目录 基于单片机的手机无线充电器设计.。丁小旭：郭百付李可1 全方位分区控制智能照明系统的设计实现…李娜：张涛：叶建松5 防挂载电流智能断电插排 ·谢明学；刘亚骄：熊源9 公交客流统计系统设计.白璐：胡雪岩：韩醒之13 电磁辐射检测仪的设计与实现..王迪：任天明：蒋明杰17 呼吸暂停综合症早期发现仪的开发与研制…王刚：连士博：徐丽霞21 智能多功能台灯. ....张卓：陈捷元：张微25 可远程交互的二次重合闸微机装置的设计与实现.....马品：王钰：韩思雨29 基于彩信的智能防盗报警系统 0。…。…。。。。…。。。…。……。。。 周贤泽；张爽轩：刘延36 便携式电感测量仪…孟泽霖：李永彬41 高密度电法编号检测仪...…刘馨阳：程远达：韩冬45 基于三角测量的三维扫描和激光测距装置......陈浩：韩醒之：唐祥美：姜弢50 基于STC12C5A60S2单片机的声源定位系统设计..吕婷婷：王洪超：彭壹帅55 光伏发电并网孤岛检测技术 …孙淑琴：耿震：张发聪：王慧轩59 光纤检波器电磁阻尼的研制与仿真.......周瑞：姜然淞：薛碧曦64 基于SG3525Buck型的DC-DC直流变换器设计.张发聪：文晓哲：许琳琳：王世隆76 基于R℉24L01的无线多点温湿度检测系统设计.·武金地：宋奇翰：赵潇逸81 XYZ轴步进电机三维运动控制系统.. .聂洋：李腾飞：刘惠85 基于RF905的无线温室环境检测系统设计...·杨树新：刘洋：冷舒喆89 基于GSM无线通讯的宿舍智能安全报警系统…焦雷：赵越：王正宇92 一种射频宽带放大器的设计… …徐丽霞；王刚：连士博95 办公室计算机显示器的电磁辐射测量报警系统.，，袁贵扬：沈春洋：刘古城100 基于对消法的高精度数控陷波器的设计.·千承辉：李琦：石照民：徐倩104
I 目录 基于单片机的手机无线充电器设计 .......................... 丁小旭；郭百付；李可 1 全方位分区控制智能照明系统的设计实现 ...................... 李娜；张涛；叶建松 5 防挂载电流智能断电插排 .................................. 谢明学；刘亚骄；熊源 9 公交客流统计系统设计 .................................... 白璐；胡雪岩；韩醒之 13 电磁辐射检测仪的设计与实现 .............................. 王迪；任天明；蒋明杰 17 呼吸暂停综合症早期发现仪的开发与研制 .................... 王刚；连士博；徐丽霞 21 智能多功能台灯 ............................................ 张卓；陈捷元；张微 25 可远程交互的二次重合闸微机装置的设计与实现 ................ 马晶；王钰；韩思雨 29 基于彩信的智能防盗报警系统 .............................. 周贤泽；张翼轩；刘延 36 便携式电感测量仪 .............................................. 孟泽霖；李永彬 41 高密度电法编号检测仪 .................................... 刘馨阳；程远达；韩冬 45 基于三角测量的三维扫描和激光测距装置 .............. 陈浩；韩醒之；唐祥美；姜弢 50 基于 STC12C5A60S2 单片机的声源定位系统设计 ............. 吕婷婷；王洪超；彭壹帅 55 光伏发电并网孤岛检测技术 ........................ 孙淑琴；耿震；张发聪；王慧轩 59 光纤检波器电磁阻尼的研制与仿真 .......................... 周瑞；姜然凇；薛碧曦 64 基于 SG3525 Buck 型的 DC-DC 直流变换器设计 .... 张发聪；文晓哲；许琳琳；王世隆 76 基于 nRF24L01 的无线多点温湿度检测系统设计 ............. 武金地；宋奇翰；赵潇逸 81 ＸＹＺ轴步进电机三维运动控制系统 .......................... 聂洋；李腾飞；刘惠 85 基于 NRF905 的无线温室环境检测系统设计 ................... 杨树新；刘洋；冷舒喆 89 基于 GSM 无线通讯的宿舍智能安全报警系统 .................... 焦雷；赵越；王正宇 92 一种射频宽带放大器的设计 ................................ 徐丽霞；王刚；连士博 95 办公室计算机显示器的电磁辐射测量报警系统 .............. 袁贵扬；沈春洋；刘古城100 基于对消法的高精度数控陷波器的设计 ................ 千承辉；李琦；石照民；徐倩104
丁小相等：基于单片机的手机无线充电器设计 基于单片机的手机无线充电器设计* 丁小旭：郭百付：李可 (吉林大学仪器科学与电气工程学院，长春130012) 摘要：为了适应无线充电在植入性医疗器件、传感器、市政交通等方面应用，改变目前电子产品充电接口不兼容 的情况。本设计采用STC12C5A60S2低功耗单片机作为无线传能充电器的监测控制核心.基于电磁感应原理，通 付线图讲行能量想合，实理能量的传递。电流拉制、申压抄制功能实现在传龄距离S心m下，到V申压、0A 电流持续稳定供电，电能充满后给出充满提示且自动停止充电 ,充电电压和充电电流显示采用低功料 液品屏。系统具有无线充电、能量传输效果好、成本低、无需布线、携带方便等优势，有着广泛的应用前景。 关键词：STC12C5A60S2单片机智能无线充电 Mobile wireless charger design based on single chip microcomputer Ding Xiaoxu;Guo Baifu;Li Ke Abstr:Inrder to adapt to wireless charging in implantable medical devicessapplication of municipal transporation aspect change the present electronic charging interface is not commatible This design uses STC12C5A6052 low-power microcontroller as the wireless transmission can charger monitoring control core hased on the nrincinle of electromagnetic induction,Energy coupling through the utomatically stops charging Charging voltage and charging current display with low power consumption LCD1602 LCD screen.System has good performance in wireless charging.energy transmission,low cost,no wiring.easy to carry and other advantages.has a broad application prospect 920进行无线充电时，需要放在对应的无线充电板 前言 一旦超过2厘米便无法进行充电，而且生产工 序复杂，价格昂贵，可见增加传输距离是无线充电 手机需要对应的充电器大部分充电器不能通 技术应该重视的问题。