山东大学学生科技创新大赛
论文
——综合性家用节能灯具控制器
组长：李炳燃
组员：鲍浩胡天宇
2012年4月
引言
一、当前背景
灯具是每家每户都应用的必需品，市面上的大中型吊灯/吸顶灯都是由多个灯管共同组成的，用户可以控制打开灯管个数的多少,来调节室内亮度。这就运用到了各种灯具控制器。
图 1 市场上的各种灯饰
市面上吊灯/吸顶灯控制器统计与分析：
1、普通单/双路开关控制器：
基本功能：开关1控制一组灯；开关2控制另一组灯。
图2普通控制开关
2、智能多路控制器：
基本功能：当用户打开开关时，控制器会根据拨动开关的次数来控制开灯数目的多少；如拨动一次打开灯1，再拨动一次打开灯2
图3两路分段控制开关
3、遥控控制器：
基本功能：绝大部分是四路或四路以下锁存式遥控控制；用户可以利用遥控器控制灯的开启和关闭。
图4两路带睡眠功能无线遥控器
4、其他单一性节能控制器：如声控灯，红外控制灯等等。
二、研究方向
针对市面上的所有吊灯/吸顶灯控制器分析，存在如下问题：
普通多路开关控制器由于布线复杂，成本高，不能零活控制每一盏灯的亮灭，从而造成了很多不必要的浪费。智能多路控制器则在用户选择开启灯管数目的过程中浪费了很多能源，多次闪烁也减少了灯具的受命；而遥控控制器没有很好的智能化控制，会因为用户随意多开灯而造成浪费；
也就是通常所说的长明灯，很亮的天却开着很多盏灯的状况。
市面上的控制器大都具有单一的功能，而且所有的控制都是由人控制的，没有达到智能化的目的；正因如此，由于人的疏忽，经常造成资源的浪费，达不到节能的目的，尽管大部分灯具使用的是节能灯管，可是灯具的控制器并没有达到真正意义上的节能。针对这些问题，市场上急需一种自动化，智能化而且节能的灯具控制器。
三、解决的问题
综合性节能灯具控制器集成了众多传感器，运用实际又合理的算法，在满足用户需要的同时达到了最大限度的节能。它不仅拥有所有传统控制器的功能，而且还有很多创新的实用功能。操作简单，方便；智能化程度高，节能系数高，不仅节省了电能，而且设备寿命大大增加。
我们小组的这个综合性节能灯具控制器很容易地解决了上述所有问题，从而实现了既环保又安全的自动化照明。
关键词：节能灯控制器、单片机智能控制、
语音识别控制、智能化节能
目录
引言
一．总体设计 (7)
1.设计框图 (7)
2.功能简述 (7)
3.使用方法 (9)
二．主控及系统设计 (11)
三．硬件电路设计 (13)
1.电源管理模块 (15)
2.单片机模块 (15)
3.光线采集分析模块 (17)
4.遥控模块 (19)
5.显示模块 (20)
6.继电器模块 (22)
7.红外热释模块 (23)
8.语音模块 (25)
9.时钟模块 (26)
四．软件设计 (27)
（一）、总体设计
一、 设计框图
综合性吊灯/吸顶灯节能控制器是基于8051系列和凌阳61系列单片机
控制，通过外围电路的设计和软件编写完成，集成化制作和生产价格很低。
基本设计如下：
二、功能描述
综合性节能控制器的功能如下： 1. 智能光线功能：
当用户打开墙壁开关（仅一个）时，控制器会迅速采集室内几个方向（窗户方向和背对窗户方向等）的光照强度，并分析光照强度，根据分析结果控制打开吊灯灯管数目的多少。从而平衡室内的亮度。这样就避免了用户错误选择打开灯管数目而造成的室内偏亮或偏暗，从而减少能源的浪费。
2. 情景模式自动识别与选择功能：
用户可选择照明情景模式，分为“一般模式、工作学习、家庭娱乐、影视欣赏等”，可根据各种传感器反馈回来的信息与时钟芯片信息结合经处理器分析判断应该选择的照明方式，得到最舒适的照明效果。 3. 有更强的控制能力：
普通的灯具控制器对于多盏灯的控制能力总是有限的，不能灵活的控制每一盏灯，只能粗略的把灯具分为几个档位，不能逐个亮起每一盏灯，所以经常会造成能源的浪费。该控制器可以设计成控制每一盏灯，对灯具的控
单片机
继电器模
遥控模块
红外热释模
块 电源管理模
块
光线采集分析模块
显示模块
时钟模块
语音识别模块
制能力很强很灵活，比如灯具共有七盏灯，该控制器可以控制从1、2、3、
4、…….、7 。也就是说每一盏灯都在该控制器的掌控之下。从而接近了
无极调光的功能，优化了以上提到所有控制器的不足。
4.具有语音识别控制功能：
智能版控制器拥有现代化的语音识别功能，用户只需要经过简单的采集语音就可以说话控制开灯关灯等功能。控制指令分为“开灯”、“关灯”、“亮一点”、“暗一点”等控制语句，为了防止正常交流的时候误开灯，控制语句还包含确认语句，当需要发出指令之前用户需要说“帮手”，控制器会回应“请指示”，然后用户发出控制指令，对灯具进行操作。
