一种太阳能无线声光控LED灯的设计

论文总字数：17970字

目 录

1 绪论 1

1.1研究的背景 1

1.2国内外相关技术的发展现状 1

1.2.1太阳能及LED技术国内外发展现状 1

1.2.2语音识别技术发展现状 2

1.2.3 WiFi技术发展现状 3

1.3论文内容简介 3

1.4本章小结 4

2 方案的设计与论证 4

2.1设计功能分析及框图 4

2.2控制方案的选择 4

2.2.1单片机芯片的选择 4

2.2.2 A/D采样芯片的选择 5

2.2.3无线遥控模块的选择 5

2.2.4语音控制模块的选择 5

2.3最终方案的确定 6

2.4本章小结 6

3 硬件的设计 6

3.1单片机主控模块设计 6

3.1.1 STC89C52的功能及特点介绍 6

3.1.2各模块对单片机端口和引脚的使用 7

3.1.3单片机最小系统说明 7

3.2太阳能充电电路设计 7

3.2.1 TP4056锂电池充电电路 8

3.2.2 DC-DC升压电路 8

3.3光照检测电路设计 9

3.3.1光敏检测电路 9

3.3.2 PCF8591 A/D采样电路 9

3.4 LED灯照明电路设计 9

3.5 WiFi控制电路设计 10

3.6语音控制电路设计 10

3.7本章小结 11

4 软件的设计 11

4.1软件开发平台介绍 11

4.2软件设计思路 11

4.2.1光照检测控制软件思路 12

4.2.2 WiFi控制软件思路 13

4.2.3语音控制软件思路 13

4.3本章小结 14

5 焊接与调试 14

5.1电路焊接 14

5.2系统调试 14

5.2.1太阳能充电调试 14

5.2.2光照控制调试 15

5.2.3 WiFi控制调试 16

5.2.4语音控制调试 17

5.3设计中遇到的问题及探讨 17

5.4本章小结 18

6 总结与展望 18

6.1论文总结 18

6.2对设计的思考与展望 18

参考文献 18

致谢 20

附录1 硬件原理图 21

附录2 实物照片 22

一种太阳能无线声光控LED灯的设计

刘洋

，China

Abstract：With the increasingly serious problems of energy and the environment, solar energy as an ideal clean energy, LED as a new source of energy-saving and environmental protection has been widely valued and applied. In recent years, the rapid increase in intelligence has also led to an increase in the use of intelligent control technology. This design uses solar panels to convert solar energy into electrical energy. After the TP4056 charging module is used to charge the lithium battery, the entire design is powered, and the combination of solar energy and LED clean energy is used. In the energy saving and environmental protection at the same time adding intelligent control technology, with STC89C52 MCU as the main control chip, light control through the photosensitive resistor, LD3320 module for voice recognition and WiFi module ESP8266 module control, changing the traditional control method of singleness, more convenient, Humanize. The paper firstly describes the design research background and the development status of related technologies at home and abroad. Then it briefly introduces the design of the overall design and the design of the circuit modules for solar charging, lighting detection, WiFi control and voice recognition control. Then it explains the software design ideas and All parts of the circuit debugging process. Finally, summarize the overall design and put forward the future.

Key words：Light perception; LED; Solar energy; WiFi; Voice recognition

1 绪论

1.1研究的背景

科技在不断进步，经济在迅猛发展，传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出^[1]，能源问题日益成为制约人类和社会发展的瓶颈，于是寻求发展的新动力已经势在必行。人们为了保护环境和赖以生存的地球，维持可持续发展，太阳能作为一种理想的清洁能源受到越来越多的重视和广泛的应用。太阳能不仅储量丰富，而且分布广泛，是发展潜力最大的可再生能源。特别是在中国广阔的土地上，中国的太阳能储量上要比欧洲、日本等国家优越的多，因而有巨大的开发利用的潜力^[2]。而气候的变迁使得节能减碳的议题日趋受到重视，如何有效减少耗能成为重要课题。LED光源是一种具备可靠性强、耗电量低、使用寿命长、灵活环保、发光效率高等优点的新型光源^[3]，LED产业也不断蓬勃发展。而传统的小功率的照明灯亮度低，使用时间短，传统大功率的照明灯耗电高，节能环保性差。随着LED的诞生，全球的传统照明渐渐地被节能省电的LED取代，LED技术在多重领域改善着人类生活。

而随着近几年信息智能化项目的飞速推进，智能控制不再是过去那般遥不可及，逐渐走入寻常百姓的日常生活，开始使用和认可智能控制的人也慢慢增加。提到智能化就不得不说我们每天通过智能手机和电脑上网时都在使用的WiFi技术，今天的无线WiFi技术已经在大型工业设备控制、家庭智能组网、无线照明领域大量应用^[4]，而WiFi技术在智能化家居控制中的应用也越来越普及，逐渐走向成熟。与此同时语音识别技术的飞速发展给人们的生活带来了极大的便利，语音声控的热潮已经势不可挡，成为人机自然交互的基本途径之一。无论是在人们的日常生活中还是工业生产方面，语音识别技术发挥的作用都不可磨灭。而随着智能家居理念的不断深入人心，智能产品在生活中的渗透率也越来越高，在照明设备方面，人们也不再满足传统的手动控制，而是追求更加智能，更易于操作、更科技化的照明。