本设计同样采用电磁感应原 用和兼容，使用者携带有线充电器和充电都不方便 理，线摆合产生能量，硬件申路主要有发射 所以一种无需充电器的充电技术亟待开发。 诺基 端和接收端两部分组成，发射 采用 NE555与RC 920这款手机具备了无线充电技术，采用电磁感应 构成振荡电路，使用场效应管作为功放元件：接收 原理，发送和接收端各有一个线圈，发送端线圈连 瑞由BUCK斩波电路即降压型DCDC转换电路实 接有线电源产生电磁信号，接收端线圈感应发送端 现稳压稳流作用。传输距离可以达到5-10cm,电压 的电磁信号从而产生电流给电池充电。但是诺基亚 5V,电流0.5A稳定充电。具有原理简单，无线传 ”指导教师：李春生 项日类型：大学生创新项日
丁小旭等：基于单片机的手机无线充电器设计 1 基于单片机的手机无线充电器设计* 丁小旭；郭百付；李 可 （吉林大学 仪器科学与电气工程学院，长春 130012） 摘要：为了适应无线充电在植入性医疗器件、传感器、市政交通等方面应用，改变目前电子产品充电接口不兼容 的情况。本设计采用 STC12C5A60S2 低功耗单片机作为无线传能充电器的监测控制核心,基于电磁感应原理，通 过线圈进行能量耦合，实现能量的传递、电流控制、电压控制功能,实现在传输距离 5cm 下，达到 5V 电压、0.5A 电流持续稳定供电，电能充满后给出充满提示且自动停止充电。充电电压和充电电流显示采用低功耗 LCD1602 液晶屏。系统具有无线充电、能量传输效果好、成本低、无需布线、携带方便等优势，有着广泛的应用前景。 关键词：STC12C5A60S2 单片机 智能 无线充电 Mobile wireless charger design based on single chip microcomputer Ding Xiaoxu; Guo Baifu; Li Ke (Instrument science and electrical engineering college of University Changchun 130012 Abstract：In order to adapt to wireless charging in implantable medical devices, sensors, application of municipal transportation aspect, change the present electronic charging interface is not compatible.This design uses STC12C5A60S2 low-power microcontroller as the wireless transmission can charger monitoring control core, based on the principle of electromagnetic induction,Energy coupling, through the coil, current control, voltage control to realize the power transfer function and the transmission distance of 5 cm,At 5 v power supply voltage, 0.5 A current steady, electricity given after full of full of hints and automatically stops charging.Charging voltage and charging current display with low power consumption LCD1602 LCD screen.System has good performance in wireless charging, energy transmission, low cost, no wiring, easy to carry and other advantages, has a broad application prospect. Key words：STC12C5A60S2 microcontroller intelligent wireless charging * 指导教师：李春生 项目类型：大学生创新项目 前言 手机需要对应的充电器,大部分充电器不能通 用和兼容，使用者携带有线充电器和充电都不方便。 所以一种无需充电器的充电技术亟待开发。诺基亚 920 这款手机具备了无线充电技术，采用电磁感应 原理，发送和接收端各有一个线圈，发送端线圈连 接有线电源产生电磁信号，接收端线圈感应发送端 的电磁信号从而产生电流给电池充电。但是诺基亚 920 进行无线充电时，需要放在对应的无线充电板 上，一旦超过 2 厘米便无法进行充电，而且生产工 序复杂，价格昂贵，可见增加传输距离是无线充电 技术应该重视的问题。本设计同样采用电磁感应原 理，通过线圈耦合产生能量，硬件电路主要有发射 端和接收端两部分组成，发射端采用 NE555 与 RC 构成振荡电路，使用场效应管作为功放元件；接收 端由 BUCK 斩波电路即降压型 DC/DC 转换电路实 现稳压稳流作用。传输距离可以达到 5-10cm，电压 5V，电流 0.5A 稳定充电。具有原理简单，无线传
吉林大学仅器科学与电气工程学院2013年下半年中文论文集 输距离较长，成本低的优势。设计中单片机和LC 量发送单元和接收单元耦合线圈的间距D在测试中 耗电较多，导致充电电流低的问题，所以用低功耗 可能改变，导致距离的不同充电电压变化，为安 芯片和液品显示器，可提高充电电流。 设计考虑，所以充电方式上选择恒压的充电方案。 在器件选择上选择有多种省电模式，功耗特别省， 1硬件系统设计 拉干扰力特福的MSP430系列超低功耗单片机 MSP430F2274作为无线传能充电器的监测控制 本无线充电系统的设计采用电磁感应原理，利 心芯片，电压和充电时间显示采用低功耗LCD1602 用线圈耦合方式传递能量。由于无线传电电压随能 液晶屏，以提高充电电路的能量利用效率。 电容谐振、整流 满电 功率放大 波和稳压装置 →频率产生电路 5A60 图1总体方案设计框图 Fig I System architecture 1.1振荡电路的设计 1 发射电路由振荡信号发生器和谐振功率放大器 f= 2π√C 两部分组成 见图2所示 当谐振在55KHZ时，与其并联的电容C16 为0.1uF。当功率放大器的选频回路的谐振频率与 信号：谐振功率放大器由LC并联谐振回路和开关 管构成。振荡线圈按要求用直径为0.50mm的漆包 激励信号频率相同时，功率放大器发生谐振，此时 线圈中的电压和电流达最大值，从而产生最大的交 线密绕30圈，实测电感值约为90uH,由公式可知： 变电磁场，具有最好能量传输效果。 R3 0川 210 847 44 IR210 O.IUF 05 010R38 IN4148 图2发射电路硬件图 1.2半桥逆变电路的设计 如图2右侧所示半桥逆变电路，两个MOS开 关管组成此半桥电路。当MOS管Q1导通时，Q5
