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火币官网家用智能照明控制系统智能照明灯穿几


发布时间:2020-07-29 06:19


  教室自动照明控制系统设计方案_电力/水利_工程科技_专业资料。教室自动照明控制系 统设计方案 1 绪论 1.1 课题背景及目的 目前,国内外对照明系统灯光的自动控制已经开始采用,但是我国教室灯光 的智能控制并没有普及。虽然小部分发达地区开始沿用新的控制技术,但是

  教室自动照明控制系 统设计方案 1 绪论 1.1 课题背景及目的 目前,国内外对照明系统灯光的自动控制已经开始采用,但是我国教室灯光 的智能控制并没有普及。虽然小部分发达地区开始沿用新的控制技术,但是,多 数地方依然是传统式的人工管理,或者照明控制智能化程度不高。随着各类大、 中专院校的扩招,教室的扩建,教室照明的需求也越来越多,教室用电管理不善, 造成学校电能巨大浪费,经济损失,这种的浪费与当今节约能源的理念相违背。 再者,随着现代自动化程度不断提高,计算机技术的普及,照明灯光的管理也在 朝着自动化、智能化方向发展。但是,过于精细的控制设备在教室的使用显得成 本高,维护难,于是,本设计的目的是开发简便、实用的教室灯光自动控制系统, 以实现最基本的功能,比如人员检测以及室内光照强度的检测与调节,最大限度 的实现电能的节约以及管理的便捷化。 1.2 国内外研究状况及发展趋势 1.2.1 国内外学校教室照明的现状 照明行业是 20 世纪 80 年代首先由美国兴起并得以迅速发展的,90 年代后 期,由于现代计算机技术、自动控制技术、现代通信技术、现代信息处理技术在 世界范围内的广泛应用,进入了信息时代并对各行各业都带来了巨大的影响,照 明行业也随之发生了巨大的革新,提出了照明自动化的要求[1]。 目前,社会对高等教育的关注度越来越高,学校规模日益扩大,教室的数量 也随着大幅度增加,为使师生有舒适的教学和学习的环境,校方在力所能及的范 围内,相应增加了教室的面积,然后,随着教室数量的增加,照明设备的需求量 也越来越大,但由于大学管理模式的开放型,师生节能意识的薄弱性,学校教室 在白天周围环境光线强度足够的情况下,仍然普遍存在开灯上课或自习;即使室 内无人或人数较少的情况下,也全部开启照明灯,晚上许多教室即使仅有几个学 生在教室自习,但室内照明灯也全部开启,很少有师生因为只有少数人而仅开几 盏灯,长明灯比比皆是,人走灯不熄的现象普遍存在。这种有形和无形的浪费, 给学校的电力支出带来了沉重的负担。虽然在部分大中城市中的部分院校已经有 了比较实用的智能照明系统,但是,在许多中小城市中,教室智能照明系统并没有 得到广泛的应用,所造成的电能浪费依然是相当巨大的。 目前市场上使用较多的是一种利用门与光双重控制的自动照明开关,以往光 控开关只能触发一次,一旦延时电路开始工作,控制开关就不再起作用,这样当 延时时间定的不合适或者使用时间发生改变时,就得等到延时电路工作结束后, 才能重新开始定时,因而会出现中途断电。这些问题在目前的技术中已经得到基 本解决,这种新型的自动照明开关增加了脉冲检测器能在延时期间多次触发,使 其从零开始计时,这样计时开始设定的时间不准或需要变更设定时间时,都可在 不中断运行的情况下自动进行调整,节能效果更加明显[2],在一定程度上解决了 以往教室照明系统的一些不良现象。 根据国家相关标准,学校教室照明强度白天不得低于 350LUX,晚上不得低 于 150LUX,同时,从保护视力的角度出发,在低于 150LUX 和高于 600LUX 照度 下长时看书,有损于眼睛的健康[3],而我国大部分高校的教室照度都高于标准, 加之人对照明设备的不规范使用,家用智能照明控制系统造成了不必要的支出和能源浪费,从节约资源、 节省高校经费支出、教学楼管理的便捷化等多种方面考虑,使用简便、高效的自 动照明系统成为校园节能的重要且主要的措施之一,也是将来教室照明系统应用 的趋势。 1.2.2 自动照明系统发展趋势 随着高等院校的扩招,教室的需求量激增,教室管理人员需要实时监控照明 设备的正常工作,传统技术无法达到这种要求,难以适应最新技术发展的需要, 在自动照明系统中,不仅要求照明设计的参数应当达标,还要达到教室中明亮、 舒适的要求以方便师生更好地教学、自习。基于传统照明工作效率低、照明管理 困难、耗能巨大的特点,以及目前市场上自动照明所能实现的基本控制功能,在 将来,自动照明系统必将成为全面实现校园节电的一个重大举措,虽然目前自动 照明系统在全国消费市场中还没有形成一定的规模性,但大部分智能照明厂家还 在极力引导消费者,在渠道的建设上也一直在探索着适合这个行业的模式,接近 现实需求的产品在不断增加,产品的功能定位和稳定性均已取得长足的进展。