科技与创新┃Science and Technology&Innovation ·76·2021年第12期
文章编号：2095－6835（2021）12－0076－03
智能声光控楼道灯设计＊
侯秀丽，孙廨尧，罗青青
（安徽商贸职业技术学院信息与人工智能学院，安徽芜湖241002） 摘要：随着社会经济的发展，人们生活质量不断提高，节能减排得到人们的更多重视。为了满足人们对高质量生活的不断追求，减少能源浪费，设计了基于STC89C52单片机的智能型声光控楼道灯。由驻极体电容话筒和光敏电阻识别声音、光强等信号，转化为模拟信号经电压比较器判断后送给单片机处理，再通过继电器控制灯的亮灭。该智能楼道灯成本低，使用方便，性能可靠，能满足不同楼道照明需要，有利于节能降耗，构建环保型社会。关键词：声光控；楼道灯；单片机；光敏电阻
中图分类号：TM564；TP368.1文献标志码：A DOI：10.ki.kjycx.2021.12.031
1引言
楼道灯作为楼道专用的照明灯，属于新型建筑照明系统，近年来在国家绿节能建筑的要求下，大部分新建楼宇的楼道灯都应用了智能LED灯，但是不少老旧建筑的楼道灯仍使用传统灯泡和接触开关，经常人走后，照明灯通宵长亮，浪费大量能源。楼道照明需求一般是断续的，白天或光线好时根本不需要亮灯，只有在黑天并且有人经过时才需要点亮，若单纯使用声控开关，即使白天也会频繁通断，无形中会缩短灯具的使用寿命。使用声光综合控制代替传统开关可以很好地解决上述问题。天黑光线变暗，当检测到有人经过楼道的脚步声或其他声音时，楼道灯自动点亮提供照明，当人们走过楼道以后，灯延时半分钟自动熄灭。白天光线强，即使检测到有声音，楼道灯也不点亮，可达到节能的目的[1]。这种智能声光双控灯的应用范围很广，如教学楼、大型工厂、办公楼的走廊以及住宅建筑的楼道等。 2系统总体方案设计
在满足楼道照明需求下，智能声光控楼道灯还要实现最大化节能目标。在白天或太阳光较亮时，可视性较高，不需要照明。这时，电路要处于限制状态，不会因为接收到声音而亮灯。当夜晚光线微弱，人们看不清周围情况时才需要照明设备，所以电路要能在检测到人们的脚步声或拍掌等声音后自动亮灯，还要能在没有声音时开启一定时间（比如半分钟）后自动关闭照明灯[2]。系统总体方案如下。 使用光敏电阻来检测光线亮暗变化，通过电压比较器判断光线强弱，并且可以通过电位器调节光照阈
值；采用驻极体话筒判断是否有声音，当感应到有声音时灯会亮，否则灯熄灭，并且可以通过电位器调节声音阈值；当光线变暗且检测到有声音时，继电器吸合（亮灯），延时约30s继电器断开（灯灭），实现了节能控制；当光线持续变暗且连续感应到有声音时，则会以最后没有触发条件开始延时30s，然后灯熄灭。
3系统硬件设计
系统硬件结构如图1所示，系统由STC89C52单片机控制模块、光强检测与比较模块、声音检测模块、继电器输出模块及电源模块等部分组成。其中，控制模块采用低功耗、高性能的STC89C52单片机。作为8位微控制器，其拥有灵巧的8k字节在系统编程Flash，512字节RAM，32位I/O 口线，内置4KB存储器，3个16位定时器/计数器及WDT，4
个外部中断，支持全双工串口通信。
图1系统硬件结构框图
3.1单片机最小系统设计
图2左下角的时钟电路、左上角的复位电路和图3所示的电源电路一起构成了单片机最小系统，它是单片机正常工作的基础。不难看出，由晶振Y1（11.0592MHz）、瓷片电容C1和C2组成了时钟电路。由电解电容EC1、按键S1和电阻R1构成了复位电路，该电路支持两种复位方式，即手动按键复位和上电自动复位。
JD1为单片机的下载接口。单片机电源引脚为VCC和GND，系统选择5V直流电源供电。电源电路设计思想是：
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＊［基金项目］安徽省质量工程教研项目“高职社会扩招电子信息工程专业人才培养模式创新与课程体系构建研究”（编号：2020jyxm0585）、安徽省高校自然科学研究重点项目（编号：KJ2018A0723）研究成果
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2021年第12期