吉林大学仪器科学与电气工程学院 2013 年下半年中文论文集 2 输距离较长，成本低的优势。设计中单片机和 LCD 耗电较多，导致充电电流低的问题，所以用低功耗 芯片和液晶显示器，可提高充电电流。 1 硬件系统设计 本无线充电系统的设计采用电磁感应原理，利 用线圈耦合方式传递能量。由于无线传电电压随能 量发送单元和接收单元耦合线圈的间距D在测试中 可能改变，导致距离的不同充电电压变化，为安全 设计考虑，所以充电方式上选择恒压的充电方案。 在器件选择上选择有多种省电模式，功耗特别省， 抗干扰力特强的 MSP430 系列超低功耗单片机 MSP430F2274 作为无线传能充电器的监测控制核 心芯片，电压和充电时间显示采用低功耗 LCD1602 液晶屏，以提高充电电路的能量利用效率。 图 1 总体方案设计框图 Fig.1 System architecture 1.1 振荡电路的设计 发射电路由振荡信号发生器和谐振功率放大器 两部分组成，见图 2 所示。采用 NE555 构成振荡频 率约为 55KHZ 信号发生器，为功放电路提供激励 信号；谐振功率放大器由 LC 并联谐振回路和开关 管构成。振荡线圈按要求用直径为 0.50 mm 的漆包 线密绕 3O 圈，实测电感值约为 90 uH，由公式可知; 1 2 LC f π = 当谐振在 55 KHZ 时，与其并联的电容 C16 约 为 0.1uF。当功率放大器的选频回路的谐振频率与 激励信号频率相同时，功率放大器发生谐振，此时 线圈中的电压和电流达最大值，从而产生最大的交 变电磁场,具有最好能量传输效果。 TRIG 2 OUT 3 RST 4 CVOLT 5 THR 6 DISC 7 VCC 8 GND 1 U3 NE555N +12V C19 0.1UF C16 100p R36 1K R47 1K R38 4.7K Q5 IRFB3607 Q1 IRFB3607 R37 47 R46 47 C15 0.1UF 90uH L3 C14 470uF R45 1K D6 LED R40 10K VCC 1 COM 4 VB 8 HO 7 VS 6 LO 5 IN 2 SD 3 U4 IR2104 D8 1N5819 C18 22uF C17 0.1UF 10K R41 Res Tap D91N4148 D10 1N4148 图 2 发射电路硬件图 Fig.2 The hardware circuit 1.2 半桥逆变电路的设计 如图 2 右侧所示半桥逆变电路，两个 MOS 开 关管组成此半桥电路。当 MOS 管 Q1 导通时，Q5
丁小旭等：签于单片机的手机无线充电器设计 截至，电流由MOS管Q1经LC电路到地线。当 相同，在本电路中输入始终大于输出，所以采用脉宽 MOS管Q5导通时，Q1截至 电流经Q2、LC到 调制方式的BUCK变换器，BUCK变换器又称降 地线。如此循环，将直流电逆变为交流电，供给Ld 变换器、串联开关稳压电源、三端开关型降压稳压 电路发射。使用R2104作为MOS管驱动芯片， 器。 R2104是一种高电压、高谏度的功率MOSEET和 1.3.1KA7500B介绍及工作原理 IGBT驱动器， 工作电压10-20V。通过H0输出控 制Q1的导通于关断，而L0控制Q5的导通于关断 图3中所绘电路本质上是一个电源电路，具有 恒流/恒压输出功能。它带有两路反馈电路，为电济 从而达到控制半桥的目的。 反馈和电压反馈，其中电流反馈的正、负极对应 1.3BUC斩波电路 KA7500B的第1、2脚，输出电流在电流取样电阻 DCDC变换是将固定的直流电压变换成可安 上产生一压降，该压降经R9、R10和R14、R15电 的直流电压，也称为直流斩波。Buck电路即降压斩 阻回馈回来 波器，其输出平均电压U0小于输入电压U,极 N2 N5819 单片机电源 RS ADI L24利 AD IUF RC R28 c8R29 RC R3 C波 0.01UF C13 图3DC/DC变换电路 Fig 3 DC/DC inverter 当KA7500B的第1脚电压大于第2脚电压时 后，与电压基准比较，当电压太大时，则减小脉宽 KA7500B会减小输出脉宽（第8、11脚），使电流 太小则增加脉宽，使之保持恒定的输出电压值，同 减小，否则增加脉宽，使输出电流恒定在预设值， 时用按键设置输出电压，保证输出最大的申压和申 其恒流值符合以下公式 059K I=PWM (059K+20K/R Von PWM+(16.49k 式中R为电流取样电阻，电路中的电压反馈的正、 10k 负极对应KA7500B的第16、15脚.在上由后单 片机输出PWM电压 提供给KA7500B的15脚价 2系统整体程序框架 为电压基准，输出电压经过前面电压取样电阻分压
丁小旭等：基于单片机的手机无线充电器设计 3 截至，电流由 MOS 管 Q1 经 LC 电路到地线。当 MOS 管 Q5 导通时，Q1 截至，电流经 Q2、LC 到 地线。如此循环，将直流电逆变为交流电，供给 LC 电路发射。使用 IR2104 作为 MOS 管驱动芯片， IR2104 是一种高电压、高速度的功率 MOSFET 和 IGBT 驱动器，工作电压 10-20V。通过 HO 输出控 制 Q1 的导通于关断，而 LO 控制 Q5 的导通于关断, 从而达到控制半桥的目的。 1.3 BUCK 斩波电路 DC/DC 变换是将固定的直流电压变换成可变 的直流电压，也称为直流斩波。Buck 电路即降压斩 波器，其输出平均电压 U0 小于输入电压 Ui，极性 相同,在本电路中输入始终大于输出，所以采用脉宽 调制方式的 BUCK 变换器，BUCK 变换器又称降压 变换器、串联开关稳压电源、三端开关型降压稳压 器。 1.3.1 KA7500B 介绍及工作原理 图 3 中所绘电路本质上是一个电源电路，具有 恒流/恒压输出功能。它带有两路反馈电路，为电流 反馈和电压反馈，其中电流反馈的正、负极对应 KA7500B 的第 1、2 脚，输出电流在电流取样电阻 上产生一压降，该压降经 R9、R10 和 R14、R15 电 阻回馈回来。 