声控双控延时电路论文.docx
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声控双控延时电路论文
学号:
基于单片机的声光控灯的设计
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摘要
当代社会提倡节能,在这里我们介绍一个声光双控延迟节能照明灯。
它可以直接取代普通照明开关而不必更改原有照明线路。
白天或光线较强的场合即使有较大的声响也控制灯泡不亮,晚上或光线较暗时遇到声响(如说话声,脚步声等)后灯自动点亮,然后经10秒(时间可以设定)自动熄灭,适用于楼梯,走廊等只需短时照明的地方。
整个电路由声控电路、延时电路、光控电路、电子开关、电源电路组成。
供电电压供电,光敏控电路对外界光亮程度进行检测,输出与亮度程度相对的电压信号。
从而实现白天灯泡不亮,晚上遇到声响时,通过声控电路使灯泡自动点亮,声控电路主要将声音信号转变为电信号,从而要实现自动控制,延时电路声音消失后延长一段光照时间。
关键词:
声光控制开关;声光技术;光电效应;声控电路
Abstract
Thecontemporarysocietyadvocatingenergy-saving,hereweintroduceadualcontroldelayenergy-savinglampssound.Itcandirectlyreplacelightingswitchwithoutchangeoriginallighting.Daytimeorstronglightsituationshavebiggersoundevennotbright,alsocontrolbulbordarknightwhennoise(suchasvoiceandsound,etc.),thentheautomaticlightback10seconds(time)canbeextinguished,applicabletothestairs,onlyshort-timelightingcorridor.Thecircuitbyvoicecircuits,delaycircuit,electriccircuit,electronicswitch,thepowercircuit.Powersupplyvoltagepowersupply,photosensitivecontrolcircuitofexternallight,outputanddegreeofrelativedegreeofvoltagesignalintensity.Soastorealizethebrightlightatnightduringthemeeting,thesound,throughthesoniccircuitmakelightbulbautomatic,televoxcircuitwillsoundsignalintoelectricalsignals,thustorealizetheautomaticcontrolcircuit,delayextendedaDuanGuangZhaovoicedisappears.
Keywords:
acousto-opticcontrolswitch,Acousto-optictechnology;
Thephotoelectriceffect;Soniccircuit
1.设计方案
本设计由四级电路组成,第一级电路用光敏电阻作为光检测模块。
第二级电路为声控电路,使用驻极体话筒作为声音传感器,有振动的时候,驻极体话筒其自身电阻会发生变化,从而两端电压发生变化,与另一电组两端电压,通过LM393电压比较器,输出高低电平,可以用来触发下一个继电器,继电器导通第四级LED工作电路,实现照明。
本设计各部分电路只需+5V电源供电,采用一个5V的直流稳压电源供电。
2.元器件选型
2.1继电器
图3-3电磁继电器内部结构图
2.1.1继电器概述
继电器是一种电控制器件。
它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)之间的互动关系。
通常应用于自动化的控制电路中,它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
电磁继电器一般由电磁铁、衔铁、弹簧片、触点等组成的,其工作电路由低压控制电路和高压工作电路两部分构成。
电磁继电器还可以实现远距离控制和自动化控制。
