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基于51单片机STC89C52/STC89C51、AT89C52/AT89C51、AT89S52/AT89S51的声光控灯设计方案

来源： 21ic

2021-11-16

类别：LED应用

拍明

原标题：基于51单片机STC89C52/51、AT89C52/51、AT89S52/51的声光控灯设计方案

基于51单片机的声光控灯设计方案

声光控灯是一种广泛应用于公共场所（如楼道、地下停车场）和家庭中的智能照明系统，其核心功能是在环境光线较暗且有声音触发时自动点亮灯光，并在预设时间后自动熄灭，从而实现节能和便利。本设计方案将详细阐述基于51系列单片机（STC89C52/STC89C51、AT89C52/AT89C51、AT89S52/AT89S51）的声光控灯系统，涵盖系统硬件构成、软件设计思路、关键元器件选型及理由等。

1. 引言与系统概述

随着科技的进步和人们对节能环保意识的提高，传统的开关控制照明方式已经不能满足现代生活的需求。声光控灯作为一种智能化的照明解决方案，能够根据环境亮度和声音信号自动控制灯光，有效避免了白天开灯、无人时开灯的浪费现象，极大地提升了能源利用效率，并为用户提供了便捷的使用体验。本方案旨在设计一个稳定可靠、成本效益高、易于实现和维护的声光控灯系统。该系统以经典的51系列单片机为核心控制器，结合光敏传感器、声音传感器、电源模块、继电器控制模块等，实现对灯光的智能控制。选择51系列单片机的原因在于其广泛的应用基础、丰富的开发资源、成熟的工具链以及相对较低的成本，非常适合作为入门级智能控制系统的核心。

2. 系统功能与工作原理

本声光控灯系统主要具备以下功能：

光线检测功能： 通过光敏传感器实时检测环境光照强度。当环境光线低于预设阈值时，系统进入待机或准备触发状态。
声音检测功能： 通过声音传感器（如驻极体麦克风及其放大电路）检测环境中的声音信号。当环境光线满足条件且有声音信号（如脚步声、拍手声等）达到预设阈值时，系统被触发。
延时照明功能： 当光线和声音条件均满足时，系统控制灯光点亮，并开始计时。灯光将持续点亮一段预设时间（例如，30秒、60秒等），时间结束后自动熄灭。
可调参数： 系统应具备一定的参数可调性，如光照阈值、声音灵敏度、延时时长等，以适应不同的应用场景和用户需求。
手动/自动模式切换（可选）： 为增加灵活性，可考虑增加手动常亮/常灭和自动声光控模式的切换功能。

系统的工作原理可以概括为：白天光线充足时，即使有声音，灯也不会亮，避免不必要的照明。夜间或光线昏暗时，光敏电阻的阻值变大，经过比较器判断为暗。此时，如果有人发出声音（如脚步声），声音传感器将声音信号转换为电信号，经过放大和整形后送入单片机。单片机接收到光暗和声音触发信号后，控制继电器闭合，使灯泡得电发光。同时，单片机启动定时器进行延时。当延时时间到达或无持续声音触发时，单片机控制继电器断开，灯泡熄灭。整个过程形成一个闭环控制，实现了智能化的照明管理。

3. 硬件系统设计

整个声光控灯系统的硬件部分主要由以下几个模块构成：核心控制模块、电源模块、光线检测模块、声音检测模块、继电器控制模块和灯光负载。

3.1 核心控制模块：51系列单片机

优选元器件型号： STC89C52RC/STC89C51RC 或 AT89S52/AT89S51
元器件作用： 作为整个系统的“大脑”，负责接收光线传感器和声音传感器的数据，进行数据处理、逻辑判断，并根据判断结果控制继电器模块，实现对灯光的智能控制。同时，它还负责实现延时定时功能。
选择理由：

STC89C52RC/STC89C51RC： 这两款是宏晶科技生产的增强型51单片机，具有更高的运行速度（可达1T指令周期）、更大的Flash存储空间（STC89C52RC为8KB，STC89C51RC为4KB）、更多的I/O口以及内置看门狗、掉电检测等功能。其最大的优点是支持串口ISP（In-System Programming）下载程序，无需专用编程器，使用USB转TTL串口线即可方便地进行程序烧录，极大地降低了开发难度和成本。对于需要快速迭代和调试的项目，STC系列是非常理想的选择。其RC后缀表示增强型，性能更优。
AT89S52/AT89S51： 这是Atmel（现已被Microchip收购）生产的兼容Intel 80C51指令集的单片机。它们同样具有8KB（AT89S52）或4KB（AT89S51）的Flash存储空间，支持ISP下载（但通常需要专用的ISP编程器，如并口或USB口编程器）。AT89S系列在稳定性和兼容性方面表现优秀，是传统51开发者的常用选择。

