厅口，以及在各种人员流动不太频繁也不太稀少的地方，其原理是：

利用声音与光来共同控制灯的明灭，当白天时（光线比较强烈时）即便有再强的声音，灯也不会亮，而当夜晚时（光线达到临界状态时）声控装置才会真正的被启动年，而这时，就是这种“声光控灯”大显身手的时候。

即，当有声音响动的时候，灯才会亮起来，如果是人们活动，则有很强的适应性与活动性，当没人活动的时候，也不会造成无端的能源浪费。

如果与普通的手动灯比较，当人在黑暗中的时候，很难找到开关的位置，乱找不一定能找到，甚至有时候会伤害到自己的人身安全（在黑暗中找不到方向，乱撞很可能会撞上对人体有害的东西，比如被硬物绊倒被摔伤，碰到尖锐的东西被割伤等），而对于声光控灯来说，人们只需要造出某种声音，比如拍手，大喊一声等，就可以启动声光控控制灯，从而办完自己想办的事情（要延长灯的亮着的时间得要在适当的时刻发出声音即延续）。

2方案论证

本次毕业设计课题为智能led照明控制系统，本人提供两种设计方案如下：

2.1方案一

运用单片机，定时通过单片机的内部定时器来完成。

2.1.方案一电路的工作原理

声光控照明电路还需要加上一个延时电路，才能使照明灯在夜晚工作了一定时间后自动熄灭，否则，照明灯将会是长明灯，这样将造成资源的浪费，也大大缩短了照明灯的寿命。

声光控延时开关的电路原理图见图1所示。

电路中的主要元器件是使用了数字集成电路cd4011，其内部含有4个独立的与非门vd1～vd4，使电路结构简单，工作可靠性高。

图1声光控延时开关的电路原理图

为了使声光控开关在白天开关断开，即灯不亮，由光敏电阻rg等元件组成光控电路，r5和rg组成串联分压电路，夜晚环境无光时，光敏电阻的阻值很大，rg两端的电压高，即为高电平间t=2πr8c3，改变r8或c3的值，可改变延时时间，满足不同目的。

vd3和vd4构成两级整形电路，将方波信号进行整形。

当c3充电到一定电平时，信号经与非门vd3、vd4后输出为高电平，使单向可控硅导通，电子开关闭合；c3充满电后只向r8放电，当放电到一定电平时，经与非门vd3、vd4输出为低电平，使单向可控硅截止，电子开关断开，完成一次完整的电子开关由开到关的过程。

二极管vd1～vd4将交流220v进行桥式整流，变成脉动直流电，又经r1降压，c2滤波后即为电路的直流电源，为bm、vt、ic等供电。

用声光控延时开关代替住宅小区的楼道上的开关，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。

声光控延时开关不仅适用于住宅区的楼道，而且也适用于工厂、办公楼、教学楼等公共场所，它具有体积小、外形美观、应用广泛、工作可靠等优点。

2.1.1.单片机控制部分电路

单片机控制模块：

单片机选用我们常用的AT89C51。

无论是信号采集还是信号输出都要经过单片机的出来。

另外定时也是通过单片机的定时来做，这样可以减少外部元器件的数量。

2.1.2.信号采集部分电路的设计

判断外界光线采用光敏电阻，利用集成运放LM324将电阻输出的电压转换成TTL电平以供单片机处理。

检测外界声音的使用微型话筒，信号处理方法和光敏电阻出来的信号处理方法类似，并且下文有详细的介绍，在这里就不多作介绍。

系统组成框图如图2所示：

图2信号采集部分电路系统组成框图

光敏电阻接在P1.0上，话筒接在P1.1上，继电器接在P1.2上，蜂鸣器接在P1.3上。

房单片机运行时，单片机会不停的扫描P1.0和P1.1口上的逻辑状态。

当发现这两个IO口发生改变时，立即使判断是光敏电阻发生的信号，还是话筒的信号。

发送在P1.2或者P1.3IO口上输出控制信号区控制继电器动作或者控制蜂鸣器蜂鸣。

如果是要打开路灯，那么单片机的内部定时器就开始工作每当定时时间到了以后就会立即关闭路灯。

这就是方案二的工作过程。

2.2方案二

用A/D转换器ADC0809，由单片机去判断外界的环境。

2.2.1方案二

方案二的组成框图如图3所示

方案二的主体电路和方案一类似，但是方案二中比方案一多了一个AD转换器ADC0809，光敏二极管或者话筒输出的信号不是直接输入到单片机，而是经过ADC0809转换成数字信号，然后再输入到单片机。