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(常开触点)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(常闭触点)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。
对于继电器的“常开、常闭”触点,可以这样来区分:
继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点,称为“常开触点”;处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
图3-4继电器JRC-21内部原理图
2.1.2继电器JRC-21F
本设计所用的继电器型号是JRC-21F其内部构造如图3-4
当中间两个引脚接通5v电压(两个引脚无正负)的瞬间,会听见磁铁相吸的啪嗒声,这时常开触点闭合,常闭触点断开,断电后触点归位。
JRC-21F2ADC5V的一些参数如下
2A输出电流最大值
5V控制继电器线圈的电压值
外型尺寸(L×W×H)15.5×11×11.5mm
触点负载1A,3A/125VAC,30VDC
触点接触电阻≤50mΩ
最大切换功率30W62.5VA
最大切换电压30VDC125VAC
最大切换电流3A
线圈功耗0.2W,0.36W,0.45W
线圈额定电压5VDC
吸合电压Max75%额定电压
释放电压Min10%额定电压
动作时间≤5ms
释放时间≤5ms
线圈允许最大电压VDC(max)110%额定电压
绝缘电阻1000MΩ
重量3.5g
2.2驻极体话筒
2.2.1驻极体话筒概述
驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点,广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中。
属于最常用的电容话筒。
由于输入和输出阻抗很高,所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器,为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。
声电转换的关键元件是驻极体振动膜。
它是一片极薄的塑料膜片,在其中一面蒸发上一层纯金薄膜。
然后再经过高压电场驻极后,两面分别驻有异性电荷。
膜片的蒸金面向外,与金属外壳相连通。
膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开。
这样,蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。
当驻极体膜片遇到声波振动时,引起电容两端的电场发生变化,从而产生了随声波变化而变化的交变电压。
驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小,一般为几十pF。
因而它的输出阻抗值很高(Xc=1/2~tfc),约几十兆欧以上。
这样高的阻抗是不能直接与音频放大器相匹配的。
所以在话筒内接入一只结型场效应晶体三极管来进行阻抗变换。
场效应管的特点是输入阻抗极高、噪声系数低。
普通场效应管有源极(S)、栅极(G)和漏极(D)三个极。
这里使用的是在内部源极和栅极间再复合一只二极管的专用场效应管。
接二极管的目的是在场效应管受强信号冲击时起保护作用。
场效应管的栅极接金属极板。
这样,驻极体话筒的输出线便有三根。
即源极S,一般用蓝色塑线,漏极D,一般用红色塑料线和连接金属外壳的编织屏蔽线。
2.2.2驻极体话筒与电路的接法
源极输出与漏极输出。
源极输出类似晶体三极管的射极输出。
需用三根引出线。
漏极D接电源正极。
源极S与地之间接一电阻Rs来提供源极电压,信号由源极经电容C输出。
编织线接地起屏蔽作用。
源极输出的输出阻抗小于2k,电路比较稳定,动态范围大。
但输出信号比漏极输出小。
漏极输出类似晶体三极管的共发射极放入。
只需两根引出线。
漏极D与电源正极间接一漏极电阻RD,信号由漏极D经电容C输出。
源极S与编织线一起接地。
漏极输出有电压增益,因而话筒灵敏度比源极输出时要高,但电路动态范围略小。
Rs和RD的大小要根据电源电压大小来决定。
一般可在2.2~5.1k间选用。
例如电源电压为6V时,Rs为4.7k,RD为2.2k。
若电源为正极接地时,只须将D、S对换一下,仍可成为源、漏极输出。
一声控电路前置放大级中驻极体话筒的源极输出和漏极输出的两种不同的接法,最后要说明一点,不管是源极输出或漏极输出,驻极体话筒必须提供直流电压才能工作,因为它内部装有场效应管。
2.2.3驻极体话筒极性判别
图3-5驻极体话筒内部结构