元器件功能：

CPU： 执行程序指令，进行数据运算和逻辑判断。
Flash存储器： 存储用户编写的程序代码。
RAM： 用于存储程序运行时的临时数据、堆栈等。
I/O端口： 提供与外部电路（如传感器、继电器、LED指示灯等）的接口，进行数据输入输出。STC89C52/AT89S52通常有32个I/O口（P0-P3口）。
定时器/计数器： 用于实现精确的时间延时和计数功能。本设计中主要用于延时照明功能和可能的按键消抖。
中断系统： 响应外部事件（如声音触发、按键按下）或内部事件（如定时器溢出），暂停当前程序执行，转而执行中断服务程序，提高系统的实时响应能力。
串口（UART）： 可用于与上位机通信进行调试，或在更复杂的系统中与其他模块进行数据交换。STC单片机通过串口进行ISP下载。

3.2 电源模块

优选元器件型号： LM7805（三端稳压芯片）、MBR20100CT（肖特基二极管或整流桥如MBR25100CT）、1000uF/25V电解电容、0.1uF/50V瓷片电容。
元器件作用： 将外部输入的交流市电（220V AC）或直流电源（如12V DC适配器）转换为单片机及其他低压模块所需的稳定直流5V电源。
选择理由：

LM7805： 是一款非常常用且稳定的正5V三端稳压芯片。它能够将较高电压（如7V-35V）的直流输入稳定输出为5V，最大输出电流可达1.5A，完全满足本设计中单片机及传感器模块的供电需求。其使用简单，外围电路少，成本低廉，非常适合这种小型电子系统。
MBR20100CT 或 MBR25100CT： 如果使用交流市电供电，需要使用整流桥将交流转换为脉动直流。肖特基二极管或整流桥具有更低的压降和更快的恢复速度，可以提高电源效率。MBR系列是常见的整流桥型号，能够处理较高的电流和电压。如果采用DC适配器供电，则可省略整流桥部分。
电解电容（1000uF/25V）： 用于电源滤波，滤除交流纹波，平滑脉动直流，提供稳定的直流电压。容量选择1000uF足够应对单片机和传感器、继电器吸合的瞬间电流需求，电压选择25V是为了留有足够的安全裕量（高于整流后的峰值电压）。
瓷片电容（0.1uF/50V）： 通常并联在稳压芯片的输入和输出端附近，用于高频去耦，滤除电源中的高频噪声，防止其干扰单片机的正常工作，提高电源的稳定性。

3.3 光线检测模块

优选元器件型号： 光敏电阻（GL55系列，如GL5528或GL5537）、LM393（电压比较器）、10kΩ~100kΩ可调电阻、10kΩ固定电阻。
元器件作用： 实时检测环境光照强度，并将光照强度转换为电信号，供单片机判断。
选择理由：

光敏电阻（GL55系列）： 是一种廉价、常用且灵敏的光敏元件。其电阻值随光照强度的增加而减小。GL55系列具有不同的亮电阻和暗电阻范围，可以根据实际需求选择合适的型号。例如，GL5528在亮处电阻较小，暗处电阻较大，能够提供明显的电阻变化，便于后续电路识别。它的响应速度快，可靠性高，非常适合作为环境光检测元件。
LM393： 是一款双电压比较器，内部包含两个独立的比较器。在本设计中，我们可以利用其中一个比较器将光敏电阻分压电路的模拟信号转换为数字信号。其优点是功耗低、响应速度快、输入失调电压小，能够提供稳定的比较输出。通过LM393，可以将光照强度转换为高电平或低电平的数字信号，直接送入单片机的I/O口，省去了A/D转换的复杂性，简化了硬件和软件设计。
可调电阻： 用于设置光线检测的阈值。通过调整可调电阻的阻值，可以改变比较器参考电压的大小，从而决定在何种光照强度下系统判断为“暗”。这使得系统可以适应不同的安装环境和用户对光照灵敏度的要求。
固定电阻： 与光敏电阻串联构成光敏分压电路，将光照强度的变化转换为电压变化。

3.4 声音检测模块

优选元器件型号： 驻极体麦克风（Electret Condenser Microphone）、LM358（双运算放大器）、1N4148（快速开关二极管）、22kΩ、100kΩ、1kΩ等电阻，0.1uF、10uF等电容。
元器件作用： 捕捉环境中的声音信号，并将其转换为可供单片机识别的数字信号。
选择理由：