AR1 LM358 R20 1K AD1 C5 0.1UF AD0 1 (+)1 2 (-)1 3 FB 4 DTC 5 CT 6 RT 7 GND 8 C1 10 E2 9 E1 C2 251 12 VCC 13 OC 14 RO 15 (-)2 16 (+)2 RP1 KA7500B T1 PNP R15 100 R3 510 D4 IN5819 L1 100uH C3 470uF C2 470uF USB+ USBR2 6.49k R18 10K R29 1K C9 0.1UF C10 0.01UF C13 0.01UF R34 10K R32 300 C11 3.3UF PWM1 PWM2 R22 590 R23 590 R30 20k C8 0.1UF 100K R21 R16 100k R24 R26 100k 1K +5V D2 SR260 R33 20K R25470 差分放大电路 RC滤波 RC滤波 RC滤波 R4 0.05 C4 0.1UF R5 10k Vin 1 GND 2 Vout 3 U1 LM2940 C1470uF +5 D1 LED R1 1K R28 10K R31 1K D3 SR260 90uH L2 USB 单片机电源 N2 N2 图 3 DC/DC 变换电路 Fig.3 DC/DC inverter 当 KA7500B 的第 1 脚电压大于第 2 脚电压时 KA7500B 会减小输出脉宽（第 8、11 脚），使电流 减小，否则增加脉宽，使输出电流恒定在预设值， 其恒流值符合以下公式 ( ) 0.59 0.59 20 K I PWM K K R = ∗ + 式中 R 为电流取样电阻，电路中的电压反馈的正、 负极对应 KA7500B 的第 16、15 脚，在上电后，单 片机输出 PWM 电压，提供给 KA7500B 的 15 脚作 为电压基准，输出电压经过前面电压取样电阻分压 后，与电压基准比较，当电压太大时，则减小脉宽， 太小则增加脉宽，使之保持恒定的输出电压值，同 时用按键设置输出电压，保证输出最大的电压和电 流不超过电池额定充电的限制，通过 USB 数据线接 收端连接手机充电端口，其输出电压符合下列公式： 16.49 *( ) 10 out k V PWM k = 2 系统整体程序框架
吉林大举仪显鞋举与申气工程学院013年下半年中文诊文修 本设计整体工作主要由单片机程序控制实现 手机 充入电量 时间in 距离cm 其工作过程为：电路启动初始化，电路功能选择， 小黄蜂 30% 6 输出选择并确定输出，单片机采集计算输出PWM 信号，定时采集数据并处理调节PWM信号占空比 小黄蜂 40% 30 5 等，通过调节占空比来完成电压调节。 HTONEX 40% 60 5 2.1程序整体框架如图5所示。 HTONEX 10% 30 8 开始 3结论 切始化 本设计可实现传输距离为5.10cm,话合大名 手机接口的无线充电，解决了有线充电接口不兼容， 携带不便的问题。 系统硬件和软件均采用模块化设 需要充电？ 计，易于调试和查错。尚且存在的问题是充电效率 稍低，传输距离较短，深入研究中，可通过增大电 充申监程序 系统进入待机状套 源电压为24V以及增大线圈半径改善这一问题。同 时让PWM产生由独立芯片完成，这样可减轻单片 机的负担， 并可提高电路输出精度。 结宋 参考文献 图4系统程序流程图 Fig.4 System program flow chart 1. 肖志坚，韩震宇，李绍卓关于便携式电子设备 2.2充电子程序的设计 新型无线充电系统的研究)自动化技术与应 充电过程分两阶段讲行，第一阶段为相压充申 用2007,12：114-116. 充电电压可设定，当充电电压达到42V时转入第一 2. Digital Voice Systems.Inc.AMBE1000 Vocoder 阶段，即42V的恒压充电方式，恒压充电电流会随 着时间的推移而逐渐降低，待充电电流降到10m ChipUsers Manual Version 4.1[M]2004-04. 时，表明电池己充到额定容量的90%~95%，此时 周立功，张华深入浅出ARM7M.北京：航空航 即可认为基本充满，如果珠续充下去，充电电流会 天大学出版社2005：52.53.70-90 慢慢降低到零，电池完全充满。具体充电过程中 x 张款奕，卢教陆，张有为.AD73311通用模拟前端 “充由”红指示灯亮，满时，“东的”绿指示灯亮 不同手机的电池电量和充电距离导致手机的剂 的原理及其在语音处理中的应用.电子技术 入电量是不同的。充入电量的数据获得是由手机电 应用.19998)53-55 池显示图标的数据差。实验所用的两款手机小黄蜂 和HTCONEX的锂电池容量分别为1420mAh和 2000mAh。以表一第三行为：锂电池出电压 3.7,发射端电压电流为12V1A P有楼3720430 P发2dal2w =P=30」 P发制12=25% 表1实际充电情况 Form.1 The actual charge
吉林大学仪器科学与电气工程学院 2013 年下半年中文论文集 4 本设计整体工作主要由单片机程序控制实现， 其工作过程为：电路启动初始化，电路功能选择， 输出选择并确定输出，单片机采集计算输出 PWM 信号，定时采集数据并处理调节 PWM 信号占空比 等，通过调节占空比来完成电压调节。 2.1 程序整体框架如图 5 所示。 图 4 系统程序流程图 Fig.4 System program flow chart 2.2 充电子程序的设计 充电过程分两阶段进行，第一阶段为恒压充电， 充电电压可设定，当充电电压达到 4.2V 时转入第二 阶段，即 4.2V 的恒压充电方式，恒压充电电流会随 着时间的推移而逐渐降低，待充电电流降到 10mA 时，表明电池已充到额定容量的 90%～95%，此时 即可认为基本充满，如果继续充下去，充电电流会 慢慢降低到零，电池完全充满。具体充电过程中， “充电”红指示灯亮；充满时，“充饱”绿指示灯亮。 由于不同手机的电池电量和充电距离导致手机的冲 入电量是不同的。充入电量的数据获得是由手机电 池显示图标的数据差。实验所用的两款手机小黄蜂 和 HTCONEX 的锂电池容量分别为 1420mAh 和 2000mAh。以表一第三行为例：锂电池输出电压 3.7v，发射端电压电流为 12V1A. P有效= ×× = 3.7 2 0.4 3.0w 12 1 12w p发射= ×= 3.0 25% 12 p p η = == 有效 发射 表 1 实际充电情况 Form.1 The actual charge 手机 充入电量 时间 min 距离 cm 小黄蜂 30% 30 6 小黄蜂 40% 30 5 HTONEX 40% 60 5 HTONEX 10% 30 8 3 结论 本设计可实现传输距离为 5-10cm，适合大多数 手机接口的无线充电，解决了有线充电接口不兼容， 携带不便的问题。系统硬件和软件均采用模块化设 计，易于调试和查错。尚且存在的问题是充电效率 稍低，传输距离较短，深入研究中，可通过增大电 源电压为 24V 以及增大线圈半径改善这一问题。同 时让 PWM 产生由独立芯片完成，这样可减轻单片 机的负担，并可提高电路输出精度。 参考文献 1. 肖志坚，韩震宇，李绍卓.关于便携式电子设备 新型无线充电系统的研究[J].自动化技术与应 用 2007，12:114-116. 2. Digital Voice Systems. Inc. AMBE1000 Vocoder ChipUsers Manual Version 4.1[M].2004-04. 3. 周立功,张华.深入浅出 ARM7[M].北京:航空航 天大学出版社,2005:52-53,70-90. 4. 张歆奕,卢敦陆,张有为.AD73311 通用模拟前端 的原理及其在语音处理中的应用[J].电子技术 应用,1999(8):53-55. Y N 初始化 需要充电? 充电监程序 系统进入待机状态 结束 开始