关于驻极体电容式话筒的检测方法是:
首先检查引脚有无断线情况,然后检测驻极体电容式话筒。
驻极体话筒体积小,结构简单,电声性能好,价格低廉,应用非常广泛。
驻极体话筒的内部结构如图3-5所示。
源极输出有三根引出线,漏极D接电源正极,源极S经电阻接地,再经一电容作信号输出;漏极输出有两根引出线,漏极D经一电阻接至电源正极,再经一电容作信号输出,源极S直接接地。
所以,在使用驻极体话筒之前首先要对其进行极性的判别。
在场效应管的栅极与源极之间接有一只二极管,因而可利用二极管的正反向电阻特性来判别驻极体话筒的漏极D和源极S。
将万用表拨至R×1kΩ档,黑表笔接任一极,红表笔接另一极。
再对调两表笔,比较两次测量结果,阻值较小时,黑表笔接的是源极,红表笔接的是漏极。
2.2.4驻极体话筒灵敏度检测
在收录机、电话机等电器中广泛应用的驻极体话筒,其灵敏度直接影响送话和录放效果。
这类话筒灵敏度的高低可用万用表进行简单测试。
将万用表拨至R×100档,两表笔分别接话筒两电极(注意不能错接到话筒的接地极),待万用表显示一定读数后,用嘴对准话筒轻轻吹气(吹气速度慢而均匀),边吹气边观察表针的摆动幅度。
吹气瞬间表针摆动幅度越大,话筒灵敏度就越高,送话、录音效果就越好。
若摆动幅度不大(微动)或根本不摆动,说明此话筒性能差,不宜应用。
对于三根引脚驻极体电容式话筒检测方法同上,只是黑表棒接输出引脚2脚,红表棒接引脚3脚。
2.2.5驻极体话筒工作原理
高分子极化膜上生产时就注入了一定的永久电荷(Q),由于没有放电回路,这个电荷量是不变的,在声波的作用下,极化膜随着声音震动,因此和背极的距离也跟着变化,也就是锁极化膜和背极间的电容是随声波变化。
电容上电荷的公式是Q=C×V,反之V=Q/C也是成立的。
驻极体总的电荷量是不变,当极板在声波压力下后退时,电容量减小,电容两极间的电压就会成反比的升高,反之电容量增加时电容两极间的电压就会成反比的降低。
最后再通过阻抗非常高的场效应将电容两端的电压取出来,同时进行放大,就可以得到和声音对应的电压了。
由于场效应管时有源器件,需要一定的偏置和电流才可以工作在放大状态,因此,驻极体话筒都要加一个直流偏置才能工作。
2.2.6驻极体话筒的种类规格
常用驻极体话筒的外形分机装型(即内置式)和外置型两种。
机装型驻极体话筒适合于在各种电子设备内部安装使用。
常见的机装型驻极体话筒形状多为圆柱形,其直径有φ6mm、φ9.7mm、φ10mm、φ10.5mm、φ11.5mm、φ12mm、φ13mm……多种规格;引脚电极数分两端式和三端式两种,引脚形式有可直接在电路板上插焊的直插式、带软屏蔽电线的引线式和不带引线的焊脚式3种。
如按体积大小分类,有普通型和微型两种,微型驻极体话筒已被广泛应用于各种微型录音机、微型数码摄像机、手机等电子产品中。
图2-2声控电路
当有声音振动时,驻极体话筒电阻发生变化。
本设计采用的驻极体话筒灵敏度较小,且是从别人做的板子上拆下来的二手货,其性能较差,所以必须用力吹,其电阻才能发生较大变化。
驻极体话筒电阻的变化,使其两端电压发生变化。
电压的变化较大时,与比较器LM393的另一端的输入电压相比变为较大或者变为较小时,LM393输出由高电平变为低电平,红色LED指示灯被点亮。
指示有电平的变化。
LM393的另一输入端的电压变化是由一滑动变阻器实现,通过调节滑动变阻器电阻值的大小,实现输入电阻值的大小的变化,根据驻极体话筒阻值的变化范围来调节滑动变阻器。
3.1单片机STC89C51介绍
STC89C51是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的STC89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
3.1.1、单片机STC89C51特性
STC89C51具有如下特点:
4kBytesFlash片内程序存储器,
256bytes的随机存取数据存储器(RAM),
32个外部双向输入/输出(I/O)口,
5个中断优先级2层中断嵌套中断,
2个16位可编程定时计数器,
2个全双工串行通信口,
STC89C51主要功能特性:
·兼容MCS-51指令系统
·8k可反复擦写(>1000次)ISPFlashROM
·32个双向I/O口
·4.5-5.5V工作电压
·3个16位可编程定时/计数器
·时钟频率0-33MHz
·全双工UART串行中断口线
·256x8bit内部RAM
·2个外部中断源
·低功耗空闲和省电模式
·中断唤醒省电模式
·3级加密位
·看门狗(WDT)电路
·软件设置空闲和省电功能
·灵活的ISP字节和分页编程