驻极体麦克风： 是一种成本低廉、体积小巧、灵敏度高的声音传感器。它能够将声压变化转换为微小的电压变化，是声音检测的首选元件。它需要一个偏置电阻和去耦电容来正常工作。
LM358： 是一款双路运算放大器。本设计中主要利用LM358构建多级放大电路，对麦克风输出的微弱声音信号进行放大，使其达到足以触发后续比较器或单片机输入端的电压水平。LM358的特点是供电电压范围宽、功耗低，且是双运放，可以方便地实现两级放大。第一级常用于共射极或共集电极放大，提高信号幅度；第二级可用于增益调整或滤波。
1N4148： 快速开关二极管，可用于对放大后的声音信号进行整流，将其转换为单向脉冲信号，便于后续的滤波和比较。
电阻与电容： 配合LM358构成放大电路的反馈网络、偏置电路和滤波电路。例如，电阻用于设置放大倍数，电容用于耦合、去耦和滤波，去除高频或低频噪声，使声音信号更加纯净，便于单片机识别。通过调整电阻值，可以改变声音检测的灵敏度。

3.5 继电器控制模块

优选元器件型号： SRD-05VDC-SL-C（5V单路继电器）、ULN2003（达林顿管阵列）、1N4007（续流二极管）、1kΩ限流电阻。
元器件作用： 作为单片机与高压灯泡之间的接口，实现单片机对灯光负载的通断控制。继电器通过小电流控制大电流，隔离了单片机的低压电路与市电高压电路，确保系统安全。
选择理由：

SRD-05VDC-SL-C： 是一款常见的5V线圈电压的单刀双掷（SPDT）继电器。其线圈吸合电压为5V，可以直接由单片机驱动（通过驱动芯片），触点电流容量通常可达10A/250VAC，足以驱动普通的照明灯泡。选择5V线圈是为了与单片机的供电电压兼容。其成本低廉，可靠性高。
ULN2003： 是一款高压大电流达林顿晶体管阵列，包含七个独立的达林顿晶体管对。单片机I/O口的驱动能力有限（通常几十毫安），不足以直接驱动继电器线圈（通常需要几十到上百毫安的电流）。ULN2003可以将单片机输出的弱电流信号放大，提供足够的电流驱动继电器线圈吸合。它内部集成了续流二极管，简化了外围电路设计，且具有很好的驱动能力和保护功能。
1N4007： 虽然ULN2003内部集成了续流二极管，但在某些情况下，为了增强保护或使用其他驱动方式时，仍可能单独使用1N4007。它是一种常用的通用整流二极管，反向耐压高，正向压降低。在继电器线圈两端反向并联1N4007作为续流二极管，用于释放继电器线圈在断电时产生的反向电动势，防止高压反冲损坏驱动电路（如ULN2003或单片机I/O口）。
限流电阻： 用于限制单片机I/O口到ULN2003输入端的电流，保护单片机I/O口。

3.6 灯光负载

优选元器件型号： 白炽灯泡（传统灯泡） 或 LED灯泡（E27/E14螺口）。
元器件作用： 提供照明。
选择理由：

白炽灯泡： 最简单的负载，成本低。但其效率低，发热量大，寿命相对较短。
LED灯泡： 推荐使用。LED灯泡具有高光效、低功耗、长寿命、环保等优点，符合现代节能理念。选择E27或E14螺口的LED灯泡可以直接替换传统灯具，无需额外改造。在选择时，应注意其功率与继电器的触点容量匹配。

4. 软件系统设计

软件设计是声光控灯系统的核心，它决定了系统的逻辑行为和智能控制能力。软件设计主要包括：初始化、光线检测、声音检测、延时控制和状态机管理。

4.1 软件开发环境

优选软件： Keil uVision（集成开发环境）、Proteus（仿真软件，可选）、STC-ISP（STC单片机下载软件）。
选择理由：

Keil uVision： 业界标准的51单片机开发环境，集成了C编译器、汇编器、链接器和调试器。其C语言支持良好，调试功能强大，能够高效地编写和调试单片机程序。对于初学者和经验丰富的开发者都非常友好。
Proteus： 强大的电路仿真软件。在实际硬件制作之前，可以在Proteus中搭建电路并导入编写的程序进行仿真验证，提前发现和解决问题，节省时间和成本。虽然不能完全替代实际调试，但能提供很好的预验证。
STC-ISP： 宏晶科技STC单片机专用的程序下载工具。界面简洁，操作方便，通过串口即可轻松将HEX文件烧录到STC单片机中。

4.2 软件设计流程

系统初始化：

配置单片机I/O端口：将连接光线传感器、声音传感器和继电器的I/O口设置为输入或输出模式。
配置定时器/计数器：设置工作模式、初值，用于实现延时照明功能。
配置中断系统：如果使用外部中断触发（如声音触发），则需要配置外部中断。
其他外设初始化：如果需要使用串口进行调试或与其他模块通信，则需要初始化串口。