太阳能和 LED 照明技术的结合，不仅节能减耗，保护了生存环境，维护了可持续发展，还摆脱了对传统电源和照明技术的依赖，有助于“绿色照明工程”的大力推广和发展^[5]。而语音识别和无线WiFi技术的结合应用，完美解决了传统控制方式缺乏新意，控制过程单一繁琐的问题。使灯操作更加便捷，不仅具有科技感，而且人性化十足。本课题就是在这样的技术背景下，提出将太阳能 LED 照明技术和智能控制技术相结合。

1.2国内外相关技术的发展现状

1.2.1太阳能及LED技术国内外发展现状

太阳能的使用在国内外并不少见，它的使用技术很早就已经被研究，我们如今经常会见到公路太阳能路灯的使用，太阳能不仅仅在公路上使用，在其他一些领域都被广泛应用，如交通信号灯、通信、石油管道等许多的工业领域里^[6]。其中，随着太阳能和照明技术的成熟，它高效、环保、节能的优点，被许多国家大力推广。从上世纪 90 年代起，许多国家为了促进太阳能发电技术的发展出台了相关政策和法规，太阳能光伏发电产业已成为世界能源产业不可分割的部分。

最早提倡和推广太阳能应用的西方发达国家是德国，公布了相关政策法规，还实行了“2000个太阳能屋顶计划”，大力倡导民众使用太阳能。美国太阳能技术的开发和利用在世界上拥有着举足轻重的地位，提出了“百万太阳能屋顶”的方案，并进行太阳能补贴政策，鼓励人们使用太阳能，极大地促进了太阳能技术的应用。此外，像日本、荷兰、澳大利亚、法国等一些发达国家都有对太阳能发电使用的推广鼓励政策^[7]。而太阳能使用的规模也不仅仅局限于某一两个领域，逐渐扩展到各种光伏建筑以及其他一些用电行业，可以说，太阳能不再只能作为备用能源，而是慢慢成为不可或缺的代替能源。

随着相关技术的进步，中国的太阳能产业也不再停滞不前，开始迅猛发展。我国经过不懈努力终于在1959 年研制出第一块高实用价值的太阳能电池^[8]，并将其成功应用于太阳能发电站，随后我国大力推广太阳能技术的使用。近年来，国家出台了相关的政策，投入了大量资金对太阳能发电产业进行支持，降低了发电成本，有利于太阳能的推广和进一步使用。但目前来看，虽然太阳能产业发展已经受到国家的重视，但是，由于起步比较晚，与德国、美国等发达国家仍有着一定差距。

太阳能有着众多的应用领域，太阳能灯市场越来越大。而由于技术的进步，LED的发展非常迅速，应用也趋于完备，LED节能环保、转化效率高。正常情况下LED的工作电压很低，只有两三伏左右，工作电流也很微小，与同等发光效率的白炽灯相比，LED灯消耗的电能比白炽灯和普通节能灯都低的多，所以 LED 是当之无愧的节能光源。安全性方面也比一般灯要高，非常适合于家庭和公共场合。将太阳能和 LED 作为照明光源相结合，可以发挥出两者的优势，使得灯具有稳定耐用、环保、高效、功耗低等优点，正是由于这些优点，许多政府越来越重视太阳能 LED 灯，前景市场非常好。

1.2.2语音识别技术发展现状

在国内外人机交互的发展过程中，语音识别技术起到了至关重要的纽带作用。语音识别技术发展到现在主要衍生出两个不同的趋势。第一种是词汇量大的连续语音识别系统，主要功能是个人电脑端的听写输入和基于英特网的语音搜索。二是基于移动平台发展出的便携化语音交互功能^[9]。语音识别算法应用到可移动的便携化硬件设备中，成功的将两者融合在一起。

不得不说通信技术的快速提高和普及，为语音识别技术的成熟提供了良好的发展环境。无论是国内外的移动通信商还是各大互联网企业都无比重视语音识别的研发和使用。而受益于集成化的大规模应用，语音识别系统已经开始逐渐朝着模块化、芯片化、批量化的生产方向发展了。语音识别技术的使用也越来越普及，小到手机的语音搜索，大到智能家电控制、汽车的语音交互系统等^[10]。

从上个世纪八九十年代开始，随着HMM算法不断的研究和发展，科学家付出巨大的努力，才让HMM算法从理想照进现实，非特定人的连续大词汇量的语音识别，也不再是不可能。对语音识别的需求迸发在上世纪90年代后期，许多发达国家和公司企业由于应用的需要，都开始投入大量资金，开发属于自己的语音识别技术，在这一时期美国、日本以及Apple、IBM等公司成果卓著^[11]。同时，提出了可以辨别人类情感的SVM语音识别算法。通过语音信号中谐波的不同，从而进行不同情感的归类并识别。到了21世纪，视听识别开始兴起。将图像和语音信号融合识别成为趋势，使识别结果更加精确。

在这一时期，互联网发展的白热化和可智能数码产品、可穿戴设备的异军突起，都为语音识别应用于嵌入式设备提供了良好的外部环境。而对于ARM，DSP等平台，虽然一开始研究人员只提出了一些离线的，孤立词语特定的人的小词汇量语音识别解决方案^[12]。但后来分布式语音识别框架的提出为实现非特定人和连续的大词汇量的语音识别奠定了良好的基础。如今，现有产品中普遍使用云语音识别技术，如苹果语音助手Siri，科大语音识别等。而语音识别技术的蓬勃发展，更加推动人机之间互动交流向纵深化发展。

1.2.3 WiFi技术发展现状

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