·双数据寄存器指针
3.2单片机结构功能
STC89C51主要功能都是从引脚输入输出表现的。
图3-1引脚排列图
STC89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有4K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得STC89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
3.2.1管脚说明:
VCC:
电源
GND:
地
P0口:
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时,P0口也用来接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节。
程序校验时,需要外部上拉电阻。
P1口:
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
P2口:
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时,P2口送出高八位地址。
在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址(访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口:
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
P3口亦作为STC89C51特殊功能(第二功能)使用,如下表所示。
在flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。
STC89C51引脚号第二功能
P3.0RXD(串行输入)
P3.1TXD(串行输出)
P3.2INT0(外部中断0)
P3.3INT0(外部中断0)
P3.4T0(定时器0外部输入)
P3.5T1(定时器1外部输入)
P3.6WR(外部数据存储器写选通)
P3.7RD(外部数据存储器写选通)
RST:
复位输入。
晶振工作时,RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。
看门狗计时完成后,RST脚输出96个晶振周期的高电平,复位高电平有效。
ALE/PROG:
地址锁存控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时,锁存低8位地址的输出脉冲。
在flash编程时,此引脚(PROG)也用作编程输入脉冲。
在一般情况下,ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲,可用来作为外部定时器或时钟使用。
然而,特别强调,在每次访问外部数据存储器时,ALE脉冲将会跳过。
如果需要,通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”,ALE操作将无效。
这一位置“1”,ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。
否则,ALE将被微弱拉高。
这个ALE使能标志位(地址为8EH的SFR的第0位)的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。
PSEN:
外部程序存储器选通信号(PSEN)是外部程序存储器选通信号。
当STC89C51从外部程序存储器执行外部代码时,PSEN在每个机器周期被激活两次,而在访问外部数据存储器时,PSEN将不被激活。
EA/VPP:
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令,EA必须接GND。
为了执行内部程序指令,EA应该接VCC。
在flash编程期间,EA也接收12伏VPP电压。
XTAL1:
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
3.3晶振
晶振一般叫做晶体谐振器,是一种机电器件,是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。
这种晶体有一个很重要的特性,如果给他通电,他就会产生机械振荡,反之,如果给他机械力,他又会产生电,这种特性叫机电效应。
他们有一个很重要的特点,其振荡频率与他们的形状,材料,切割方向等密切相关。