未 来普及的自动照明系统所能具有的独特功能:1)全自动声控系统。自动照明系统 中,不仅仅具有自动调光的功能,还可以在需要的时候利用声音控制灯具的开闭, 用不同的指令控制不同的场景状态,做到全自动功能。2)全自动调光。智能照明 控制系统可采用全自动状态工作。系统有若干个基本状态,这些状态会按预先设 定的时间相互自动切换,并将照度自动调整到最适宜的水平。3)光环境场景智 能转换。智能照明控制系统可预先设置不同的场景模块,需要时只要在相应的控 制面板上进行操作即可调入所需的场景。用户还可以通过可编程控制面板对场景 进行实时调节以适应不同要求。4)运行中节能。智能照明控制系统能对大多数 灯具进行智能调光,给需要的地方、在需要的时间以充分的照明。及时关掉不需 要的灯具,充分利用自然光,其运行节能效果充分。6)延长光源寿命。智能照 明控制系统采用软启动的方式,能控制电网冲击电压和浪涌电压,使灯丝免受热 冲击,从而使光源寿命延长 2—4 倍,对于大量使用光源和安装困难的区域更具 有特殊的意义。总之,智能化与照明技术的结合,构筑了充分的技术平台,将节 能、低耗、长寿命、运行节约、以人为本等绿色和可持续照明的理念充分演绎[4]。 1.3 研究内容及论文构成 本文介绍了将自动照明控制技术运用到高校教室的一个设计,以达到节约能 耗、延长设备使用寿命、方便教学楼管理的目的,在本设计中,要实现的功能主 要有:采用热释红外人体传感器人员是否出现在指定区域的检测、采用光照度传 感器检测周围环境光照强度等,并且根据所检测到的模拟量数据,转化为数字信 号,输入到 STC89C52 单片机进行相应的控制,最后,通过 LED 灯模拟所在条件 下教室照明灯开闭状况,并在 1062 液晶显示器中显示相应的状态。 本文大致分为绪论、系统设计方案论证、硬件设计、软件设计四大部分。通 过对目前自动照明系统的研究现状及其发展趋势的分析,针对本课题进行系统各 个部分的方案论证后,确定好设计方案,进行软硬件设计,最终达到设计所需功 能,完成任务。 2 系统设计方案论证 2.1 总体设计 本控制系统需要实现基本的功能包括对检测区域内人员有无的自动检测、周 围环境光照强度的自动检测及调节、在特殊情况下通过按键对系统的手动控制, 以及在照明模块输出控制结果,在显示模块中显示相应的状态等。 系统设计分为硬件设计与软件设计两大部分,根据控制系统的工作原理和技 术性能,将硬件与软件分开进行设计。硬件设计部分包括电路原理图的绘制、元 器件的合理选择,硬件设计分模块进行,划分为控制模块、人员检测模块、光强 检测模块、电源模块、按键模块、照明模块、显示模块七个部分来进行硬件电路 的设计。软件设计时,在总体设计中完成系统总框图和各模块的功能设计后,制 定详细的工作计划,然后进行具体的设计,包括每个模块的流程图,选择适当的 语言和工具进行编程和代码设计等,最后将软件与硬件结合起来进行调试,达到 最终所需功能要求。 系统设计总框图如图 2.1,电源模块给整个系统供电,由人员检测模块和光 强检测模块进行数据采集,采集到的模拟信号经模数转换后输入到控制模块进行 信号处理,然后输出到照明模块和显示模块显示相应的状态。 人员检测模块 显示模块 电 源 模 块 输 光强检测模块 入 输 控制模块 出 照明模块 按键模块 图 2.1 系统设计总框图 2.2 主要功能模块设计方案 2.2.1 控制模块方案设计 本设计的主控制器采用 STC89C52 单片机。STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器,具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。在单芯片上,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。其特点是外围电路简单,价格低廉、高可 靠性,虽然此款单片机的工作频率相对较低,但本设计对频率要求不高,能够满 足本设计的要求。另外此款单片机有 32 个 I/O 端口,方便了设计的需要,满足 本设计要求。 2.2.2 人员检测模块方案设计 对于人员的检测,常用的方法有两种,一种是用红外对管检测进出教室人员 的数量,从而判断教室有无人员,另一种是用热释电人体红外传感器,直接对教 室有无人员进行检测,下面是两种方案的比较: 方案一:采用红外对管对进出教室人数进行检测。每个门口装有两对装置, 进出人数检测分开检测,两个传感器分别设为 A、B,当 A 检测到人的信号时, 我们当做是进教室,当 B 检测到人的信号时,我们当做是出教室,因为人无论是 进还是出,都会先被一个传感器检测到,再被另一个检测到,只是有一定的时间 差,于是,如果一个传感器先检测到人以后,发出一个信号,然后对这个信号进 行延时,当延时到一定程度时,可以把这个引号引回来,用来锁住另一个传感器 产生的信号,这样就能使电路自动判断人是进教室还是出教室,用进教室的人数 减去出教室的人数,计算出教室里的现有人数 n,若 n0.