5.全自动开关与定时开关功能：
当用户打开灯后，控制器会自动根据室内光强的变化而自动更改打开灯数的多少，从而自动控制室内亮度，当室内亮度达到一定值时灯也会自动的被关闭。同时还具有定时开关功能，不必用户干预，根据用户设置，可实现某时段的自主开关，自主调光。
6.开灯灯光渐强功能：
当用户在及其黑暗的状态下开灯，控制器将会逐个点亮灯具，会使室内光线逐渐增加，亮灯过程更加柔和，防止光线的突然增强对用户眼睛造成的伤害。
7.具有遥控功能：
配有四路遥控器，用户可以自己调节开灯数目的多少，灵活控制每一个灯，从而更加符合用户各种不同的需求。同时也可以拓展实现利用电视，空调等红外遥控器来控制，使遥控变的更方便。
8.红外感应自动控制功能：
配有人体红外热释模块，可以采集室内人员信息，当室内没有人员时控制器会发出警报，如果长时间没有应答控制器会逐渐减弱光强，达到节能的目的。
9.采用无触点控制技术，大大提高控制器的使用寿命。
10.强大的拓展空间：
该控制器可以连接很多其它传感器等，比如门锁传感器等等，从而实现出门自动关灯，以达到最大限度的节能；可以拓展语音模块，从而实现语音控制功能，方便用户使用。
新颖功能总结：节能、智能化、人性化、可控化。
该控制器的制作成本并不高，布线安装方便，可集成化生产。
三、使用方法
1、正常使用说明
——智能版控制器不需要用户操作，实现定时自主开关灯、室内亮度全自动调节；可根据需要使用语音、遥控器或控制面板控制。
——简化版只需要在用户需要开灯的时候按下遥控器的AUTO键，关灯时按下OFF键，即可实现室内亮度全自动调节。
2、产品控制说明：
1、简化版本：
短按AUTO 按键——开灯（自动选择亮度）；
短按UP 按键——亮度增加；
短按DOWN 按键——亮度减小；
短按OFF 按键——关灯；
长按AUTO 按键两秒——进入模式选择，
此时按UP/DOWN键切换模式，OFF键退出模式选择；
2、智能领先版：
除了简化版功能外
按键A——设置室内灯具参考模式；
按键B——红外检测开启/关闭；
按键C——声音模块开启/关闭；
按键D——定时设置开启/关闭；
语音控制指令：经过训练后可实现语音识别，如：
开灯，关灯，亮一点，暗一点等等。
（二）、主控及系统设计
本设计基于8051系列单片机实现对室内综合信息的采集和分析，从而控制灯具亮度，调整室内亮度。
设计通过光敏电阻采集室内光强，通过AD芯片把采集到的光强模拟量转化为数字量输入到单片机，经过单片机分析得出应该打开灯的数目，并从IO 口输出信号，经过放大后驱动继电器，控制灯的亮与灭，从而实现了室内自主调光。
设计分为以下模块（总述）
1.电源管理模块
为单片机提供稳定安全的电源供应，使得单片机能正常稳定的工作2.单片机控制模块
控制器的核心，控制其它各个模块的工作，并分析处理数据
3.光线采集分析模块
负责对室内光线的采集，信号转化，并把得到的信息反馈给单片机4.语音识别模块
实现人机互动，可实现语音控制灯具的工作，主要由语音模块或61单
片机实现语音识别和语音提示
5.无线遥控模块
实现遥控操作功能，把接收到遥控器的信号经过转化传输给单片机6.显示模块
实现控制器与使用者的互动，显示需要调整的信息等
实时显示控制器工作状态，包括各个传感器反馈回来的信息与输出的
控制指令
7.继电器模块
为了驱动市网220V电压，实现对灯具的控制
8.红外热释模块
采集分析室内人员信息，并及时反馈给单片机
9.时钟模块
提供定时开关功能的时间基准，也可为用户显示实时时间
（三）、硬件电路设计总电路图设计
图 5 模块硬件电路设计
产品总体外观图：
图 6 简略版成品实物图
图7 智能版成品实物图（1）
一、电源管理模块
单片机和外围模块电源采用220V转5V开关电源得到；电源的稳压采用7805稳压三极管，并经电容滤波得到5V的稳定电压，输入到单片机和各个模块。
电源模块由两个指示灯同时指示工作状态：指示灯1反映开关电源供电状况，指示灯2反映稳压滤波后电压是否正常。
图9 电源管理模块
图10 双指示灯稳压电路外观图
二、单片机模块
单片机采用宏晶科技公司生产的STC89C52单片机。