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原理简单、工作可靠、具有状态显示。电源电路如图3所示，可将USB 电源线一端插在DC 插座上，另一端插在5V 电源上，如电脑USB 接口、手机充电器、移动电源等。通过一个自锁开关SW 实现供电控制。当开关被按下，电源指示灯LED 点亮，系统对外输出5V 直流电压；当开关再次被按下，LED 指示灯熄灭，切断电源，无输出。通过给红的LED 灯串联1k Ω限流电阻，提高系统可靠性，实现过流保护[3]
。
图2单片机时钟及复位电路
图3电源电路
3.2光照检测电路设计3.2.1
光敏电阻检测光强电路设计
能够实现光强检测的传感器有很多种，如光电管、光电池、光敏电阻、光敏晶体管等，都是根据不同光电效应原理进行工作的。本系统选择光敏电阻作为检测光照强度的器件，光敏电阻通常是由半导体材料（硫化镉、硒化镉、硫化铅等）等制成的，其原理基于内光电效应。光照越强，阻值越低。光敏电阻对光线非常敏感，无光照时呈高阻状态，暗电阻一般可达1.5M Ω。随光照强度升高，阻值迅速降
低，亮电阻值可小至1k Ω以下[4]。光敏电阻应用电路如图4所示，光敏电阻应用电路通过串联一个10k Ω电阻实现分压，保护光敏电阻。3.2.2
LM393比较器电路设计
系统选择LM393比较器对光敏电阻输出的模拟信号进行数字处理。LM393是8个引脚的双电压比较器集成芯片，其负载电阻不受VCC 端电压限制。LM393比较器的第3和
第6引脚为模拟信号输入端，第2和第5引脚可外接电位器，用来设置参考电压，改变电位器阻值，即可改变参考设置电压。当第3和第6引脚模拟电压值超过所设置的参考电压后，则LED 灯将会亮，否则，LED 灯不亮，进而实现了对模拟信号状态量的检测。使用时，通常把芯片第1和第7脚接到单片机有关引脚上，即可采集处理相关数据，LM393电路原理如图5
所示。
图4
光敏电阻应用电路
图5LM393电路原理图
3.3声音检测电路设计
电容式驻极体话筒具有很多突出优点，如电声性能好、外观小巧、价格实惠等，因此在无线麦克风、助听器、录音机中得到大量应用。本文选其作为声音检测传感器，电路可分为声电转换和阻抗变换两部分。声音检测电路如图6所示，声电转换核心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，经高压电场在两面分别驻有异性电荷。蒸金面向外，与金属外壳相连通。另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔开。这样，蒸金膜与金属极板之间形成一个电容。由于平板电容器的电容值C 等于极板有效面积A 与板间所填充的物质介电常数乘积再除以板间距离d ，即当有声音输入时，膜片随声波发生振动，使电容两个极板间距离发生变化，导致电容量C 变化[5]。因驻极体两侧电荷Q 不变，所以电容两端电压发生变化（UC =Q /C ），从而实现了声电转换。交变电压幅值大小可以反映外界声压的强弱，电压变化频率快慢能反映外界声音的频率高低。由于驻极体振膜与金属极板间的电容量比较小，一般为几十皮法，因此输出阻抗值很高（几十兆欧以上），
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而且很弱，所以不能直接与音频放大器相连，需要在话筒内接入一个三极管来进行阻抗变换[6]。3.4继电器控制电路设计
作为一种电子控制器件，继电器在电路中能起到调节、保护、转换等作用，被大量应用于自动控制、遥控、机电设备中。常用的电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点等部分组成。给线圈施加一定的电压后，线圈中就会流过一定的电流，产生电磁感应。在电磁吸引力作用下衔铁会克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，使得动触点与静触点吸合。当线圈断电后，电磁吸引力也随之消失，衔铁在弹簧反作用力下返回初始位置，使动触点与原静触点释放。通过触点吸合与释放实现了电路的导通与切断控制[7-8]。继电器控制电路如图7所示，把继电器接在三级体管发射极上。三极管基极接单片机输出引脚，当单片机管脚输出为低电平时，管子导通，驱动继电器触点吸合，LED 灯点亮。和前面一样，也是通过串联1k Ω限流电阻进行保护。
图6
声音检测电路
图7继电器控制电路