方案二中单片机收到的是经过简单判断的光线或者声音信号了，这种工作状态单片机永远只知道两种状态。

而方案二单片机可以具体的知道外界光线的强弱或者外界的声音大小。

这样方案二在处理输入信号上更具有优势。

同时由于加入ADC0809转换器，可以对输入的光线信号和声音信号从模拟量到数字量的转换，这样可以具体的判断出外界的环境情况，可以知道外界光线的具体强度大小和外界具体声音的强弱，这样使得走廊路灯具有功能更加强大的只能控制，开灯外界光线的强度和关灯外界光线的强度有一个差值，同样开灯外界声音的大小和关灯外界声音的大小也具有一个差值，具有降低误差的功能。

2.3两个方案比较

在这两个方案中方案一运用了单片机，定时通过单片机的内部定时器来完成，电路有了逻辑分析的能力，由于该方案前面的输入只有0和1两种状态所以该电路在处理光线或者声音在临界状态不断变化的情况会遇到比较大的麻烦，所以设计出方案二，方案二是用ADC0809可以由单片机去判断外界的环境是什么样子的，方案一处理不了的情况。

所以放弃了方案一而选择了方案二。

3各电路设计和论证

下面详细对本次毕业设计所考虑的方案进行初步的论证和简要的分析。

3.1电源电路的方案设计与论证

由于但路中需要12V和5V两种电压，所以分别采用三端稳压器7812和7805输出者两种电压，7812的输入端电压有市电220VAC变换而来。

电路图如下：

图4电源电路原理图

电源部分使用220V到15V的交流电压然后经过全桥滤波。

为了防止电路因为意外情况导致电路电流过大，我们使用额定电流为500mA的保险丝来防止电路出现短路的情况。

做到更加安全。

电源变压器选用额定电压15v，功率容量2W变压器，输出电压经桥式整流电路整流后电压是：

U=1.2*UO

该处电压虽然已经是直流但仍有较大波动，加装两只10000UF电容后将会获得平滑稳定的直流电压，此时电压为：

U=1.4UO

值得一提的是，为了进一步滤除电路中可能存在的高频干扰分量，还要在主滤波电容上并联两只104p磁片电容，将干扰尽可能旁路到地。

之后将21V电压送给三端稳压器7812输出一个12V的电压，供给继电器使用。

12V的电压经过滤波在经过7805输出一个5V的电压给单片机部分电路供电。

5V的电压时12V经过7805线性稳压器得到的，为单片机部分电路供电。

3.2信号采集部分电路的设计和论证

信号采集部分电路包括光信号采集和声音信号采集两个部分

光信号采集部分电路：

光信号采集部分电路由光敏电阻和信号处理电路组成，有图5可以知道光敏电阻的信号从光敏电阻和电阻R3之间输出，然后输入集成运放的2脚。

集成运放LM324组成的是一个加法电路，光敏电阻的输出信号和由可调电阻R4，R3输出信号相加。

经过该部分的电路处理光线亮度信号将被处理成0-5V的电压，输入到ADC0809，转换成数字信号，最后送入单片机进行处理。

图5光信号采集部分电路

声音信号部分电路：

由于话筒必须和一个10K的电阻串联接到5V的电压才能有信号的输出，所以话筒的信号输出电路的形式如图6所示。

由于输入信号有很大的直流部分，所以必须使用一个隔离电容C6将直流成分隔离掉，然后送入到三极管Q3,Q4进行信号的初步放大。

下面的处理电路和光线信号的处理电路相同，最终也是输出一个0-5V的电压，最后送入到单片机进行处理。

图6声音信号部分电路

A/D转换工作原理：

A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。

模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。

但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。

A/D转换后，输出的数字信号可以有8位、10位、12位和16位等。

A/D转换器的工作原理

主要介绍以下三种方法：

逐次逼近法、双积分法、电压频率转换法。

在集成电路器件中普遍采用逐次逼近型，现简要介绍下逐次逼近型A/D转换的基本工作原理。

逐次逼近法

逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。

采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成，如图3.2.3.1所示。

基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。

逐次逼近法转换过程是：

初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为Ｖo，与送入比较器的待转换的模拟量Ｖi进行比较，若Ｖo<Ｖi，该位1被保留，否则被清除。

然后再置逐次逼近寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送D/A转换器，输出的Ｖo再与Ｖi比较，若Ｖo<Ｖi，该位1被保留，否则被清除。

