摘 要

本文借助EDA工具软件proteus对夜间声控延时照明控制系统进行了模拟仿真，绘制了该系统的电路原理图，实现声光控照明的功能。能够实现该系统的功能对于软硬件结合自动控制的进一步研究有重要的指导意义。

论文主要实现了照明系统的声控功能和光控功能，只有当声响足够大及光照亮度不足时，系统才会提供照明。

研究结果表明，利用proteus软件成功完成了对夜间声控延时照明系统的仿真，实现了声光控照明的功能，同时可以自主设置声响和光照强度的阈值，以满足多种要求。

本文的特色是软件与硬件结合，在分别实现各自的功能的基础上，整体完成最终功能的实现。

关键词：光控电路；声控电路；单片机

Abstract

In this paper, the EDA software Proteus is used to simulate the night sound control delay lighting control system, and the circuit schematic of the system is drawn to realize the function of acoustic light control lighting. The realization of the function of the system has important guiding significance for further research on hardware and software combined with automatic control.

The thesis mainly realizes the voice control function and the light control function of the lighting system. Only when the sound is large enough and the illumination brightness is insufficient, will the system provide lighting.The results show that the simulation of night sound controlled delay lighting system is successfully completed by using Proteus Software, and the function of acoustic light control lighting is realized. At the same time, the threshold of sound and light intensity can be set up independently to meet a variety of requirements.

The characteristic of this article is that software and hardware are combined to realize the final function based on respective functions.

Key Words：Optical control circuit；Sound control circuit；Singlechip

目 录

第1章 绪 论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 研究现状 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 3

1.3 研究内容及目标 4

1.4 设计方案 4

第2章 硬件设计 6

2.1 LM324 6

2.2 光敏电阻 7

2.3 三极管 8

2.4 单片机最小系统 13

2.5 光控电路 15

2.6 声控电路 16

2.7 硬件电路原理图 17

第3章 软件设计 18

3.1 proteus软件 18

3.2 Keil软件 18

3.3 主程序 18

第4章 调试仿真 20

第5章 总结 23

参考文献 24

致 谢 25

附录 26

第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

在非高峰期公共场所和车流量较少的地区，经常会出现长时间的照明空窗期，从而造成了不必要的电能浪费。尽管如今的电力能源供应已得到了相当程度的缓解，但是随着碳排放慢慢被人们所重视，我们仍有必要减少不必要的碳排放，来响应节能环保的口号。在没有人员活动的深夜让这些灯关掉一些，不仅可以节约能源，减低碳排放，也能够在实际成本上节约一些开支。随着电子技术的发展，特别是数字技术的发展，如今的数字电路技术可以更好更方便地改善照明系统，例如照明灯的自动发亮、节能节电、灯的寿命的延长，并且使这些因科技进步而获得革新的技术惠利我们的实际生活。声控光控延时电路已默默成为人们日常生活中的必需品，它没有开关，也不需要人工刻意地触发，只要有人经过便会自动的亮，人们无须做出多余的事情，它便可以感知到人们的照明需求。在科学技术与新材料快速革新的今天，这些控制灯广泛应用于公共场所种人流量稀少却又必不可缺的地方，给人们的日常出行带来极大的方便。因此，这些技术得到了广泛的应用。

如今普通的电路开关渐渐被声光控延时开关取代，只有在晚上，当日光照明度不足时，一旦有人通过声光控延时开关的监测区域发出脚步声或其它声音，比如楼道，街道，照明灯便会会自动点亮，提供照明。当人们通过声光控延时开关的监测区域，照明灯延时一段时间后会自动熄灭。通常在白天，只要光照强度不满足声光控延时开关的要求，即便有足够大的声音，照明也不会亮，这便使节能的目标成功实现。声光控延时开关不仅适用于人流量较少的住宅区楼道，而且也适用于特定时段人流量大的商场、写字楼、教学楼等公共场所。它具有体积较小、工艺简单、工作可靠、节能环保的优点，适合于各种房屋设施的照明设备。声光控电路是声音控制电路和光强控制电路联合控制的电子开关。它将声音信号和光强信号转化为电信号，经放大、滤波、整形，最终输出一个开关信号去控制照明电路的开断，在工业化自动控制和通常的家用电器方面有着广泛的发展前途。由于声光控延时控制电路广泛地被应用于人们的日常生活中，所以对于声光控延时电路的改进与进一步研究是十分必要的。随着科学技术和应用材料的快速革新与发展，针对照明灯的各种需求也越来越高，人们对它的要求也越来越苛刻，因此人们逐渐采用各种方法改进它。