4系统软件设计4.1软件开发与仿真调试
本设计中单片机开发环境应用Keil C51平台，使用C 语言进行编程，采用主程序加子程序的结构。分别设计判断光强与声音程序以及延时控制程序。系统上电后，首先进行初始化操作，然后读取光强值，进行判断。当为黑天时，再判断是否有声音信号，若有，则让单片机控制引脚输出低电平信号给三极管驱动继电器闭合，实现楼道灯点亮，同时继续判断声音信号；若无，则延时30s 后继电器断开，使楼道
灯熄灭。
源程序写好后编译生成.hex 文件，使用protues 软件进行系统仿真调试，若不能完全实现预定功能，则需要修改源代码，重新编译，直到满足全部控制要求为止。4.2程序下载
仿真调试通过的程序，使用STC-ISP 单片机下载编程烧录软件，通过CH340串口烧写模块实现对单片机程序的烧写。步骤如下：将单片机开发板和下载器（即CH340串口烧写模块）以及计算机连接好后，首先需要在烧录软件中选择单片机型号和串口号，并设置好波特率，其次选择项目“hex ”文件存放路径，然后单击程序下载按钮，稍等片刻即可完成下载过程。5系统实物制作与调试
根据前面第二部分所设计的电路，购买相关元器件，并检查无误后，进行硬件焊接，完成实物制作过程。再根据第三部分操作步骤，下载好程序后进行整机调试与故障排查[9]。系统实物运行如图8
所示。
图8系统实物运行图
6结语
本文设计一个智能型声光控楼道灯，详细阐述了系统硬件电路设计过程以及程序设计步骤，并完成了实物模型制作与调试。经过多次测试，该系统均能实现预定功能。系统可靠性高，运行稳定，能够满足楼道智能照明需求，节能环保，具有一定的应用前景。参考文献：
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大节省了分析时间。因此，实验室物质分析精确度和效率随着分析仪器与智能化图像处理技术结合得到了显著的提高。
4.3促进医疗分析仪器技术提高
在医疗分析仪器领域，智能化图像处理技术能够高效处理各种细微图像，例如细胞图、组织图，凸显图像中的重要信息。让医生可及时对人体采取相应的措施，分析诊断身体健康状态。智能化图像处理技术，可以使仪器更加快速获得精准的图像，而这项技术为医疗仪器来了新的发展空间，充分发挥出医疗器械在诊断分析中的作用，进一步推动了新型医疗器械和智能图像处理技术结合发展。仪器分析和智能化图像处理技术相辅相成、相互促进。
5未来展望
在物联网背景下，仪器分析与智能化图像处理技术将迸发出新的生命力。两者的结合能够在缺乏先进分析仪器的情况下进行有效分析，提供可靠的远程判断，实现高水准的分析技术。仪器分析与智能化图像处理技术两者结合后已可广泛应用在各大领域当中，如分析测试和分离提纯等领域。而随着互联网技术的快速发展，这两者的结合应用有广阔的应用领域。在未来分析仪器结合智能化图像处理技术的应用将会得到广泛普及。
在智能分析产业化方面，智能化分析仪器已成为了当今最主要使用的分析仪器。它能够快速处理海量谱图，并自动进行智能化分类，减少了许多烦琐的人工操作。图像处理的智能化为新型分析仪器的产生奠定了坚实的基础，并且能为其提供关键技术支持。未来的智能化图像处理技术也会与人工智能、5G等技术一同发展，与新型分析仪器相结合，进一步加快分析仪器领域的创新发展。
6结语
智能化分析仪器是仪器分析领域未来的发展方向，而智能化图像处理技术将作为其重要的支撑技术之一，智能化图像处理技术使仪器分析更精准快速，仪器分析为智能化图像处理技术提供更广阔的应用空间，两者的结合将加快仪器分析领域的发展，使其得到更广泛的应用。
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作者简介：程佳兵（1994—），女，硕士，助教，专职教师，研究方向为机器视觉、图像处理。
〔编辑：丁琳〕
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作者简介：侯秀丽（1982—），女，吉林扶余人，硕士，副教授，研究方向为智能控制。孙廨尧（1993—），男，河南鹤壁人，硕士，助教，研究方向为物联网应用技术。罗青青（1987—），女，安徽芜湖人，硕士，讲师，研究方向为物联网。
〔编辑：丁琳〕
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