重复此过程，直至逼近寄存器最低位。

转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。

逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行的。

ADC0809简介:

1．主要特性：

8路8位A／D转换器，即分辨率8位；具有转换起停控制端；转换时间为100μs；单个＋5V电源供电；模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准；工作温度范围为-40～＋85摄氏度；低功耗，约15mW。

图7ADC0809内部结构

2．模拟信号输入IN0～IN7：

IN0-IN7为八路模拟电压输入线，加在模拟开关上，工作时采用时分割的方式，轮流进行A/D转换。

3．地址输入和控制线：

地址输入和控制线共4条，其中ADDA、ADDB和ADDC为地址输入线，用于选择IN0-IN7上哪一路模拟电压送给比较器进行A/D转换。

ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。

当ALE线为高电平时，ADDA、ADDB和ADDC三条地址线上地址信号得以锁存，经译码器控制八路模拟开关通路工作。

4．数字量输出及控制线（11条）：

START为“启动脉冲”输入线，上升沿清零，下降沿启动ADC0809工作。

EOC为转换结束输出线，该线高电平表示AD转换已结束，数字量已锁入“三态输出锁存器”。

D0-D7为数字量输出线，D7为最高位。

ENABLE为“输出允许”线，高电平时能使D0-D7引脚上输出转换后的数字量。

5．电源线及其他（5条）：

CLOCK为时钟输入线，用于为ADC0809提供逐次比较所需，一般为640kHz时钟脉冲。

Vcc为+5V电源输入线，GND为地线。

+VREF和-VREF为参考电压输入线，用于给电阻网络供给标准电压。

+VREF常和VDD相连，-VREF常接地。

ADC0809芯片性能特点:

是一个逐次逼近型的A/D转换器,外部供给基准电压;单通道转换时间116us；分辨率为8位,带有三态输出锁存器,转换结束时,可由CPU打开三态门,读出8位的转换结果;有8个模拟量的输入端,可引入8路待转换的模拟量。

ADC0809的数据输出结构是内部有可控的三态缓冲器,所以它的数字量输出信号线可以与系统的数据总线直接相连。

内部的三态缓冲器由OE控制,当OE为高电平时,三态缓冲器打开,将转换结果送出;当OE为低电平时,三态缓冲器处于阻断状态,内部数据对外部的数据总线没有影响。

因此,在实际应用中,如果转换结束,要读取转换结果,则只要在OE引脚上加一个正脉冲,ADC0809就会将转换结果送到数据总线上。

在本系统中ADC0809在电路中的连接如下图所示，在模拟量之前加入滤波电路是为了使采集数据更加准确，对于模拟输入通道，还需要采用一些消除干扰的措施，这点将在下一小节提到ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。

它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。

6．ADC0809的内部逻辑结构

由下图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。

多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。

三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

图8ADC0809的内部逻辑结构

7．ADC0809引脚结构

ADC0809各脚功能如下：

D7-D0：

8位数字量输出引脚。

IN0-IN7：

8位模拟量输入引脚。

VCC：

+5V工作电压。

GND：

地。

REF（+）：

参考电压正端。

REF（-）：

参考电压负端。

START：

A/D转换启动信号输入端。

ALE：

地址锁存允许信号输入端。

（以上两种信号用于启动A/D转换）.