自从LED作为一种新型的发光材料被人们所发现后，它绿色环保、高效节能、安全可靠、色彩丰富、长寿耐用的优点，慢慢将其它的发光材料淘汰。随着科学技术的进步、发光效率的提高、制灯工艺日臻成熟、生产规模逐渐扩大，时代的进步大幅度降低了LED的成本，这也使LED灯在日常照明市场中越来越有优势，LED产品也逐步取代传统的照明灯具，成为照明领域的新宠。 目前LED（半导体发光二极管）是各国科学家和照明领域技术工作者公认的一种最节能、环保的新型光源，具有卓越的经济效益和社会效益。因此它的应用前景非常广阔，发展绿色照明对节能环保和建设节约型社会都有着很强的战略意义，在如今生活水平明显提高的今天，绿色环保的生活理念也慢慢成为人们的共识，世界各国也都加大投入，将LED通用照明定位为未来国家能源战略重点项目。中国也与时俱进，把半导体照明作为一个重大的推动和普及工程。

1.2 研究现状

1.2.1 国外研究现状

国际社会对LED产业的发展与投入普遍持积极态度，目前在全球范围内，半导体照明技术创新成为研究热点，LED生产规模的扩大也十分迅速。国外的发展进程极快,发达国家相继推出国家/地区半导体照明计划,各国组织相关人员迅速加大LED照明的研究开发，并且推行一系列政策来促进产业规模的扩大。从全球来看，LED照明产业已形成以美国、 亚洲、 欧洲三大区域为主导的三足鼎立的产业分布与竞争格局。

（1）日本在1998年就有先见之明地预料到了半导体照明的发展潜力，提出了名为“21世纪光计划”的发展项目。得力于相关研究与从事人员的提倡与建议，日本在半导体照明发展上取得先机。国家有关部门对该项目提供了资金与技术上的支持，吸引了4所大学和多家公司的兴趣，让其参与项目的研发。日本政府也在政策与财政上给予了相当大的支持，他们一共准备了60亿日元的财政预算，计划在前期研发投入50亿日元。日本的研究人员主要将半导体照明项目的发展核心放置在新材料的创新与研发上。对于新材料的研究项目包括氮化镓基化合物的研发、改进特殊二极管的外延方法、衬底的大面积生长、开发特定光源频率的荧光粉等，并生产出新型二极管照明的光源。

（2）随着日本在半导体照明领域展开研究，美国也意识到了半导体照明领域的发展潜力。在2000年，他们也开始推行关于半导体照明发展方面的政策，称之为“国家半导体照明计划”，即“下一代照明计划”。为了大力发展半导体照明项目，国家在财政上也给予支持，一共在项目的发展与落实上投资大约5亿美元。同期，该计划也被列入美国“能源法案”。这个项目投入了大量的人力物力，吸引了13个国家重点实验室和多所大学，让其参与项目的研发。然而，与日本早期的关于新材料的研发关注点放不同的是，美国将重点研究方向定在工艺技术的改进。他们着力于发光二极管发光效率的提升、新材料的物理属性提升、金属有机化学相关工艺、发光结构的优化等。随后为了便于半导体照明项目的进一步发展，美国政府继续推行了一系列的优惠政策，例如“固态照明研究与发展计划”，

这是在前一计划提出的基础上，更加明确地指明了发展方向。“固态照明研究与发展计划”同期美国政府对于半导体照明发展也采取了一系列的的战略措施。度过半导体照明领域发展的初期后，美国政府为了提升该项目的转换率，提高投入产出比，于2007年4月发布了“固态照明商业化支持五年计划”草案。该草案旨在加速半导体照明产业的商业化布局，并且减少半导体照明项目的研发成本。草案为半导体照明商品的商业化进程提供了一个基本的市场规划。“固态照明商业化支持五年计划”草案提倡了一系列战略措施，包括：“能源之星”计划、“明日照明”设计竞赛、商用产品检验计划、技术信息的开发与传播、标准和测试程序的开发等。

（3）在美国提出“国家半导体照明计划”的同期，2000年欧盟也启动“彩虹计划”该计划致力于推广白光发光二极管的应用。

1.2.2 国内研究现状

由于外国早期就推行半导体照明发展项目，我国也深刻意识到半导体照明市场发展的潜力。在2004年，国家也适时地提出了“国家半导体照明工程”计划，旨在推进我国LED照明产业发展。相较于其它国家的LED市场，我国拥有全球最齐全，最完备的电子产业制造链。作为电子产业基地，尽管我国发展LED照明产业的时间稍微落后于其他国家，但由于具备齐全的制造环节，我国已成为全球LED产业发展最快的区域，初步形成了LED外延片的生产、LED芯片的制备、LED芯片的封装以及LED产品应用在内的较为完整的产业链。