幸娜等：会方位分区控制智能照明系统的设计与实理 全方位分区控制智能照明系统的设计实现 李娜；张涛；叶健松 (吉林大学仪器科学与电气工程学院，长春130012) 摘要：为了营造良好的灯光环境，充分利用外界自然光以达到动态控制灯光强弱的目的，并且实现低功耗，智能 化等特点，本文以STC39C51RC单片机作为控制器，光强传感器模块，LED驱动电路模块和LED灯模块组成全 方位分区控制智能照明系统。可以实现和外界光强相补充来白动调节亮度，节约能源，并且可以分区域控制，达 到普通照明的要求.光强检测精度≤1.01K,调节时间≤20s,经实际测量，与普通日光灯相比节能比率为25%-30% 关键词：照明系统光强传感器分区控制低功耗智能化 Design and Implementation of the full range of sub-control intelligent lighting system Li Na;Zhang Tao;Ye Jiansong (College of Instrumentation and Electrical Engineering.Jilin University.Changchumn 130022.China) ent,making full use of the outside natural light to achieve dynamic conro lights,low power consumption and intelligent characteristics,this intelligent lighting conro system is basedn the STC89C51R ingle-chip microcontroller as the processor,composed of light intensity sensor module,LED module and LED drive circuits.It can natically adiust the brightness added with the outside light intensity.and energy saving and sub-regional control functions can be implemented.Light intensity detection's accuracy is less than 1.0x adjusting time is less than 20s,through actul measurement r consumption;Energy saving 进而调节亮度使之达到普通照明的要求。本照明 0前言 系统不仅能满足正常生活工作所需的光强，节约电 能：而且本系统可以实现自动调节，能够方便公共 传统照明系统智能程度低，灯光控制不够连续 场所的监控与管理。 而且使用寿命短，能源转化效率低：另外一些公共 光源方面，本系统选择LED作为光源，LED 场所，如学校的教室，光源的使用经常处于无人管 被称为第四代绿色光源，其发光器件为冷光源，具 理或疏于管理的情况，这种情况不仅影响人的生活】 有能耗低、寿命长等特点。在相同的照明情况下， 更是对电能的极大浪费。本文设计一种组合式照明 LED灯耗电量是自炽灯的十分之一，荧光灯的二分 系统，可以全方位360彦实时监测外界光然后 之一同时由于LD灯与其他照明灯具相比不含有 自动调节本身的亮度 本系统采用分区域控制的 钠，汞等危害身体健康的元素，有利于环保 式，每个区域自动检测本区域的外界光强，通过单 片机处理信总并发送到调控系统，调整亮灯的个数 ”指导数师：张林行 项日类州：大学生赶项日
李 娜等：全方位分区控制智能照明系统的设计与实现 5 全方位分区控制智能照明系统的设计实现∗ 李 娜； 张 涛； 叶健松 （吉林大学 仪器科学与电气工程学院，长春 130012） 摘要：为了营造良好的灯光环境，充分利用外界自然光以达到动态控制灯光强弱的目的，并且实现低功耗，智能 化等特点，本文以 STC89C51RC 单片机作为控制器，光强传感器模块、LED 驱动电路模块和 LED 灯模块组成全 方位分区控制智能照明系统。可以实现和外界光强相补充来自动调节亮度，节约能源，并且可以分区域控制，达 到普通照明的要求。光强检测精度≤ 1.0 lx，调节时间≤ 2.0s，经实际测量，与普通日光灯相比节能比率为 25%-30%。 关键词：照明系统 光强传感器 分区控制 低功耗 智能化 Design and Implementation of the full range of sub-control intelligent lighting system Li Na; Zhang Tao; Ye Jiansong (College of Instrumentation and Electrical Engineering, Jilin University,Changchun 130022,China) Abstract：In order to create a good lighting environment, making full use of the outside natural light to achieve dynamic control lights, low power consumption and intelligent characteristics, this intelligent lighting control system is based on the STC89C51RC single-chip microcontroller as the processor, composed of light intensity sensor module, LED module and LED drive circuits. It can automatically adjust the brightness added with the outside light intensity, and energy