基于单片机的光电式蜡烛设计

天津职业技术师范大学本科生毕业设计
光电蜡烛的设计
The design of the electronic birthday candles
专业班级：电信0901
学生姓名：***
指导教师：葛颖（讲师）
系别：电子工程学院
2013年6月
摘要
随着快餐时代的到来，并且为了安全的考虑，就连生日蜡烛也由原来的实物蜡烛而演变为了现在的电子科技—光电蜡烛。

本文介绍的光电蜡烛,用打火机使“蜡烛”点亮;并响起生日歌，吹灭烛光时只需用嘴对准“蜡烛”吹一口气即可,与平常人们的习惯完全吻合。

本设计是基于STC89C51单片机的光电蜡烛，其特点就是以STC89C51为中心，根据火焰传感器所接收到的信号，通过STC89C51来使LED灯亮起，并且使蜂鸣器开始发音。

然后通过声音控制传感器所接收到的信号，使得LED灯熄灭，并伴随着蜂鸣器的关闭。

关键词：STC89C51；火焰传感器；蜂鸣器；声音检测传感器
ABSTRACT
With the advent of the era of fast food, and for safety consideration, even birthday candles from real candles and evolution to now electronic science and technology, electronic birthday candles. In this paper, the electronic birthday candles, "candle lit with lighter; And sounded birthday song, blow out the candles with mouth alignment "candle" huff, perfectly match with ordinary people's habits.
This design is based on the STC89C51 microcontroller electronic birthday candles, its characteristic is the STC89C51 as the center, according to the signal received by the flame sensor, by STC89C51 devices to make the LED light is lit up, and the buzzer sounds. Then through voice control signal received by the sensor, LED lights, and accompanied by the closing of the buzzer.
Key Words：STC89C51; The flame sensor; buzzer; Voice detection sensor;
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结论 .. (19)
参考文献 (21)
致谢 (23)
天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计引言
引言
在我们的现实生活中有这么一个生活习惯，那就是过生日的时候吹蜡烛。

这个习俗它起源于古希腊。

传说在古希腊有这么一帮子人，他们是古希腊月亮女神阿蒂梅斯的崇拜者，他们在帮月亮女神庆祝生日时，会吧插着蜡烛的蛋糕摆在圣坛上。

后来，古希腊人就会在给他们的孩子们过生日的时候，把燃着的蜡烛插在生日蛋糕上，还把蜡烛吹灭。

因为他们相信，燃烧的蜡烛具有神秘的力量，如果孩子要求一个愿望，并且一口气吹灭所有的蜡烛，孩子就可以如愿以偿。

这一习俗一直流传至今，人们期望自己的未来吉祥如意。

随着时代的进步，历史的发展，在吹生日蜡烛的时候并唱着生日歌。

平时普通的蜡烛它的危害比较大，即燃烧释放二氧化碳，又更容易引发火灾。

为了这个习俗的安全性考虑，人类研究发明了光电蜡烛。

光电蜡烛采用火焰传感器所接收到的信号并使用STC89C51单片机进行控制，来使得LED灯点亮与蜂鸣器的发音，然后通过声音检测传感器所接收到的信号使得LED灯熄灭与蜂鸣器的停止发音。

蜂鸣器的发音是单片机本来就下载好的生日歌。

具体研究的内容主要有以下几方面：
1）根据系统功能要求以及可操作性，对系统的整体进行方设计。

系统采用模块化设计方法，分别为火焰检测模块，声音检测模块，发音显示模块，光敏模块，设定模块。

该设计方法的优点是方便系统调试和使用。

总体设计概述
2.1系统实现的主要功能
光电蜡烛通过火焰传感器接收到的信号使得LED灯点亮与蜂鸣器的发音。

光电蜡烛通过声音检测传感器接收到的信号使得LED灯的熄灭与蜂鸣器的停止发音。

光敏传感器接收光亮保证点亮蜡烛，是在火焰传感器没接收到信号的前提下，保证信号的接收。

以STC89C51为中心使得整个功能可以实现。

2.2系统的工作原理简介
本系统采用模块化思路的设计，整个系统整体上分为STC89C51单片机中控制模块，火焰检测模块，声音检测模块，发音显示模块，光敏模块，这样的设计易于实现，大大的节省了调试时间。