在LED照明发展的初期，LED照明设计逐渐由简单的光源替换慢慢向新型实用的理念过渡。在LED照明灯具市场的普及与推广阶段，也就是LED照明市场发展的初期，消费者从使用传统高耗能照明灯具到接受新型节能LED照明灯，这需要一个观念上的巨大转换，同时人们也需要慢慢适应习惯和外观上的改变。与传统光源外观及接口一致的LED照明产品也以一种更易接受的姿态进入人们的日常生活，因此与传统光源有相似性的替代性LED光源产品在这一阶段最先打入市场。随着LED照明市场发展了一段时间，2012-2014年是LED照明发展的中期阶段，即LED替代性光源渗透提升期。随着人们对LED照明产品有了一定的认可和接受，LED照明市场日趋向上，人们在慢慢接受LED新型节能灯具的同时，不仅对于LED照明产品提供稳定可靠的照明有基本需求，还对于LED照明产品的绿色环保，体积更小，外观变化提出了更高更多样化的要求。在满足人们的基本照明需求的同时，市场对LED照明产品的舒适度、观赏度、多功能性以及安全性上的提出了更高的要求。如今LED照明产品的设计创新已不仅仅停留在单纯的外观设计革新，更重要的是以产品整体设计为核心的更加全面的设计调研，例如用户体验设计、人机界面设计、人体工程学和色彩与材料学设计，一款优秀的节能灯在使用便捷性，舒适性，外观上都必须做到更好。LED照明市场也提供了相对良性的竞争，使得LED照明灯具企业专注于工业设计对于照明技术与产品应用的有效整合，让LED照明灯具更具备新颖的外观设计和舒适的光照感，在各个方面尽其所能地为其加分。同时，多样的LED照明产品也不断刺激消费者的购买欲望，以满足消费者不同的场景照明需求，由此促进了有别于传统光源的LED节能照明灯具的发展，使得LED节能照明灯在人们的日常生活中逐渐普及。

LED照明产品在绿色节能方面起到了相当大的作用。2016年12月，国家发展改革委员会启动了“中国半导体照明促进项目”，旨在促进半导体照明市场转化、推广节能环保新光源。该项目将在增强半导体照明市场发展、半导体照明市场转化政策与机制、半导体照明应用示范、加强半导体照明质量保证能力等四部分开展具体活动，该政策的目的是希望为推动我国照明产业转型升级，为国家实现节能降耗发挥重要的支撑作用。目前中国是世界第一能源消费大国，尽管多年来提倡减少污染型火力发电，增加新能源技术的研发与使用，但是积重难返，目前仍有70％以上的使用电能是火力发电。发电行业尤其火力发电是碳排放污染的重要来源，尽管我国已经在减少污染上初有成效，但对于节能减排的需求还是十分迫切的。目前中国照明用电约占全社会用电量14％，按照2016年LED照明渗透率计算，全年节约用电约1400亿度。

1.3 研究内容及目标

通过感光元件光敏电阻及驻体极话筒分别将光信号和声音信号转换为电信号传入电路，设计光控电路和声控电路。将演示程序载入单片机，当声控及光控检测电路传来有效信号，单片机执行程序。实现声光双控功能，完成夜间声控延时照明系统的设计。

1.4 设计方案

夜间声控延时照明系统主要强调了光控，声控，延时这三个基本功能。通过光敏元件光敏电阻可以将光信号转化为电信号传入电路，进而设计光控电路。同理，采用声音传感器也可以将声信号转换为电信号，进而设计出声控电路。而延时功能却可以分别通过纯硬件电路或单片机延时程序实现，因此对这两种方法进行分析：

1. 纯硬件电路实现延时功能

使用纯硬件电路，通过计算选择合适数值的电路元件，完成延时时间的设定。但一旦电路完成，电路基本无法改变。优点是延时精度高，缺点是改变延时间受到硬件设置的限制，使用不够灵活。

1. 单片机软件程序实现延时功能

使用单片机的软件程序的优点是灵活性高，延时时间的长短的调整几乎不受任何限制，而且随时随处只要需要都可以加入延时，一条控操作指令也可以做延时，缺点是延时精度低。

由于该夜间声控延时系统要求灵活性较高，以满足不同地区的需求，且通

过单片机的学习，因此选择第二种软硬件结合的方案。

夜间声控延时系统的总体设计框图为：

图1.1 总体设计方框图

采用合适的光敏电阻，当光照强度低于阈值时，光控电路送出有效信号。采用合适灵敏度的声音传感器，当声响大于阈值时，声控电路送出有效信号。单片机不断检测声光控电路传来的信号，只有两个条件同时满足时，单片机驱动照明电路，同时执行延时程序，当延时时间到达，灯熄灭。实现光控，声控，延时功能。