saving and sub-regional control functions can be implemented. Light intensity detection’s accuracy is less than 1.0 lx, adjusting time is less than 2.0 s, through actual measurement, compared with ordinary fluorescent lamp, energy saving can rate up from 25% to 30%. Key words：Lighting system; Light intensity sensor; Partition control; Low power consumption; Energy saving ∗ 指导教师：张林行 项目类型：大学生创新项目 0 前言 传统照明系统智能程度低，灯光控制不够连续， 而且使用寿命短，能源转化效率低；另外一些公共 场所，如学校的教室，光源的使用经常处于无人管 理或疏于管理的情况，这种情况不仅影响人的生活， 更是对电能的极大浪费。本文设计一种组合式照明 系统，可以全方位 360 度实时监测外界光强，然后 自动调节本身的亮度。本系统采用分区域控制的方 式，每个区域自动检测本区域的外界光强，通过单 片机处理信息并发送到调控系统，调整亮灯的个数 进而调节亮度使之达到普通照明的要求[1]。本照明 系统不仅能满足正常生活工作所需的光强，节约电 能；而且本系统可以实现自动调节，能够方便公共 场所的监控与管理。 光源方面，本系统选择 LED 作为光源，LED 被称为第四代绿色光源，其发光器件为冷光源，具 有能耗低、寿命长等特点。在相同的照明情况下， LED 灯耗电量是白炽灯的十分之一，荧光灯的二分 之一。同时由于 LED 灯与其他照明灯具相比不含有 钠，汞等危害身体健康的元素，有利于环保[2]
吉林大学仅器科学与电气工程学院2013年下半年中文论文集 路原理图如图3所示。控制器分别连接东、西、南 1系统总体结构 北和下五个方向的光强传感器测量电路，每个分区 的LED灯阵列由固定在该区的光强传感器单独控 本文所设计的全方位分区智能照明系统，由 制，单片机通过外部扩展，利用LED驱动电路分别 STC89C51RC控制器.BH1750V1米传成县横 连接各个分区的LED灯阵列。 块、 LED驱动电路 模块 LED灯模块和弧形灯罩维 成，系统总体结构图如图1所示。传感器模块采用 光敏二极管采集外界光强，并将检测到的信号经过 前置放大、滤波、AD转换等处理产生相应数字信 号经C协议传递绘控制器讲行处理，姚后经可 LED驱动电路拉制LD灯亮的个数，以达到普通 照明需求。 o-duran b d 电源稳压保护电路输33 ED驱动电路 灯阵列 图3系统硬件电路图 Fig.3 System hardware circuit 图1系统总体结构 2.3测量电路模块 Fig System architecture 本设计采用的BH1750FVI.是一种用于两线式 串行总线接口的数字型光强传感器集成电路。这种 2硬件设计 集成电路可以根据采集的光线强度数据来调整灯》 的亮度，利用它的高分辨率可以探测较大范围的光 2.1系统控制结构 强度变化。具有接近人眼视觉灵敏度的光谱灵敏 控制系统一般分为闭环控制系统和开环控制系 度，拉宽的测量范用和高精度（相当于11x-65535x 统，本设计需要对采集的光强信号进行反馈调节 因此采用闭环控制系统四 系统结构如图2所示。 其内部包括AWD转换器，信号传输电路，整 检测值下一拉制器一行机胸控对控参数 测量电路的电路图如图4所示。D1为整个模块的感 受元件，其输出信号经前置运算放大器放大和滤波 后，再经过16位A/D转换器转换为数字信号，通 时C)协议连接到输出端。传成累模块内部令有 图2系统控制结构 3,3V电源稳压器 50H2/60H除光噪音功能，可实 Fig2 System Control Structures 现稳定的光强测定。 2.2主控制模块 本系统采用STC89C51RC单片机作为控制器 STC89C51RC是一类具有16位总线的带FLASH的 单片机。它采用16位的总线，外设和内存统一编址 寻址范围可达64K,还可以外部扩展存储器 统一的中断管理，具有丰富的片上外围模块。由于 为FLASH型，则可以在线对单片机进行调试和下 载找，由于JTAG口直接和FET(FLASH EMULATIO TOOL)相连，不需另外的仿真工具，方便实用。 而且可以在低功耗模式下工作。 主控制器系统的外围接口电路由光强传感器、 图4测量电路原理图 LED驱动模块、电源等三部分组成，系统的硬件电 Fig4 Measuring circuit schematics 6
吉林大学仪器科学与电气工程学院 2013 年下半年中文论文集 6 1 系统总体结构 本文所设计的全方位分区智能照明系统，由 STC89C51RC 控制器，BH1750FVI 光强传感器模 块、LED 驱动电路模块、LED 灯模块和弧形灯罩组 成，系统总体结构图如图 1 所示。传感器模块采用 光敏二极管采集外界光强，并将检测到的信号经过 前置放大、滤波、A/D 转换等处理产生相应数字信 号经 IIC 协议传递给控制器进行处理，然后经过 LED 驱动电路控制 LED 灯亮的个数，以达到普通 照明需求。 图 1 系统总体结构 Fig.1 System architecture 2 硬件设计 2.1 系统控制结构 控制系统一般分为闭环控制系统和开环控制系 统，本设计需要对采集的光强信号进行反馈调节， 因此采用闭环控制系统[3]。系统结构如图 2 所示。 图 2 系统控制结构 Fig.2 System Control Structures 2.2 主控制模块 本系统采用 STC89C51RC 单片机作为控制器， STC89C51RC 是一类具有 16 位总线的带 FLASH 的 单片机。它采用 16 位的总线，外设和内存统一编址， 寻址范围可达 64K，还可以外部扩展存储器。具有 统一的中断管理，具有丰富的片上外围模块。由于 为 FLASH 型，则可以在线对单片机进行调试和下 载，由于 JTAG 口直接和 FET（FLASH EMULATION TOOL）相连，不需另外的仿真工具，方便实用， 而且可以在低功耗模式下工作[4] 。 主控制器系统的外围接口电路由光强传感器、 LED 驱动模块、电源等三部分组成，系统的硬件电 路原理图如图 3 所示。控制器分别连接东、西、南、 北和下五个方向的光强传感器测量电路，每个分区 的 LED 灯阵列由固定在该区的光强传感器单独控 制，单片机通过外部扩展，利用 LED 驱动电路分别 连接各个分区的 LED 灯阵列。 图 3 系统硬件电路图 Fig.3 System hardware circuit 2.3 测量电路模块 本设计采用的 BH1750FVI，是一种用于两线式 串行总线接口的数字型光强传感器集成电路。这种 集成电路可以根据采集的光线强度数据来调整灯光 的亮度，利用它的高分辨率可以探测较大范围的光 强度变化[5]。具有接近人眼视觉灵敏度的光谱灵敏 度，较宽的测量范围和高精度（相当于 1lx-65535lx） 等特性。 其内部包括 A/D 转换器，信号传输电路，整个 测量电路的电路图如图 4 所示。D1 为整个模块的感 受元件，其输出信号经前置运算放大器放大和滤波 后，再经过 16 位 A/D 转换器转换为数字信号，通 过(I2 C)协议连接到输出端。传感器模块内部含有 3.3V 电源稳压器，50Hz/60Hz 除光噪音功能，可实 现稳定的光强测定。 图 4 测量电路原理图 Fig.4 Measuring circuit schematics