EOC：

转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。

OE：

输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。

CLK：

时钟信号输入端（一般为500KHz）。

A、B、C：

地址输入线。

8．外部特性（引脚功能）

　　ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图13．23所示。

下面说明各引脚功能。

　　IN0～IN7：

8路模拟量输入端。

　　2-1～2-8：

8位数字量输出端。

　　ADDA、ADDB、ADDC：

3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路

ALE：

地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

　　START：

A／D转换启动信号，输入，高电平有效。

　　EOC：

A／D转换结束信号，输出，当A／D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

　　OE：

数据输出允许信号，输入，高电平有效。

当A／D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

　　CLK：

时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHZ。

　　REF（+）、REF（-）：

基准电压。

　　Vcc：

电源，单一＋5V。

　　GND：

地。

9．ADC0809的工作过程是：

首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。

此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。

START上升沿将逐次逼近寄存器复位。

下降沿启动A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。

直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。

当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。

ADC0809对输入模拟量要求：

信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。

在本课题设计中ADC0809的通道选择是通过A7、A8、A9来选择的，A7、A8、A9与通道选择关系为：

A7

A8

A9

IN0

0

0

0

IN1

0

0

1

IN2

0

1

0

IN3

0

1

1

IN4

1

0

0

IN5

1

0

1

IN6

1

1

0

IN7

1

1

1

光信号从IN0输入，声音信号从IN1输入，所以光信号的A/D转换地址70FFH，声音信号A/D转换地址71FFH。

ADC0809的转换结束引脚EOC引脚接在单片机的IN0引脚上。

所以这也就意味着既可以采用中断方式也可以使用查询方式对ADC0809转换好的数据进行读取操作。

采用中断方式可以节约大量的时间，这样大大减轻了单片机的工作负担。

3.3单片机部分电路的设计和论证

单片机部分使用的是AT89C51，我们对此款单片机非常熟悉，所以使用起来也相对熟练一些。

下面是AT89C51的简介：

AT89C51单片机内部包含部件概括如下：

一个8位CPU，一个片内振荡器及时钟电路，ROM程序储存器，RAM数据储存器，两个16位定时器/计数器，可寻址64K外部数据存储空间和64K外部程序存储的控制电路，32条可编程的I/O总线（四个8为并行I/O端口），一个可编程全双工串行口，具有5个中断、2个优先级的中断结构。

AT89C51用CHMOS工艺制造的单片机都采用双列直插式（DIP）40脚封装，端子信号完全相同。

这40根端子大致可分为：

电源（Vcc、Vss、Vpp、Vpd）、时钟（XTAL1、XTAL2）、I/O口（P0-P3）、地址总线（P0口、P2口）和控制总线（ALE、RST、/PROG、/PSEN、/EA）等几部分。

它们的功能简述如下：

1．电源：

Vcc（端子号40），芯片电源，接+5V；Vss（端子号20），电源接地端。

2．时钟：

XTAL1（端子号18）、XTAL2（端子）分别是内部振荡电路反相放大器的输入端、输出端，是外接晶振的端子。

3．控制总线：

ALE（端子号30）用来把地址的低字节锁存到外部锁存器；/psen（端子号29）外部程序存储器读选通信号；RST（端子号9）复位信号输入端；/EA为内部程序存储器和外部程序存储器的选择端；

4．I/O线：

P0口（端子号32-39）单片机的双向数据总线和低8位地址总线；P1口（端子号1-8）双向输入/输出口，用来驱动4个LSTTL负载;P2口（端子号21-28）双向输入/输出口，在访问存储器时，用作高8位地址总线；P3口（端子号10-17）双向输入输出口能驱动4个LSTTL负载。

P3口的每一个端子还有其他的功能。

P3.0——RXD：

串行口输入端；

P3.1——TXD：

串行口输出端；

P3.2——/INT0：

外部中断0中断请求输入端：

P3.3——/INT1：

外部中断1中断请求输入端：

P3.4——T0：

定时器/计数器0外部输入端;

P3.5——T1：

定时器/计数器1外部输入端;

P3.6——/WR：

外部数据存储器写选通信号；

P3.7——/RD：

外部数据存储器读选通信号；

5．时钟电力：

AT89C51内有一个高增益发相反放大器，其频率范围为1.2MHz—12MHz，XTAL1和XTAL2分别为放大器的输入端和输出端时钟电路可以有内部方式或外部外部方式。

在本设计中系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。

AT89单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。

引脚XTAL1和XTAL2分别是此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晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。

外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。

对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。

因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为22μF。

在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。

为了及提高单片机的运行速度，又能最大程度的保证单片机的运行速度，所以AT89C51的晶振使用12MHz。

由此我们可以计算出AT89C51在该晶振下的时钟周期、机器周期和指令周期的计算方法如下：

1．指令周期

CPU执行一条指令所用的时间称为指令周期。

一个指令周期由1~4个机器周期组成。

2．机器周期

CPU执行一个基本操作所用的时间称为机器周期，一个机器周期由6状态S1~S6组成，每个状态由2时钟脉冲组成，前一个脉冲叫相位P1，后一个脉冲叫相位P2，因此，一个机器周期由12个时钟脉冲S1P1,S1P2……S6P1,S6P2组成。

3．时钟周期

时钟脉冲周期T为计算机系统主频f的倒数，即：

t=1/f。

若系统主频为12MHz，则T=1/12us。

在80C51指令系统中，指令长度为1~3个字节。

在单字节和双字节的指令中，除了乘法和除法指令为4周期外，都是单周期或双周期的。

三字节指令都是双周期的。

若系统主频为12M，则单周期指令执行的时间为12T=12*1/12=1us。

双周期指令执行时间为24T=24*1/12=2us。

6．复位电路：

复位是由外部的复位电路来实现