火焰检测模块主要一个传感器头为接收器，将信号输入，信号输出指示灯亮，为低电平，它还有一个灵敏度调节。

这模块就是光电蜡烛的点火环节。

发音显示模块主要由一个蜂鸣器和一个LED显示灯组成。

这是系统的显示模块，蜂鸣器是用来发声音的，生日歌就是从这发出来的。

LED显示灯就相当于蜡烛，。

这模块是光电蜡烛的显示环节。

声音检测模块主要由一个驻极体话筒和一些贴片电阻组成。

用声音传感器的输出信号，控制单片机的TO输出，输出有效信号为高电平。

它是光电蜡烛的熄灭环节。

STC89C51控制模块主要是由STC89C51来控制的模块，并且可以把原先设定好的程序下载到此，输入的信号通过该模块到达其他的模块，并实现其功能。

这模块是光电蜡烛的核心。

光敏模块主要由一个光敏电阻组成，它通过光敏电阻来收取信号。

2.3总体设计简介
2.3.1总体设计框图
系统遵照实现的具体功能设计，保证系统正常工作的前提先尽可能的降低成本。

设计框图如下：
图2-1 系统总设计框图
2.3.2总体设计模块
本设计总的来处可以分为两个大的部分，就是蜡烛点亮唱歌部分和蜡烛熄灭不唱歌部分只要明白了这两大部分，实现起来就比较容易了。

图 2-2 总体设计进程图
天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计
系统硬件设计
3.1单片机主控制模块
单片机是大规模集成电路技术发展的产物，一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM﹑RAM﹑I/O口﹑定时/记数器﹑中断系统等能量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。

二是系统配置，既按照系统功能要求配置外围设备，如键盘显示器﹑打印机﹑A/D﹑D/A转换器等，要设计合适的接口电路
3.1.1单片机结构及引脚介绍
STC89C51芯片有40个引脚，采用双列直插式封装，其引脚排列如图3.2所示。

在其40条引脚中，控制线占4条，主电源引脚占2条，外接晶体引脚占2条，其余都是输入/输出引脚。

图3-1 STC89C51芯片引脚分布图
具体功能如下表所示：
表3-1 单片机引脚功能表
3.2火焰检测模块
3．2.1火焰检测模块的组成
火焰检测模块主要由火焰传感器组成。

火焰传感器是机器人专门用来搜寻火源的传感器，当然火焰传感器也可以用来检测光线的亮度，只是本传感器对火焰特别灵敏。

火焰传感器利用红外线对对火焰非常敏感的特点，使用特制的红外线接受管来检测火焰，然后把火焰的亮度转化为高低变化的电平信号，输入到中央处理器中，中央处理器根据信号的变化做出相应的程序处理。

3.2.2火焰传感器的原理
火焰传感器:由各种燃烧生成物、中间物、高温气体、碳氢物质以及无机物质为主体的高温固体微粒构成的。

火焰的热辐射具有离散光谱的气体辐射和连续光谱的固体辐射。

不同燃烧物的火焰辐射强度、波长分布有所差异，但总体来说，其对应火焰温度的近红外波长域及紫外光域具有很大的辐射强度,根据这种特性可制成火焰传感器.
功能用途：远红外火焰传感器可以用来探测火源或其它一些波长在700纳米～1000纳米范围内的热源。

在机器人比赛中，远红外火焰探头起着非常重要的作用，它可以用作机器人的眼睛来寻找火源或足球。

利用它可以制作灭火机器人、足球机器人等。

原理介绍：远红外火焰传感器能够探测到波长在700纳米～1000纳米范围内的红外光，探测角度为60，其中红外光波长在880纳米附近时，其灵敏度达到最大。

远红外火焰探头将外界红外光的强弱变化转化为电流的变化，通过A/D转
换器反映为0～255范围内数值的变化。

外界红外光越强，数值越小；红外光越弱，数值越大。

3.2.3原理图与实物图
图3.1火焰传感器原理图
图3.2火焰传感器实物图
3.3声音检测模块
3.3.1声音检测模块的组成
声音检测模块主要由声音检测传感器组成，声音传感器的作用相当于一个话筒（麦克风）。

它用来接收声波，显示声音的振动图象。

但不能对噪声的强度进行测量。

该传感器内置一个对声音敏感的电容式驻极体话筒。

声波使话筒内的驻极体薄膜振动，导致电容的变化，而产生与之对应变化的微小电压。

这一电压随后被转化成0-5V的电压，经过A/D转换被数据采集器接受，并传送给计算机。

A．该传感器无需再次进行校准，软件自动调零。

B．采样频率要取10000次/秒或更大些，否则不能真实、准确地反映声振动的图像。

C．图像的纵坐标表示的是与声振动对应的电压数值。

D．接入控制系统可以采用4~20mA的输出型传感器，如四川瞭望的ZS系列3．3.2原理图与实物图
图3.3声音传感器原理图
图3.3声音传感器实物图
3.4发音显示模块
发音显示模块主要由一个蜂鸣器和一个LED显示灯组成。