幸娜等：金方位分区控制智能黑明系统的设计与实现 2.4LED驱动模块 如图5所示，1口连接LED驱动模块扩展出来 的VO口，利用三极管的开关特性，控制LED灯的 亮灭。经测试，当基极有一高电平时，输出电流为 1mA,符合设计要求。R1电阻选用5K,避免输出功 率不足，起到了限流的作用。 2.5LED灯模块 根据本设计的核心理念，即减少光源的浪费 达到环保与节约资金的效果，设计中将LED灯以 形的方式排布，这样可以360度全方位的向外界提 供光强。弧形灯罩上面的LED灯是分五区排布的， 图5ED灯驱动电路图 分别为下方，东方，西方，南方，北方。图6为全 Fig5 LED Lamp driver circui 方位分区控制智能照明灯的结构示意图。 0 0 0 0 东方 0 0 0 0 LED灯 南方 电路总线 图6(a》智能照明系统外形结构（俯视图） Fig6 (a)Outline structure (Overlook) 处理等组成。主要任务是将传感器传来的数字信马 进行处理。首先选择方向，然后获取本方向的光照 信息，如果在此方向上的光照强度超过普通照明的 88 8888 889 要求，则微处理器执行减少本区域亮灯的个数，反 之则执行增加本区域亮灯的个数，使室内的光找强 度一直保持在普通照明要求的范围内。 图6(6) 智能照明系统外形结构（立体直现图） Fig6(b)Outline structure (Three-dimensional visual) 3软件设计 主控制器的程序流程图如图7所示。主控制器 的程序主要包括模块初始化、获取光照信息和响应
李 娜等：全方位分区控制智能照明系统的设计与实现 7 2.4 LED 驱动模块 图 5 LED 灯驱动电路图 Fig.5 LED Lamp driver circuit 如图 5 所示，1 口连接 LED 驱动模块扩展出来 的 I/O 口，利用三极管的开关特性，控制 LED 灯的 亮灭。经测试，当基极有一高电平时，输出电流为 1mA，符合设计要求。R1 电阻选用 5K,避免输出功 率不足，起到了限流的作用[6] 。 2.5 LED 灯模块 根据本设计的核心理念，即减少光源的浪费， 达到环保与节约资金的效果，设计中将 LED 灯以弧 形的方式排布，这样可以 360 度全方位的向外界提 供光强。弧形灯罩上面的 LED 灯是分五区排布的， 分别为下方，东方，西方，南方，北方。图 6 为全 方位分区控制智能照明灯的结构示意图。 图 6（a） 智能照明系统外形结构（俯视图） Fig.6（a） Outline structure (Overlook) 图 6（b） 智能照明系统外形结构（立体直观图） Fig.6（b） Outline structure (Three-dimensional visual) 3 软件设计 主控制器的程序流程图如图 7 所示。主控制器 的程序主要包括模块初始化、获取光照信息和响应 处理等组成。主要任务是将传感器传来的数字信号 进行处理。首先选择方向，然后获取本方向的光照 信息，如果在此方向上的光照强度超过普通照明的 要求，则微处理器执行减少本区域亮灯的个数，反 之则执行增加本区域亮灯的个数，使室内的光找强 度一直保持在普通照明要求的范围内。 控制器 南方 电路总线 LED 灯 东方 北方
吉林大学仅器科学与电气工程学院2013年下半年中文论文集 有光强传感器测量电路，五个分区相互独立，达到 开始 分区域管理的目的。经过实际测试，区域识别率可 统初始化设置 达100%，调节时间小于2.0s,光强分辨率小于1.0x, 与普通照明系统相比节能率达25%-30%。此外，本 智能照明系统能达到良好的节能效果，延长灯具的 方向选择 寿命，具有很大的市场应用前景 参考文献 1.王文升.智能照明控制与节能凹.智能建筑与城 光照强度 市信息2005 2.王希娟LED照明智能控制系统制造业自动化， 2012,33(12):128-131 减少亮灯个数 3.王春敏，刘兴明，嵇艳鞠著连续与离散控制系 统吉林大学出版社2008：46 4云示中华，白天著基干BH1750PV1的室内光照 强度测量仪).单片机与嵌入式系统应用2012 图7软件系统流程图 5.康华光著电子技术基础（模拟部分）高等教育 Fig7 System software ow chart4测试结果 将试验样机与普通照明系统进行节能效率测 出版社2006：116-118. 试：在相同工作条件下，进行24小时的耗电量比较 测试结果为智能照明系统比普通照明系统节省了约 25%-30%的电能。详细测试结果如图8所示： 《 中：W 含男围 图8系统节能效果测试结果图 4结束语 本文介绍的全方位分区控制智能照明系统不仅 能铭实现实时检测外界光强，并能够和外界光强相 互补偿自动调节亮度， 实现智能化照明的要求。 且，与传统照明相比，本智能照明系统设有东、西 南、北和下五个分区，每个分区的LED灯阵列都装
吉林大学仪器科学与电气工程学院 2013 年下半年中文论文集 8 图 7 软件系统流程图 Fig.7 System software flow chart4 测试结果 将试验样机与普通照明系统进行节能效率测 试：在相同工作条件下，进行 24 小时的耗电量比较， 测试结果为智能照明系统比普通照明系统节省了约 25%-30%的电能。详细测试结果如图 8 所示： 图 8 系统节能效果测试结果图 Fig.8 System energy saving effect test results 4 结束语 本文介绍的全方位分区控制智能照明系统不仅 能够实现实时检测外界光强，并能够和外界光强相 互补偿自动调节亮度，实现智能化照明的要求。而 且，与传统照明相比，本智能照明系统设有东、西、 南、北和下五个分区，每个分区的 LED 灯阵列都装 有光强传感器测量电路，五个分区相互独立，达到 分区域管理的目的。经过实际测试，区域识别率可 达100%，调节时间小于2.0s，光强分辨率小于1.0lx， 与普通照明系统相比节能率达 25%-30%。此外，本 智能照明系统能达到良好的节能效果，延长灯具的 寿命，具有很大的市场应用前景。 参考文献 1. 王文升.智能照明控制与节能[J].智能建筑与城 市信息.2005. 2. 王希娟.LED 照明智能控制系统.制造业自动化， 2012，33（12）：128-131. 3. 王春敏，刘兴明，嵇艳鞠著.连续与离散控制系 统.吉林大学出版社.2008：4-6. 4. 云中华，白天蕊著.基于 BH1750FVI 的室内光照 强度测量仪[J].单片机与嵌入式系统应用.2012 5. 康华光著.电子技术基础（模拟部分）.高等教育 出版社.2006：116-118. 强 开始 系统初始化设置 方向选择 光照强度 减少亮灯个数
