曾 舒

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建 福州 350007）

在數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，聲光控節(jié)能燈已廣泛應(yīng)用于學(xué)校、辦公樓的走廊、路道等場(chǎng)所，極大方便了人們的生活。該文設(shè)計(jì)了一款采用單片機(jī)的節(jié)能控制燈具，在黑暗環(huán)境中利用聲音實(shí)現(xiàn)燈光的亮、熄，并按照?qǐng)鏊笤O(shè)定光照時(shí)長(zhǎng)。一方面提高了黑暗環(huán)境中行為的安全性，另一方面可達(dá)到節(jié)能減排的效果，為促進(jìn)數(shù)字技術(shù)、生態(tài)科技相互融合以及碳達(dá)峰、碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)做出微弱貢獻(xiàn)。

1 設(shè)計(jì)原理

該設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)部分，第一部分是利用光敏電阻、光信息及語(yǔ)音信號(hào)控制電路收集信息并控制光和語(yǔ)音；第二部分則是利用單片機(jī)對(duì)所采集信息進(jìn)行處理；第三部分為繼電器接收信息，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電路。實(shí)現(xiàn)聲光控制系統(tǒng)的具體流程如下：光信號(hào)控制電路利用光敏電阻接受光，聲音信號(hào)控制電路利用駐極體話筒收集語(yǔ)音，光和語(yǔ)音經(jīng)放大后傳給單片機(jī)，最后單片機(jī)將已經(jīng)處理好的信息傳給繼電器，使其驅(qū)動(dòng)電路，并控制繼電器的導(dǎo)通和斷開[1]。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源電路

該系統(tǒng)使用5 V直流電壓，并采用穩(wěn)壓二極管將220 V交流電壓轉(zhuǎn)換，其電路組成如圖1所示。

圖1 直流穩(wěn)壓電源電路圖

2.2 光控電路

光控電路系統(tǒng)由光敏電阻、滑動(dòng)變阻器、電阻、NPN三極管和LM393型運(yùn)算放大器構(gòu)成，電路組成如圖2所示[2]。

圖2 光控電路

該電路由GR1、R5、D1、R2、R和U2組成，MCU GPIO P1.0設(shè)置為高阻態(tài)做輸入檢測(cè)，R4滑動(dòng)變阻器阻值一定時(shí)，D1常亮，R2為限流保護(hù)電阻。當(dāng)環(huán)境光增強(qiáng)時(shí)，GR1的阻值變小，R5兩端分得的電壓變大，電壓比較器A端輸出口輸出電壓為高，D1熄滅，MCU檢測(cè)為高，反之為低[3]。

光敏電阻在明亮環(huán)境中阻值變小，在較暗環(huán)境中電阻增加，光控制電路的輸出信號(hào)通過(guò)電壓將微弱的電流信號(hào)放大至單片機(jī)能夠識(shí)別的程度，再經(jīng)過(guò)運(yùn)放輸出端將放大后的信號(hào)傳至單片機(jī)I/O口。

2.3 聲控電路

聲控電路圖如圖3所示。聲控集成電路可以把音頻信息轉(zhuǎn)變成微小的電壓信號(hào)。微小的電壓信號(hào)進(jìn)行兩級(jí)放大后得到成伏級(jí)電壓。電壓通過(guò)遲滯比較器轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠識(shí)別的方波信號(hào)，再經(jīng)過(guò)雙向穩(wěn)壓管變成5 V的方波后傳送到單片機(jī)的I/O口[4]。其中兩級(jí)共射單管（級(jí)是NPN管，后級(jí)是PNP管）擴(kuò)大組成了兩級(jí)放大電路，通過(guò)閾值電壓的設(shè)置來(lái)消除兩級(jí)放大的噪聲，以避免噪聲對(duì)方波信號(hào)輸出的影響，進(jìn)而減少對(duì)單片機(jī)的影響，提高對(duì)有用信號(hào)的辨識(shí)[5]。

圖3 聲控電路

該電路由D2、R1、R19、MK1、R10、R11、Q2和C4組成RC濾波，由f=1/2ΠRC可得f=159.2 Hz。MCU P1.4端口為高阻態(tài)，麥克風(fēng)無(wú)聲波采集到時(shí)，R11為上拉電阻，Q1基級(jí)為高電平導(dǎo)通狀態(tài)，LM393 B組比較器負(fù)端口為低電平，OUTB輸出端為高，D2不亮，R1為限流電阻。當(dāng)MK1采集到特定頻率聲波時(shí)，C4電容的內(nèi)部電子被抽離，電源從R11給C4沖能，Q1基級(jí)為低電平狀態(tài)，Q1屬于截止區(qū)，LM393 B組比較器負(fù)端口為高電平，正、負(fù)端電壓持平，OUTB輸出端為地，D2常亮。

2.4 單片機(jī)控制電路

單片機(jī)控制電路主要利用STC89C52單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。STC89C52單片機(jī)的主要特性包括擁有4 k字節(jié)在線編程Flash閃速存儲(chǔ)器，擦寫周期1000次；128字節(jié)內(nèi)部RAM32個(gè)可編程I/O口線，雙數(shù)據(jù)指針和看門狗（WDT），兩個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器；全雙工串行UART通道；低功耗空閑和掉電模式，中斷時(shí)可從空閑模式喚醒系統(tǒng)，同時(shí)擁有快速編程特性及掉電標(biāo)識(shí)，并且具有掉電狀態(tài)下的中斷恢復(fù)功能以及靈活的在系統(tǒng)編程?；谶@些特性，STC89C52單片機(jī)非常實(shí)用，因此選在該設(shè)計(jì)中[6]。單片機(jī)及其外圍電路如圖4所示[1]。