3.4.1LED显示灯
发光二极管简称为LED。

由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。

在
电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。

磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。

发光二极管
LED显示灯部分电路图
3.4.2蜂鸣器部分
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。

；蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。

蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。

蜂鸣器
（1）制备电磁铁M:在长约6厘米的铁螺栓上绕100圈导线,线端留下5厘米作引线,用透明胶布把线圈粘好,以免线圈松开,再用胶布把它粘在一个盒子上,电磁铁就做好了.
（2）制备弹片P：从铁罐头盒上剪下一条宽约2厘米的长铁片，弯成直角，把电磁铁的一条引线接在弹片上，再用胶布把弹片紧贴在木板上．（3）用曲别针做触头Q，用书把曲别针垫高，用胶布粘牢，引出一条导线，如图连接好电路．
（4）调节M与P之间的距离（通过移动盒子），使电磁铁能吸引弹片，调节
触点与弹片之间的距离，使它们能恰好接触，通电后就可以听到蜂鸣声．
蜂鸣器部分电路图
3.5光敏模块
3.5.1光敏模块的组成
光敏模块主要由一个光敏电阻组成。

光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，又称为光电导探测器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。

光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。

常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。

光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。

设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。

光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。

常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。

光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。

设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。

光敏电阻属半导体光敏器件，除具灵敏度高，反应速度快，光谱特性及r值一致性好等特点外，在高温，多湿的恶劣环境下，还能保持高度的稳定性和可靠性，可广泛应用于照相机，太阳能庭院灯，草坪灯，验钞机，石英钟，音乐杯，礼品盒，迷你小夜灯，光声控开关，路灯自动开关以及各种光控玩具，光控灯饰，灯具等光自动开关控制领域。

3.5.2光敏电阻的介绍
（1）光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电流
暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。

此时在给定电压下流过的电流。

亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。

此时流过的电
流。

光电流：亮电流与暗电流之差。

光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。

也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。

实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1MΩ,甚至高达100MΩ，而亮电阻则在几kΩ以下，暗电阻与亮电阻之比在102～106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。

（2）光敏电阻的光照特性
下图表示CdS光敏电阻的光照特性。

在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。

不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。

因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。

一般在自动控制系统中用作光电开关。

（3）光敏电阻的光谱特性
光谱特性与光敏电阻的材料有关。

从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。

因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。

（4）光敏电阻的伏安特性
在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。

图中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。

由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。

在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现
象。

但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。

超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久
性损坏。

（5）光敏电阻的频率特性
当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。

由于不同材料的光敏，
电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图。

硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。

（6）光敏电阻的稳定性
图中曲线1、2分别表示两种型号CdS光敏电阻的稳定性。

初制成的光敏电阻，由于体内机构工作不稳定，以及电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，所以性能是不够稳定的。

但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二周的老化，性能可达稳定。

光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品阻值上升，有些样品阻值下降，但最后达到一个稳定值后就不再变了。

这就是光敏电阻的主要优点。

光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下，几乎是无限长的。

天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计4.1 光电蜡烛的电路图
4电路原理图的绘制
在次我们对光电蜡烛的产品介绍和他们的工作原理作了讲解，以及最后电路的动手安装实践也作了一些阐述，我们DXP设计软件也作了一些简单的介绍，那么接下来我们将把平面电路图用DXP软件进行电路原理图的设计与绘制和印制电路板的设计与绘制，在次我们只介绍DXP软件怎么绘制电路原理图。

4.1 光电蜡烛的电路图
电路原理图
4.2原理图的设计步骤
正如前面所介绍的，电路原理图的设计是印制电路板设计中的三大步骤的第一步，也是非常重要的一步。

电路原理图设计的好坏直接影响到后面的工作。

首先，原理图的正确性是最基本的要求，因为在一个错误的基础上所进行的工作是没有意义的；其次，原理图应该布局合理，这样不尽可以尽量避免工作出错，也便于读图、便于查找和纠正错误；最后，在满足正确性和布局合理的前提下应力求原理图的美观。

电路原理图的设计过程可分为以下几个步骤：
(1)设置电路图纸参数及有关信息
用户根据电路图的复杂程度设置所用图纸的格式、尺寸、方向等参数以及与设计有关的信息，为了以后的设计工作建立一个合适的工作平面。