则说明教室里有人,开 灯;反之无人,关灯。 方案二:被动红外探测器可以探测到波长为 10μm 左右的红外线,从而进行 相应工作。众所周知,人体恒温为 37°左右,会发出特定波长 10μm 左右的红 外线,所以正好可以被红外探测器所检测到。红外感应源采用热释电元件,这种 元件在接受到人体红外辐射温度变化时就会失去点和平衡,向外释放电荷,后续 电路经检测处理后就能产生信号,以控制灯具的点亮,所以我们采用热释电人体 红外传感器检测室内有无人员,有人即开灯,无人关灯。由于热释电红外传感器 本身检测范围过于狭小,所以,配合菲涅尔透镜可将检测范围扩大至十多米远。 由于方案一比方案二实现起来复杂得多,方案二更能简便、快捷的检测到人 体的存在,所以在解决人员检测的问题时,我选用热释电人体红外传感器。在教 室里面,因为热释电红外传感器检测范围有限,就算安装上菲涅尔透镜,也不能 保证教室的每个地方都能检测到人体的存在,所以,必须在教室里分区域各自安 装传感器,分别控制各自区域的照明灯。在此设计中,我们只模拟教室的一个区 域内的人员检测。 2.2.3 光照强度检测模块方案设计 光照强度的检测一般用的是光照传感器,但是传感器的种类性能不一,我们 要选择效果好,价格低廉的传感器,下面就直接采用光敏电阻与现成的光照度传 感器两种方案进行对比: 方案一:利用光敏电阻在光强度的影响下阻值会发生一定的变化,从而引起 其两端电压的变化,把光照强度分为一、二、三、四等。根据光照强度的不同使 光敏电阻阻值变化引起两段的电压不同,从而使输入电压比较器正端的值不同, 再与负端电压相比较,达到正端电压大于负端电压的情况时,即能让二极管正常 发光。通过二极管发光的个数来判断光照强度。 方案二:采用光照度传感器,将光照强度转换为电流信号,再经过运算放大 器转换为电压信号输出,可以选用市场上已有成形的光照度变送器,检测到输入 光强后,根据输出不同的电压等级控制不同数量的灯,从而控制室内的光照强度。 由于市场上已有成形的比较稳定的光照度变送器,智能照明控制系统有哪些精度高,所以本设计采用 方案二中的光照度变送器 2.2.4 电源模块方案设计 方案一:采用干电池。用干电池方便稳定,但是电压会随着使用慢慢降低, 使用时间也受到限制,需要经常更换电池或给电池充电。 方案二:采用稳压电源。由于教室一般采用 220V 交流电,所以可以自行设 计制作电源,输入 220V 交流电,输出 5V 直流电,大大增加了稳定性,延长了使 用时间,所以本设计中采用此种方案。 3 系统硬件设计 3.1 控制器电路设计 本控制系统采用 STC89C52 单片机作为微控制器。该单片机指令代码完全兼 容传统 8051 单片机,STC89C52 单片机工作电压为 5.5V-3.4V,工作频率范围 0-80MHz,程序存储器 flash 容量为 8KB,随机存储器 RAM 空间为 512 字节,完 全满足自动照明系统的要求[5]。 3.1.1 STC89C52 单片机 图 3.1 STC89C52 引脚图 STC89C52 引脚如图 3.1 所示,火币官网VCC 为电源,Vss 为接地。 P0 端口(P0.0~P0.7,39~32 引脚):P0 口是一个漏极开路的 8 位双向 I/O 口。作为输出端口,每个引脚能驱动 8 个 TTL 负载,对端口 P0 写入“1”时,可 以作为高阻抗输入。在访问外部程序和数据存储器时,P0 口也可以提供低 8 位 地址和 8 位数据的复用总线 口内部上拉电阻有效。在 Flash ROM 编 程时,P0 端口接收指令字节;而在校验程序时,则输出指令字节。验证时,要 求外接上拉电阻[6]。 P1 端口(P1.0~P1.7,智能照明灯穿几根线1~8 引脚):P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双 向 I/O 口。P1 的输出缓冲器可驱动(吸收或者输出电流方式)4 个 TTL 输入。对 端口写入 1 时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位,这是可用作输入口。P1 口作输入口使用时,因为有内部上拉电阻,那些被外部拉低的引脚会输出一个电 流[6]。 P2 端口(P2.0~P2.7,21~28 引脚):P2 口是一个带内部上拉电阻的 8 位 双向 I/O 端口。P2 的输出缓冲器可以驱动(吸收或输出电流方式)4 个 TTL 输入。 