主循环：

当光线为“暗”且检测到声音时，单片机控制继电器吸合，灯光点亮。
同时，启动定时器开始计时。定时器可以是软件延时（使用for循环或_nop_()函数），但更推荐使用硬件定时器，以提高精度和不阻塞CPU。
在延时期间，可以设计为如果持续检测到声音，则重新计时，实现“声声不息”的效果，即只要有声音就保持点亮。
当定时器溢出或延时时间到达，且在延时期间没有新的声音触发（或声音持续时间超过设定阈值），单片机控制继电器断开，灯光熄灭。

若检测到有效声音信号（即达到预设的音量阈值），则触发点灯流程。
若未检测到声音信号，则灯光保持熄灭，系统继续循环检测光线。

若为“亮”状态，则灯光保持熄灭，系统继续循环检测。
若为“暗”状态，则系统进入声音检测阶段。

进入无限循环，持续检测环境状态。
光线检测： 读取光敏传感器模块的数字输出信号。判断当前环境光线是否低于预设阈值（即是否处于“暗”状态）。
声音检测： 在“暗”状态下，读取声音传感器模块的数字输出信号。
延时控制与灯光控制：

中断服务程序（ISR，可选但推荐）：

如果声音传感器输出的是脉冲信号，并且希望实时响应，可以考虑将其连接到单片机的外部中断引脚（如INT0或INT1）。
当外部中断被触发时，进入中断服务程序，点亮灯并重新计时。这样可以实现更快的响应速度。
定时器中断服务程序：用于精确计时，当定时器溢出时，在ISR中更新计时变量，并判断是否到达预设延时时长。

4.3 关键软件模块设计

延时函数：

void DelayMs(unsigned int ms){    unsigned int i, j;    
for (i = ms; i > 0; i--)
    {        for (j = 110; j > 0; j--); // 经验值，具体需根据晶振调整
    }
}

或者使用定时器中断实现更精确的延时，并允许在延时期间执行其他任务。

光线检测逻辑：

sbit LightSensor = P1^0; // 假设光线传感器连接到P1.0unsigned char CheckLight(){    if (LightSensor == 0) // 假设光线暗时输出低电平
    {        return 1; // 光线暗
    }    else
    {        return 0; // 光线亮
    }
}

声音检测逻辑：

sbit SoundSensor = P1^1; // 假设声音传感器连接到P1.1unsigned char CheckSound(){    if (SoundSensor == 1) // 假设检测到声音时输出高电平
    {
        DelayMs(10); // 简单消抖
        if (SoundSensor == 1)
        {            return 1; // 检测到声音
        }
    }    return 0; // 未检测到声音}

在实际应用中，声音的检测可能需要更复杂的算法，比如判断脉冲的宽度、频率或连续性，以避免误触发。

主程序框架：

#include <reg52.h> // 或 <STC89C5xRC.H> 等头文件sbit LightSensor = P1^0;
sbit SoundSensor = P1^1;
sbit RelayControl = P2^0; // 假设继电器控制引脚为P2.0unsigned int timer_count = 0; 
// 定时器计数器unsigned char light_on_flag = 0; 
// 灯光是否点亮标志// 定时器中断服务程序void Timer0_ISR() interrupt 1{
    TH0 = (65536 - 50000) / 256; // 假设晶振12MHz，50ms定时
    TL0 = (65536 - 50000) % 256;    if (light_on_flag)
    {
        timer_count++;        
        if (timer_count >= 100) // 50ms * 100 = 5秒延时示例
        {
            RelayControl = 0; // 熄灭灯
            light_on_flag = 0;
            timer_count = 0;
        }
    }
}void main(){    // 初始化单片机
    P1 = 0xFF; // P1口为输入
    P2 = 0x00; // P2口为输出
    RelayControl = 0; // 初始灯灭

    // 配置定时器0，模式1（16位定时器）
    TMOD = 0x01;
    TH0 = (65536 - 50000) / 256; // 50ms定时（假设12MHz晶振）
    TL0 = (65536 - 50000) % 256;
    ET0 = 1; // 允许定时器0中断
    EA = 1;  // 允许总中断
    TR0 = 1; // 启动定时器0

    while (1)
    {        if (LightSensor == 0) // 光线暗
        {            if (SoundSensor == 1) // 检测到声音
            {                // 简单消抖
                DelayMs(10);                
                if (SoundSensor == 1)
                {
                    RelayControl = 1; // 点亮灯
                    light_on_flag = 1;
                    timer_count = 0; // 重新计时
                }
            }
        }        else // 光线亮
        {
            RelayControl = 0; // 熄灭灯
            light_on_flag = 0;
            timer_count = 0;
        }
    }
}