由于石英晶体化学性能非常稳定,热膨胀系数非常小,其振荡频率也非常稳定,由于控制几何尺寸可以做到很精密,因此,其谐振频率也很准确。
根据石英晶体的机电效应,我们可以把它等效为一个电磁振荡回路,即谐振回路。
他们的机电效应是机-电-机-电....的不断转换,由电感和电容组成的谐振回路是电场-磁场的不断转换。
在电路中的应用实际上是把它当作一个高Q值的电磁谐振回路。
由于石英晶体的损耗非常小,即Q值非常高,做振荡器用时,可以产生非常稳定的振荡,作滤波器用,可以获得非常稳定和陡削的带通或带阻曲线。
如图:
图3-2晶振电路
上图是我们在该设计中所用到的12HZ的晶振电路图,在单片机中是不可缺少的一部分。
晶振是石英振荡器的简称,英文名为Crystal,它是时钟电路中最重要的部件。
电容大小没有固定值.一般二三十p,振是给单片机提供工作信号脉冲的,这个脉冲就是单片机的工作速度,比如12M晶振,单片机工作速度就是每秒12M,和电脑的CPU概念一样。
当然,单片机的工作频率是有范围的,不能太大,一般24M就不上去了,不然不稳定。
接地的话数字电路弄的来乱一点也无所谓,看板子上有没有模拟电路,接地方式也是不固定的。
一般串联式接地,从小信号到大信号依次接,然后小信号连到电源处,有变压器就连到变压器旁。
数模地分开,分别拉到电源处,不可形成回路。
这个是因为晶振与单片机的脚XTAL0和脚XTAL1构成的振荡电路中会产生偕波(也就是不希望存在的其他频率的波),这个波对电路的影响不大,但会降低电路的时钟振荡器的稳定性。
为了电路的稳定性起见,ATMEL公司只是建议在晶振的两引脚处接入两个10pf-50pf的瓷片电容接地来削减偕波对电路的稳定性的影响,所以晶振所配的电容在10pf-50pf之间都可以的,没有什么计算公式。
但是主流是接入两个33pf的瓷片电容。
3.3.1晶振作用
晶振是石英振荡器,它的作用是向显卡、网卡、主板等配件的各部分提供基准频率,它就像个标尺,工作频率不稳定会造成相关设备工作频率不稳定,自然容易出现问题。
由于制造工艺不断提高,现在晶振的频率偏差、温度稳定性、老化率、密封性等重要技术指标都很好,已不容易出现故障,但在选用时仍可留意一下晶振的质量。
3.3.2晶振原理
微控制器的时钟源可以分为两类:
基于机械谐振器件的时钟源,如晶振、陶瓷谐振槽路;RC(电阻、电容)振荡器。
一种是皮尔斯振荡器配置,适用于晶振和陶瓷谐振槽路。
另一种为简单的分立RC振荡器。
基于晶振与陶瓷谐振槽路的振荡器通常能提供非常高的初始精度和较低的温度系数。
RC振荡器能够快速启动,成本也比较低,但通常在整个温度和工作电源电压范围内精度较差,会在标称输出频率的5%至50%范围内变化。
但其性能受环境条件和电路元件选择的影响。
需认真对待振荡器电路的元件选择和线路板布局。
在使用时,陶瓷谐振槽路和相应的负载电容必须根据特定的逻辑系列进行优化。
具有高Q值的晶振对放大器的选择并不敏感,但在过驱动时很容易产生频率漂移(甚至可能损坏)。
影响振荡器工作的环境因素有:
电磁干扰(EMI)、机械震动与冲击、湿度和温度。
这些因素会增大输出频率的变化,增加不稳定性,并且在有些情况下,还会造成振荡器停振。
上述大部分问题都可以通过使用振荡器模块避免。
这些模块自带振荡器、提供低阻方波输出,并且能够在一定条件下保证运行。
最常用的两种类型是晶振模块和集成RC振荡器(硅振荡器)。
晶振模块提供与分立晶振相同的精度。
硅振荡器的精度要比分立RC振荡器高,多数情况下能够提供与陶瓷谐振槽路相当的精度。
选择振荡器时还需要考虑功耗。
分立振荡器的功耗主要由反馈放大器的电源电流以及电路内部的电容值所决定。
CMOS放大器功耗与工作频率成正比,可以表示为功率耗散电容值。
比如,HC04反相器门电路的功率耗散电容值是90pF。
在4MHz、5V电源下工作时,相当于1.8mA的电源电流。
再加上20pF的晶振负载电容,整个电源电流为2.2mA。
陶瓷谐振槽路一般具有较大的负载电容,相应地也需要更多的电流。
相比之下,晶振模块一般需要电源电流为10mA~60mA。
硅振荡器的电源电流取决于其类型与功能,范围可以从低频(固定)器件的几个微安到可编程器件的几个毫安。
一种低功率的硅振荡器,如MAX7375,工作在4MHz时只需不到2mA的电流。
在特定的应用场合优化时钟源需要综合考虑以下一些因素:
精度、成本、功耗以及环境需求。
3.3.3晶振类种
1、无源晶体——无源晶体需要用DSP片内的振荡器,在datasheet上有建议的连接方法。
无源晶体没有电压的问题,信号电平是可变的,也就是说是根
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