对端口写入 1 时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,这时可用作输入口。 P2 作为输入口使用时,因为有内部的上拉电阻,那些被外部信号拉低的引脚会 输出一个电流[6]。 P3 端口(P3.0~P3.7,10~17 引脚):P3 是一个带内部上拉电阻的 8 位双 向 I/O 端口。P3 的输出缓冲器可驱动(吸收或输出电流方式)4 个 TTL 输入。对 端口写入 1 时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位,这时可用作输入口。P3 做输入口使用时,因为有内部的上拉电阻,那些被外部信号拉低的引脚会输入一 个电流[6]。 RST(9 引脚):复位输入。当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效, 用来完成单片机的复位初始化操作。看门狗计时完成后,RST 引脚输出 96 个晶 振周期的高电平。特殊寄存器 AUXR(地址 8EH)上的 DISRTO 位可以使此功能无 效。DISRTO 默认状态下,复位高电平有效。 ALE/PROG (30 引脚):地址锁存控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时, 锁存低 8 位地址的输出脉冲。在 Flash 编程时,此引脚也用作编程输入脉冲。 XTAL1(19 引脚):振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2(18 引脚):振荡器反相放大器的输入端。 STC89C52 主要特性如下: (1)增强型 8051 单片机,6 时钟/机器周期和 12 时钟/机器周期可以任意选 择,指令代码完全兼容传统 8051。 (2)工作电压:5.5V~3.3V。 (3)工作频率范围:0~40MHz,相当于普通 8051 的 0~80MHz,实际工作频 率可达 48MHz。 (4)用户应用程序空间为 8K 字节,RAM512 字节。 (5)ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程),无需专用编程器,无需 专用仿真器,可通过串口(RxD/P3.0,TxD/P3.1)直接下载用户程序,数秒即可 完成。 (6)共 3 个 16 位定时器/计数器。即定时器 T0、T1、T2。 (7)外部中断 4 路,下降沿中断或低电平触发电路,Power Down 模式可由 外部中断低电平触发中断方式唤醒[6]。 3.1.2 单片机最小系统的设计 根据系统所要实现的照明控制功能, STC89C52 单片机的最小系统设计如图 3.2 所示。 图 3.2 主控制器系统的硬件电路原理图 3.1.3 电源电路设计 电源模块设计目的是为了获得 5V 的直流电压给系统供电,所采用的芯片是 三端稳压集成电路 7805,最常见的稳压芯片 7805 是 7805,它的使用方便,用很 简单的电路既可以输入一个直流稳压电源,输出电压正好为 5V,刚好是 51 系列 单片机运行所需的电压,引脚图如图 3.3 所示。 2 JRES9 D N 123456789 G VCC+5V 012 01234567 ^^^ 123 DDDDDDDD 222 Key1Key20.1uFC14 SSS PPP E L A VCC+5V 67890 33334 N EC E LC P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0 AV EA/VSS 22 LL SAAD ETTN P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDXXG 4 USTC89C52 67890 12 01234567 LL ^^^^^^^^ 4567 11111111 AASC ^^^^ PPPPPPPP TTEOE 3333T PPPPXXRSEO BISS_OUT F 号 u K 1 0 1R16Res2 1C15CapPol1 Y11.0592 信 出 12 输 VCC+5V 电 FF 0 PP 释 33 D 3C16Cap3C17Cap E 4 热 DS2L SSW-PB 2 K R1 D N G F V5+CCV 1SD 7 u C 0 7 4 6 C 3 V5+CCV Fu1.0 T U O D D N N G G 2 VCA5087L N I 1 U 5 Fu33.0 C 1 F 4 u C 0 7 4 1 TSPS-WSS D N 321 G NI_V 1 5.2RWPJ 图 3.3 7805 引脚图 图中,1(INPUT)接整流器输入的正电压,2(GND)为公共地,3(OUTPUT) 为我们需要的+5V 输出电压。 