第2章 硬件设计

2.1 LM324

LM324是集成电路芯片，它拥有4个完全一样的放大器输入通道和4个完全一样的放大器输出通道，可以实现差动输入功能。LM324一般采用双列直插塑料封装，拥有14个引脚，外形如图所示。LM324芯片的内部包含4组共用电源的运算放大器，并且这4组运算放大器通常是一样的，但是这4组运算放大器却完全独立，互不影响。它们一共提供了4个完全一样的放大器输入通道和4个完全一样的放大器输出通道。在LM324芯片上有标志符号来指示每一组运算放大器的引脚，它有5个引出脚，每一个引脚都具有不同的功能。其中标志为“ ”、“-”的两端很明显是正信号输入端和负信号输入端，而另外两个相对的“V ”、“V-”两端分别接通外部电源与地面，剩下唯一的“Vo”端为整个LM324芯片的输出端，根据LM324应用在不同的电路中，输出端输出的值也大不相同，比如本设计中使用的LM324比较器电路，输出端便输出比较器的高低电平以表示信号的有效与无效。对两个信号的输入端做更进一步的介绍，Vi-（-）为反相输入端，带有负号很明显这表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；而相反的是Vi （ ）为同相输入端，同理带有正号表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列如下。

图2.1 LM324封装图

图2.2 LM324引脚排列图

LM324还具有许多特点和优势，这也是选择此芯片的理由。比如（1）LM324芯片中的4个放大器可以适应不同的工作电源电压，最低3V，最高32V，也就是说它具有很宽泛的电源电压范围，适应能力极强。（2）LM324具有极低的失调电压，例如本设计中运用到的LM324比较器电路，由于具有很低的失调电压，即便比较器两输入端电压差值很小，LM324也能够正常工作，比较出两输入端电压的大小。此外，它还具备极低的失调电流，当需要比较输入端电流时，也能够起到很大的作用。（3）LM324输出电压的范围足够大。最低可以输出低电平0V，最高可以输出VCC-1.5V的电压幅值。因此，无须外置电路来提高它的输出电压范围。

2.2 光敏电阻

光敏电阻是一个可以根据光照条件变化，阻值相应发生变化的电阻。在物理材质上，它是用硫化隔或硒化隔制成的，这些半导体材料制成的电阻属于特殊电阻器。一般而言半导体电阻的工作原理是基于内光电效应。光敏电阻的外部特性表现为：阻值随光照强度相应变化，也就是说光敏电阻可以敏锐感知到光照强度的变化。通常情况下，外部光照强度越大，光敏电阻阻值就越小，极限情况下随着光照强度的升高，电阻值会迅速降低，亮电阻阻值甚至可小至1KΩ以下。而外部光照强度越小，光敏电阻阻值越大，极限情况下随着光照强度的降低，电阻值会迅速升高，呈现高阻状态。甚至在无光照时，暗电阻阻值一般可达1.5MΩ。正是由于光敏电阻对光感知的特殊性能，在关于光强感知的科学技术中将得到广泛应用。

光敏电阻的制作原理：通常情况下使用一些半导体材料来用于制造光敏电阻，这些半导体材料离不开金属的硫化物、硒化物和碲化物，它们在物理属性上十分适合于半导体。选好材料后，需要在绝缘衬底上制作光敏电阻体及梳状欧姆电极，电极要求足够薄，以便于导通。工艺上需要采用涂敷、喷涂、烧结等方法。然后从电极上接出引线，将前面制作的整体封装在密封壳体内，需要强调的是密封壳必须是透光的，用来感知光线的变化，电阻才能正常工作。并且壳需密封完好，以免受潮改变光敏电阻内部物理结构而影响其灵敏度。光敏电阻的原理结构如图所示。在光照强度较小的黑暗环境里，它的电阻值很高，而一旦电阻受到光照后，只要光线中的某些光子能量大于半导体材料中特定的禁带宽度（不同半导体材料拥有不同的禁带宽度），则价带中的电子吸收一个光子的能量后，便拥有足够的能量来跃迁到导带，与此同时在价带中相应地产生一个对应的空穴，空穴带正电荷。总体而言，在特定条件下光照使光敏电阻产生了电子—空穴对，这种电子—空穴对有利于电子的流通，并且增加了半导体材料中载流子的数目，使得电阻中的电阻率变小，从而在物理属性上降低了光敏电阻的阻值。而当光敏电阻的外部光照变弱。光线中的某些光子能量小于半导体材料中特定的禁带宽度，使得价带中的电子吸收能量后无法跃迁到导带，也就无法继续产生空穴。光子无法产生新的电子—空穴对，因此激发产生的电子—空穴对将逐渐复合，半导体材料中载流子的数目减少，不利于电子的流通，电阻中的电阻率变大，在物理属性上表现为光敏电阻的阻值升高，光敏电阻阻值逐渐恢复原值。

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