圖4 單片機(jī)控制電路

單片機(jī)電路工作原理：MCU用到了P1.0、P1.1、P1.4和P3.4共4個(gè)GPIO引腳，P1.0為光強(qiáng)檢測(cè)GPIO，P1.1為指示燈部分控制GPIO，P1.4為聲強(qiáng)檢測(cè)GPIO，P3.4為繼電器控制引腳GPIO。MCU電路還包括RST復(fù)位，默認(rèn)通過(guò)R3電阻下拉，上電復(fù)位一次。當(dāng)需要外部復(fù)位時(shí)，可通過(guò)按下S1按鍵上拉復(fù)位，其中C1起按鍵消抖作用，Y1、C2和C3起激活Y1晶振的作用。

2.5 繼電器驅(qū)動(dòng)電路

繼電器驅(qū)動(dòng)電路是將開關(guān)集成電路的負(fù)載改變?yōu)槔^電器開關(guān)，其電路圖如圖5所示。

圖5 繼電器驅(qū)動(dòng)電路

該電路由Q1、R6、D3、R7、K1（一對(duì)常開，一對(duì)常閉）和P2組成，由MCU的P3.4腳控制，默認(rèn)低電平，三極管處于截止區(qū)，電路無(wú)電壓電流，D3發(fā)光二極管熄滅，繼電器不工作。當(dāng)MCU輸出高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，D3發(fā)光二極管亮，繼電器常開，觸電閉合導(dǎo)通[6]。

運(yùn)算放大器與同相信號(hào)單片機(jī)相連，利用電壓跟隨器將微弱的單片機(jī)I/O口輸出電流放大，進(jìn)而增加負(fù)載能力，使電流能夠直接帶動(dòng)三極管。為了防止電流差太大而損壞三極管，所以加上限流電阻R12，利用三極管的開、關(guān)功能驅(qū)動(dòng)繼電器。繼電器的控制狀態(tài)通過(guò)電路中的LED3顯示，繼電器斷開時(shí)LED3熄滅，繼電器閉合時(shí)LED3亮起。當(dāng)開、關(guān)電源的負(fù)荷為電動(dòng)機(jī)或繼電器的感性負(fù)荷時(shí)，截?cái)嗔鬟^(guò)負(fù)載的電流會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這時(shí)產(chǎn)生的電壓非常大，當(dāng)這種電壓超過(guò)晶體管的集電極-發(fā)射極和集電極-基極間的最大額定值VCBO、VCEO時(shí)，會(huì)擊穿晶體管。因此給繼電器并聯(lián)一個(gè)二極管，將集電極的電位鉗制在VCC+0.5V左右，可避免三極管被擊穿。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括對(duì)聲光信息的采集輸入和對(duì)繼電器的驅(qū)動(dòng)輸出。該設(shè)計(jì)使用Keil Software的Keil編譯器來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)收集光信號(hào)和語(yǔ)音信號(hào)，利用光敏電阻和駐極話筒將采集來(lái)的信號(hào)轉(zhuǎn)化為可被單片機(jī)辨識(shí)的語(yǔ)音水平。如果沒有光（或光源弱）和有語(yǔ)音，單片機(jī)就控制繼電器吸合導(dǎo)通，燈亮，導(dǎo)通時(shí)間可設(shè)定為0s～99s。其他情況下單片機(jī)均不對(duì)繼電器輸出，繼電器為未吸合狀態(tài)，系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，燈不會(huì)亮。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示[7]。

圖6 程序流程圖

4 系統(tǒng)的調(diào)試

在測(cè)試階段發(fā)現(xiàn)輸出端未輸出方波，總是出現(xiàn)一條直線，經(jīng)過(guò)觀察探究，發(fā)現(xiàn)是噪聲的原因，這是由光控部分二級(jí)放大產(chǎn)生的。后在零比較器的輸出端添加電容，同時(shí)為了單片機(jī)能夠識(shí)別而增加了電壓跟隨器，利用電容把噪聲所產(chǎn)生的直流電壓全部去除。最終化繁為簡(jiǎn)，采用了將零比較器與電壓跟隨直接改為遲滯比較器的方法。

而在繼電器驅(qū)動(dòng)部分，未加負(fù)載時(shí)，單片機(jī)的輸出電壓為標(biāo)準(zhǔn)方波，在輸出端（P1.7）加了繼電器驅(qū)動(dòng)后，單片機(jī)輸出端電壓為0.63 V，不能帶動(dòng)負(fù)載。因此也通過(guò)增加電壓跟隨器的方法來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

5 結(jié)語(yǔ)

該文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的聲光控制燈，充分利用了匯編語(yǔ)言可以直接訪問(wèn)與硬件相關(guān)的I/O端口，并對(duì)關(guān)鍵代碼進(jìn)行更精確的控制，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)聲音與光控制燈的亮、滅，提高黑暗環(huán)境中活動(dòng)的安全性，達(dá)到了節(jié)能減排的效果，并助力碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。