三端稳压集成电路 7805 的输入必须大于输出 2V 以上,所以输入必须为 7V 以上,我们采用的是市场上现成的电源适配器,输入 220V 的交流电压,输出 9V 的直流电压,从电源适配器 1 端口获得 9V 的直流电压输入到 7805,经过稳压、 滤波等处理,从 3 端口输出为 5V 的直流电压给系统供电,此外,我们用一个发 光二极管 DS1 来作为电源指示灯,显示系统是否通电。 电源电路硬件电路如图 3.4 所示。 图 3.4 电源电路硬件设计原理图 3.2 数据采集模块电路设计 本系统总数据采集总共分为两个部分,一个是关于光照强度的检测, 另一个是人员检测,共同实现本系统所需的要求及功能。 3.2.1 光照强度检测模块电路设计 (1)光照度的概念 光照度指的是物体表面照明的程度,由光源发出的光能在单位时间内 通过某一截面的数量称之为光通量。光通量的数量越大,表示该光源所发 出的可见光就越强。照射到表面一点处的面元上的光通量除以该面元的面 积等于照度 。 [7] (2)光照度传感器 探 测 室 内 光 照 度 要 用 到 光 照 度 传 感 器 。光 照 度 传 感 器 采 用 光 敏 探 测 器 , 将光照强度转换为电流信号,再经过运算放大器转换为电压信号输出。 为 了便于系统的开发及提高可靠性,本设计选用市场上已有成形的光照度变 送器,如图 3.5 所示。 图 3.5 光照度变送器 光照度变送器技术指标如表 3-1[7]所示。 表 3-1 光照度变送器技术指标 主要技术指标 准确度: ±7% 波长范围: 380nm~730nm 测量范围: 0~2000lx( 室 内 型 照 度 测 量 ) 输出范围: 0~5V 操作环境温湿度: 0~40℃,0~70%RH (3)ADC0809 ADC0809 是带有 8 位 A/D 转换器、8 路多路开关以及微处理机兼容的控 制逻辑的 CMOS 组件。它是逐次逼近式 A/D 转换器,可以和单片机直接接口。 ADC0809 的引脚结构如图 3.6 所示。 图 3.6 ADC0809 引脚图 IN0-IN7:8 条模拟量输入通道。ADC0809 对输入模拟量要求:信号单 极性,电压范围是 0-5V,若信号太小,必须进行放大;输入的模拟量在转 换过程中应该保持不变,如若模拟量变化太快,则需在输入前增加采样保 持电路。 ALE 为地址锁存允许输入线,高电平有效。当 ALE 线为高电平时,地址 锁存与译码器将 A,B,C 三条地址线的地址信号进行锁存,经译码后被选 中的通道的模拟量进转换器进行转换。A,B 和 C 为地址输入线 上的一路模拟量输入。 ST 为转换启动信号。当 ST 上跳沿时,所有内部寄存器清零;下跳沿时, 开始进行 A/D 转换;在转换期间,ST 应保持低电平。EOC 为转换结束信号。 当 EOC 为高电平时,表明转换结束;否则,表明正在进行 A/D 转换。OE 为 输出允许信号,用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。 OE=1,输出转换得到的数据;OE=0,输出数据线E DC DDDDDDDDO NO V5+CCVGE V5+CCV 1098765421 87 76540213 E CC DDDDDDDD O CO VE -FERV +FERV K ED L LN C 2NI1NI0NIADDABDDACDDAAGTRATS7NI6NI5NI4NI3NI 3 9080CDAU 654321 876543230 222222211 ED LN 321T ASSSGS7NI6NI5NI4NI3NI2NI1NI0_CDA K 0 22R1 阻 K 0 2seR51R1 D 电 N G 敏 V5+CCV 41R 光 数字量输出线] CLK 为时钟输入信号线 的内部没有时钟电路,所需时钟信 号必须由外界提供,通常使用频率为 500KHZ 。 [9] VREF(+),VREF(-)为参考电压输入。 (4)光强检测电路连接图 图 3.7 A/D 转换器的电路连接图 图 3.7 为光照度传感器电路与 ADC0809 以及控制器接口连接图, 由光照度 传感器检测到光强信号,转化为相应的电压输出,通过模数转换器 ADC0809 采集 相应的电压值,转换为数字信号由 D0-D7 口输出到 STC89C52。此外,在电源引 脚处加一个 0.1uF 的电容滤波去耦,减少外部电路对芯片的影响。 