STC89C52是一种低功耗、拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。STC89C52具有以下标准功能： 8K字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位定时器/计数器，一个6向
量2级中断结构，全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护模式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。（引自百度百科）
图11 STC89C52单片机
32 位I/O 口满足了设计的要求，三个计数器满足了定时刷新的需求。STC89C52是最常用的单片机之一，通用性好，便于后期升级和开发。
模块电路如下（具体IO口引脚定义可能改变，单片机外围还有P0口的上拉电阻、晶振等）
图12 单片机模块引脚定义
三、光线采集分析模块
室内光线采集采用光敏电阻，常用的制作材料为硫化镉，这些制作材料具有在特定波长的光照射下其阻值能够迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻的阻值迅速下降, 光敏电阻的阻值大小和光照强度在一定范围内接近线性关系；通过光敏电阻和一个精密电位器串联接与5V电源和地线之间实现分压，通过AD芯片采集分得电压的大小从而得知光强的大小。AD 芯片采用PCF8591——
PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS数据获取器件。PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I2C总线接口。PCF8591的3个地址引脚A0, A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个I2C总线上接入8个
PCF8591器件，而无需额外的硬件。在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数
据信号都是通过双线双向I 2C 总线以串行的方式进行传输。AIN0～AIN3：模拟信号输入端。
由于它采用I 2C 总线来控制和读写数据，所以占用IO 口资源较少，但是写起程序来相对复杂，它拥有4路AD 和1路DA ，足以满足扩充到4个光线传感器的要求。并且外围器件较少。
图 13简化版控制器上的PCF8591芯片
电路图如下（光敏分压部没有画，用其它符号代替）
PCF8591引脚
A0～A2：引脚地址端。
VDD 、VSS ：电源端。 （2.5～6V ） SDA 、SCL ：I2C 总线的数据线、时钟线。 OSC ：外部时钟输入端，内部时钟输出端。 EXT ：内部、外部时钟选择线，使用内部时钟时 EXT 接地。
AGND ：模拟信号地。 AOUT ：D/A 转换输出端。
VREF ：基准电源端。
图14 外围电路和IIC接口
四、遥控模块
四路非锁存外差遥控模块，由于超外插接收效果比超再生效果好的多，为了防止继电器在吸起和弹开瞬间产生脉冲对遥控信号的影响，所以尽量采用效果较好的接收器和发射器。
外观图如下所示，
图15 遥控发射模块和接收模块
引脚定义为 GND VCC LED K1 K2 K3 K4 GND
图16 接收模块的引脚定义
五、显示模块
显示模块分为两个部分：
一、LED指示灯，
电源模块指示灯在之前有介绍；每个继电器都有独立的指示灯来显示继电器吸合状态；无线模块接受指示灯显示是否有信号接收；红外感应模块也拥有工作状态指示灯。
二、1602液晶点阵显示器
采用1602点阵的目的是更好的实现人机交互和最大化的信息反馈
1602液晶—工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。（16列2行）1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。正因为如此所以它不能显示图形。
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。（引自百度百科）
图17 1602液晶引脚定义
图18 1602液晶模块材料
六、继电器模块
继电器是控制电灯开关的重要器件，利用继电器控制不仅方便了控制各路灯
的开关，而且大大增加了灯具开关的使用寿命，减少了使用中的更换等。
由于单片机电流驱动能力有限，所以不能直接把继电器接到单片机的IO口，