我们在设计的时候设计图纸的大小为A4，水平放置，工作区颜色为233号色，边框颜色为63号色。

(2)装入所需要的元件库
将包含有用户所需要元件的元件库装入设计系统中，以便用户从中查找和选定所需要的元器件。

我们在设计的时候由于所需的元器件系统都自带，所以无需我们再装入。

(3)放置元件
将用户选定的元件方置到已建立好的工作平面，并对元件在工作平面位进行调整，对元件的序号、封装形式、显示状态等进行定义和设置，以便为下一步的布线工作打好基础。

由于原件过多，这一步骤我们就不在讲述，经过放置和调整后的原理图如下。

(4)电路图布线
该过程实际上是利用DXP所提供的各种工具、命令进行画图工具，将事先放置好的元器件用具有电气意义的导线、网络标号等连接起来，使各元件之间具有用户所设计的电气连接关系。

布线结束后，一张完整的电路图才算是基本完成。

我们把所有的元器件都列出来后就可以根据图纸所提供的效果图进行布线。

(5)调整、检测和修改
在该过程中，用户利用DXP所提供的各种工具对前面所绘制的原理图做进一步的调整和修改，以保证原理图的正确和美观。

这一步骤我们也不做过多的描述，可根据需要任意的调整。

调整完成后进行测试，如有错误侧进行修改，如没有可生成网络表。

(6)补充完善
该过程主要是对原理图做一些相应的说明、标注和修饰，以增加可读性和可视性。

(7)保存和打印输出
这部分工作主要是对设计完成的原理图进行保存、包括存盘、打印输出等，以供在以后的工作中使用。

以上就是DXP软件设计电路原理图的设计步骤，按照上边的步骤我们就能圆满的设计出一张电路原理图来，这里具体的操作细节就不在详细解说拉，根据以上电路原理图的设计步骤我们设计出的光电蜡烛的电路原理图
4.3电路的焊接
在组装电路时，先对电路板进行检查，看有无裂痕，连接导线是否开路等，在插放元件的时候，最好对每个元件进行检测，我们购买的毕竟不是军用元件，有可能存在一定的误差。

在焊接是要注意元件引脚的正确摆放，特别是一些有级性的元件，防止插错了有可能对电路造成短路，在焊接元件时也要注意，特别是对一些精密度高的元件应注意电烙铁的温度，最好不要在风扇下面进行操作，以免风扇影响烙铁的温度，同时要注意焊接技术，不要出现尖角，剪出引脚的时候，引脚不要留的太长，避免不必要的干扰。

结论
大学的最好阶段，我完成了光电蜡烛的设计这个毕业设计，加入了一个发音环节。

从社会的发展，电子行业产品的更新换代，社会安全性等发面的原因，来实现与设计光电蜡烛的。

光电蜡烛是在查阅大量的文献与资料，总结以前学过的知识，结合当前社会的一些实际情况，来完成了一个与生日习俗息息相关的一个光电蜡烛。

从开始毫无头绪到分析系统的实现方法，再到具体的查阅资料，设计电路原理图，实物的焊接以及电路调试等。

一共用了2个多月时间，基本上实现了初步的要求，取得了良好的成果：
（1）毕业之前完成了光电蜡烛，并能够唱歌，详细的介绍了该装置的硬件结构和软件设计。

（2）大学学习的数字电路，模拟电路，传感器技术，单片机原理等方面的知识进行了一次系统的复习，同时也对该装置涉及到的其他知识也进行了学习。

选择了STC89C51单片机作为主控制器简化了电路同时也提高了整个装置的抗干扰能力。

（3）用DXP绘图也是大学学习的内容，用STC-ISP下载软件到单片机中进行调试。

设计当中还纯在这一些不足的地方：蜂鸣器里发出的声音还不是很清晰，说明还纯在这一些小干扰，电路的焊接水平有待提高.我在制作电路的过程中有一种很浓厚的兴趣，这源于我热爱我的专业，正是这种热爱给了我一种无穷的力量，这种力量可以让我废寝忘食的不断的改善调试电路可以让我为一个小小的元件
的应用而久久深思，可以让我深夜写着毕业设计说明书，回顾自己的毕业设计制作过程，心中一阵感慨，有失落，有兴奋，有喜悦，有苦恼，但我觉得它值得我这样去做，因为它不仅让我有了一次实践的机会，让我学会了怎样去面对制作过程中遇到的困难，怎么去解决，让我学会了思考，让我在设计的同时也复习了以前的一些知识，原来不知道学了有什么用的枯燥的电路原理，现在让我在实际应用中觉得少学了好多知识，心中无限后悔。

但通过这次毕业设计让我学会了许多东西，亲身体会其制作的艰难路程，这也为我以后的学习打下了结实的基础，在以后的学习中我将会理论联系实际，为社会作贡献。