3.2.2 人员检测模块电路设计 (1)热释电红外探测器原理 红外探测器中有两个关键性的部件,一个是热释电红外传感器(PIR),它能 把波长范围是 8 至 12um 的红外信号变化转化为电信号,并且能够抑制周围环境 中的白光信号,因此在被动红外探测器的检测区域内,当人体不移动移动时,热 释电红外探测器只能感应到环境温度,当人体进人检测区域范围内时,通过菲涅 尔透镜,热释电红外感应器能够感应到人体温度与环境温度的差异信号,所以, 热释电红外探测的基本原理就是感应移动物体与环境物体的温差从而检测到人 体存在与否。 另外一个部件是菲涅尔透镜,菲涅尔透镜有折射式和反射式两种形式。菲涅 尔透镜作用有两个:一是聚焦作用,即对即将到来的热释电红外信号折射(反射) 在 PIR 上,另一个作用是将检测区域分为许多个明区和暗区,使进入检测区域的 移动物体能以温度变化的形式在 PIR 上产生变化热释红外信号,经过相应的转换, PIR 就能产生变化的电信号。 人体恒温一般在 37 度左右,可以会发出特定波长 10μm 左右的红外线,被 动式红外探头就是靠探测人体发射的 10μm 左右的红外线而进行工作的。人体发 射的 10 微米左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外 感应源通常采用热释电元件,这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就 会失去电荷平衡,向外释放电荷,后续电路经检测处理后就能产生报警信号[10]。 (2)红外探测器特性 红外线热释电传感器工作示意图如图 3.8 所示。 图 3.8 红外线热释电传感器工作区示意图 其主要特性如下: 1)热释电元件对人体所发射出的波长为 10μm 左右的红外辐射很敏感,元 件的辐射照面通常安装菲泥尔透镜来明显抑制环境温度的干扰。 2)被动式红外探头,该传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。而且 制成的两个电极化方向正好相反,环境温度发出的红外辐射对两个热释电元具有 相同的作用,使其产生释电效应相互抵消,于是探测器无信号输出。 3)人体一旦进入检测区域,人体所辐射出来的红外线通过部分镜面聚焦, 并被热释电元接收,但是两片热释电元接收到的热量不同,热释电也不同,不能 抵消,经信号处理而报警[11]。 (3)红外热释电处理芯片 BISS0001 介绍 BISS0001 是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路芯片,它配以热释 电红外传感器和少量外部元件构成被动式的热释电红外开关。它能自动快速开启 各类照明灯具、装饰灯具、报警器、自动门、自动洗手池等装置,特别适用于公 司、酒店、商铺、车库及走廊等敏感区域,或用于安全区域的自动灯光、照明和 报警系统。BISS0001 管脚如图 3.9[11]。 图 3.9 热释电处理芯片 BISS0001 管脚图 (4)人员检测硬件电路 人员检测元件采用热释电人体红外传感器,与 BISS0001 硬件连接电路如图 3.10 所示。 图 3.10 人员检测模块硬件电路原理图 BISS0001 是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器 321 2 3redaeHP D N G V5+CCV K 8 7 2seRR4 D N G paC01CFu10.0 F u 9 0 2loPpaCC1 2seR K 1 01R 2seR K 0 6 1 paC R 2 2seR C Fu10.0 M 4 2 R 2seR paC M 7 2 Fu10.0 R 21C V5+CCV M 2seR11R1 V5+CCV 6543210 11111119 K 1 7 2seRR4 B DC I DV -NI1-NI2 F +NI1V u TUO1TUO2 1 7 2loPpaCC4 F2211 RRCCR0 D VSSVRRRRVA 2 N 1000SSIBU G 87654321 V5+CCV K V5+CCV 0 M 3 0 1 2 CFu1.0 2seR D K N 2seR 3 2seR 1 9 G 5 R R R D N G 8 号 paCCFu10.0 paCFu10.0 信 11C 块 出 输 模 D D 电 N N 测 G G 释 TUO_SSIB 热 检 员 人 D N G 3 2 BP-WSS BP-WSS 2yeK1yeK K K 0 0 1 1 2seR21R2seR31R V5+CCV 以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路[12]。人体红外信号经过热释 电传感器检测后,转化为相应的电压输出到热释电处理芯片 BISS0001,经过经 过 BISS0001 内部的放大比较电路,将模拟信号转换为数字信号的高低电平,输 出到 STC89C52 单片机。 