谢明学等：防挂我电流智能断电插排 防挂载电流智能断电插排 谢明学；刘亚骄；熊源 (吉林大学仪器科学与电气工程学院，长春130012) 摘要：本文针对家用电器的待机功耗，提出了一种基于MSP430F149单片机的防挂载电流智能断电插排，它利用电 流互感线圈与MSP430F149单片机采样挂载电流，经模数转换后与用电器工作电流比较，通过发出继电器鄂动信 号控制电路连通状态。产品经过对几种不同的电器进行测试，结果表明可有效降低使用功耗。 关键词：挂找电流智能断电电流互感线圈继电器 Intelligent power socket of reducing the mounting current XieMingxue:Liu Yajiao:Xiongyuan (College of Instrumentation and Electrical Engineering.Jilin University.Changchun 130022.China) Abstract:in vic y of the mption of household appl es.this paper propose with the preset value after analog-to-digital conversion to drives relay to cut off the power supply current.Severally tested on different appliances,it achieves the purpose ofreducing power consumption. Keywords:mounting current intelligent power socket current transformer relay 题的症结在于待机状态的普遍存在和人们的用电习 0前言 惯。本文提出了一种新型插排，它从人们的不良用 电习惯出发，通过超低功耗单片机检测用电状态，在 随若技术的不断进步，家用电器已步入了智能 电器非工作状态下自动切断电路。很大程度上降低 化阶段。这些电器即使关闭了，若不能及时将电源 了待机功耗，切合了当今低碳节能、绿色环保的时 插头从插座上拔下仍会造成电力的流逝。这种状态 代需求。 下产生的电流，即为挂载电流。常用电器的待机电 流及待机耗电如表1。据资料显示，目前我国城市 1系统总体结构 家庭的平均待机能耗相当于这些家庭每天不间断地 使用一盏15~一30W的白炽灯，待机能耗占家庭消赶 本文阐述的该系统由电源模块、MSP430F149 的3%~13%，全国待机能耗相当于我国几个大型火 微控制器、电流互感器、继电器驱动电路，短路保 力发电厂的发电总量四 护装置组成。系统总体结构如图1所示。 针对降低待机功耗，在文献小、2小、3中提到 了几种解决的办法。总体说来有两方面，一是国家 法令规定常用电器的待机功耗标准，制造商从电器 内部电路改进，二是设置家庭电源总控开关。但问 “指导老师：张林行 项日类型：大学生创新项日
谢明学等：防挂载电流智能断电插排 9 防挂载电流智能断电插排∗ 谢明学; 刘亚骄; 熊源 （吉林大学 仪器科学与电气工程学院，长春 130012） 摘要: 本文针对家用电器的待机功耗,提出了一种基于 MSP430F149 单片机的防挂载电流智能断电插排。它利用电 流互感线圈与 MSP430F149 单片机采样挂载电流，经模数转换后与用电器工作电流比较，通过发出继电器驱动信 号控制电路连通状态。产品经过对几种不同的电器进行测试，结果表明可有效降低使用功耗。 关键词: 挂载电流 智能断电 电流互感线圈 继电器 Intelligent power socket of reducing the mounting current XieMingxue;LiuYajiao;Xiongyuan (College of Instrumentation and Electrical Engineering, Jilin University, Changchun 130022,China) Abstract: in view of the standby power consumption of household appliances, this paper proposes an intelligent power socket based on MSP430F149 MCU for cutting off the mounting current. It samplings mounting current by a coil current transformer, compares with the preset value after analog-to-digital conversion to drives relay to cut off the power supply current. Severally tested on different appliances, it achieves the purpose of reducing power consumption. Keywords: mounting current intelligent power socket current transformer relay ∗ 指导老师：张林行 项目类型：大学生创新项目 0 前言 随着技术的不断进步，家用电器已步入了智能 化阶段。这些电器即使关闭了，若不能及时将电源 插头从插座上拔下仍会造成电力的流逝。这种状态 下产生的电流，即为挂载电流。常用电器的待机电 流及待机耗电如表1。据资料显示， 目前我国城市 家庭的平均待机能耗相当于这些家庭每天不间断地 使用一盏15～30W的白炽灯，待机能耗占家庭消耗 的3%～13%，全国待机能耗相当于我国几个大型火 力发电厂的发电总量[1]。 针对降低待机功耗，在文献[1]、[2]、[3]中提到 了几种解决的办法。总体说来有两方面，一是国家 法令规定常用电器的待机功耗标准，制造商从电器 内部电路改进，二是设置家庭电源总控开关。但问 题的症结在于待机状态的普遍存在和人们的用电习 惯。本文提出了一种新型插排，它从人们的不良用 电习惯出发,通过超低功耗单片机检测用电状态，在 电器非工作状态下自动切断电路。很大程度上降低 了待机功耗，切合了当今低碳节能、绿色环保的时 代需求。 1 系统总体结构 本文阐述的该系统由电源模块、MSP430F149 微控制器、电流互感器、继电器驱动电路，短路保 护装置组成。系统总体结构如图1所示