3.3 其他模块电路设计 3.3.1 按键模块电路设计 图 3.11 按键模块电路设计 按键电路如上图 3.11 所示,按键的功能设计:一个按键按下就将控制模式 转为手动控制,另一个按键按下就转为自动模式。由 Key1、Key2 输出到 STC89C52 单片机。 3.3.2 照明模块电路设计 图 3.12 照明模块连接电路图 照明电路如图 3.12 所示,照明模块采用四个发光二极管,输入为 STC89C52 的光强控制信号,输出为 LED 灯亮的个数。 3.3.3 显示模块电路设计 显示模块采用 LCD1062,1062 为工业字符型液晶,能够同时显示 16x02 即 32 个字符(16 列 2 行)。1602 字符型 LCD 通常有 14 条引脚线 条引脚线的 LCD,多出来的 2 条线是背光电源线 脚)和地线 脚),其控制原 理与 14 脚的 LCD 完全一样。[13] 1062 引脚及介绍如表 3-2 所示。 表 3-2 1062 引脚 引脚号 1 2 3 引脚名 Vss Vcc Vee 4 RS 5 R/W 6 E 7 DB0 8 DB1 9 DB2 10 DB3 11 DB4 12 DB5 13 DB6 电平 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 输入/输出 输入 输入 输入 输入/输出 输入/输出 输入/输出 输入/输出 输入/输出 输入/输出 输入/输出 作用 电源地 电源(+5) 对比调整电压 0=输入指令 1=输入数据 0=向 LCD 写入指令或数据 1=向 LCD 读取信息 使能信号,1 时读取信息, 1→0(下降沿)执行指令 数据总线(最低位) 数据总线 数据总线 数据总线 数据总线 输入/输出 数据总线 A +Vcc LCD 背光电源正极 16 K 接地 LCD 背光电源负极 图 3.13 显示模块与控制器的连接图 液晶显示电路连接图如图 3.13 所示,指示当前检测状态,显示有无人员以 及当前的光照强度等级。 4 软件设计 4.1 自动照明控制系统总体程序设计思路 整个系统控制主要由人员检测模块和光强检测模块作为输入信号,先检测室 内有无人员,当室内有人就开启光强检测,并根据当前光强来控制点亮相应数量 的 LED 灯,并在显示器上显示相应的状态。若室内无人则只显示当前状态,其他 不做动作。总的程序流程图如图 4.1: 开始 中断初始化 人人员员检检测测 否 是否有人 是 人光员强检检测测 显示相应状态 图 4.1 总程序流程图 4.2 人员检测程序 数字量采集模块主要针对红外人体感应传感器信号,红外人体感应传感器输 出 5V 高电平(逻辑“1)和 0V 低电平(逻辑“0),该输出信号通过单片机的 I/ O 口直接与单片机相连接,单片机通过 I/O 来定时读取这一信号,判断是高电 平还是低电平。数据采集的间隔由定时器 B 实现,定时触发采集中断,在每次定 时器 B 中断到来时启动数字量采集,延时一段时间后读取内容,然后停止数字量 采集,继续等待一次中断的到来[14]。 图 4.2 为该模块的程序流程图。 等待定时器B 中中断断到到来来 读 取 P3.3引 脚 电电平平 设置标志 返 回回 图 4.2 人员检测模块程序流程图 4.3 光强检测程序 光强等级与 LED 灯控制对应关系如下表: 光强等级 开灯数量 一级光强 4 二级光强 3 三级光强 2 四级光强 1 ADC0809 转换数据的传送 A/D 转换后得到的数据应及时传送给单片机进行 处理。数据传送的关键问题是如何确认 A/D 转换的完成,因为只有确认完成后, 才能进行传送。为此可采用下述三种方式[15]。 (1)定时传送方式 对于一种 A/D 转换器来说,转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。 例如 ADC0809 转换时间为 128μs,相当于 6MHz 的 MCS-51 单片机共 64 个机器周 期。可据此设计一个延时子程序,A/D 转换启动后即调用此子程序,延迟时间一 到,转换肯定已经完成了,接着就可进行数据传送[16]。 (2)查询方式 A/D 转换芯片由表明转换完成的状态信号,例如 ADC0809 的 EOC 端。因此可 以用查询方式,测试 EOC 的状态,即可确认转换是否完成,并接着进行数据传送。 (3)中断方式 把表明转换完成的状态信号(EOC)作为中断请求信号,以中断方式进行数 据传送[17]。 不管使用上述哪种方式,只要一旦确定转换完成,即可通过指令进行数据传 送。首先送出口地址并以信号有效时,OE 信号即有效,把转换数据送上数据总 线,供单片机接收。 本设计采用中断方式使用 EOC 信号作为向单片机的中断申请。在主程序中, 向 ADC 发出首次启动转换信号后,并计数管理转换通道数。当检测到 EOC 的请求 后,转去执行中断服务程序,读取转换结果,并启动下一次转换,后继续执行[18]。 图 4.3 为 A/D 转换程序流程图。 等待中断到来 启 动 A/D转 换 读 读 取 A数 取/DA据数/D采 据 集 采 集 将数据存入 数组中 设置标志 返回 图 4.3 A/D 转换程序流程图 1 总结与展望 本文比较系统全面地分析了自动照明控制系统的研究现状与未来的发展 趋势,并且在此基础上针对高校教室设计一套教室自动照明控制系统,实现了人 员检测、光照强度检测等功能以及通过主控制器对照明设备进行实时控制,这种 自动照明控制系统顺应了目前最新技术的发展潮流,具有节约能源、延长照明设 备使用寿命、提高照明质量、管理便捷化等优点,势必取代照明效率低下的传统 照明控制。 虽然本设计达到了基本控制功能,但是还存在一些不足,比如说智能化程度 不高,仅仅实现了人员的自动检测与光照强度检测与调节等功能,随着科学技术 的发展,沿用最新技术,可使得检测灵敏度提高,功能更加强大。未来的教室照 明系统,除了以上功能,还可能具备照明系统全自动控制,在教学楼设计一个独立 的控制机房,对整个楼宇自动监控,针对不同时间段,比如上课、下课、自习等时 间内,实现不同的控制功能,还可以根据周围环境光强、温度等来设置不同的场 景模式,甚至可以根据色彩心理学在不同的时间段控制照明等的颜色适当调节学 生的视觉效应,从而使之达到最佳学习状态等等。但是,自动照明技术要实现更 高级的智能并非易事,国内外从事智能照明控制十多年来,也只能算是刚刚起步, 要实现照明系统的智能控制欲管理,它需要一个相当复杂的计算机控制系统,不 再是简单地实现灯具的开启和关闭,所须实现的控制学科所研究领域,还得包括 照明学,美术学,环境学,生理学,心理学等众多学科的交叉边沿学科,所以, 自动照明系统应用的普及还将是一条艰难的道路,等着我们去探索。 参考文献 [1] 张振昭.许锦标.楼宇智能化技术[M]. 北京:机械工业出版社.2003. [2]马小军.智能照明控制系统[M].东南大学出版社.2009 [3]周巧仪,戎小戈.智能建筑照明技术.电子工业出版社 [4] 罗亚非. 丁镇生. 传感及遥控遥测技术应用[M]. 北京:机械工业出版 社,2003. [8] 童诗白. 模拟电子技术基础[M]. 北京:高等教育出版社,2001. [9] 阎石. 数字电子技术基础(第 5 版)[M]. 北京:高等教育出版社,2004. [10] 张国熊. 测控电路[M]. 北京: 机械工业出版社, 2003. [11] 赵玉安. 人体热释电红外传感器介绍[M].中国电子制作,2006. [12]杨少春.传感器原理及应用[M].电子工业出版社.2011 [13]清华大学自动化系.智能信息处理和智能控制[M].杭州:浙江科学技术出 版社.1998. [14]马忠梅.单片机的 C 语言应用程序设计(第四版).北京航天航空大学出版 社.2007 [15] 房小翠. 单片微型计算机与接口技术[M]. 北京:国防工业出版社,2003. [16] 胡汉才. 单片机原理及接口技术[M]. 北京:清华大学出版社,2004. [17] 谭浩强. C 语言程序设计[M]. 北京:清华大学出版社. 2000. [18] Alley, A. (1996). Dormancy of the one-chip computer---restore to the throne in the operation way and improve anti- interference ability. Japan/USA Symposium on Flexible Automation, 1,193–200. 致谢 大学四年学习时光已经接近尾声,在此我想对我的母校、我的父母、亲人们、 我的老师和同学们表达我由衷的谢意!感谢我的家人对我大学四年学习的默默支 持;感谢我的母校长沙理工大学给了我在大学四年深造的机会,让我能继续学习 和提高;感谢长沙理工的老师和同学们四年来的关心和鼓励;感谢老师们课堂上 的激情洋溢、课堂下的谆谆教诲;感谢同学们在学习中的认真热情、生活上的热 心主动,所有这些都让我的四年充满了感动。 这次毕业论文设计我得到了很多老师和同学的帮助,其中我的论文指导老师 张静老师对我的关心和支持尤为重要。在我做毕业设计的每个阶段,从选题到查 阅资料,论文提纲的确定,中期论文的修改,后期论文格式调整等,各个环节中 都给予了我悉心的指导。这几个月以来,张老师不仅在学业上给我以精心指导, 同时还在思想上给我以无微不至的关怀,在此谨向张老师致以诚挚的谢意和崇高 的敬意。同时,本篇毕业论文的写作也得到了一些同学的热情帮助,感谢在整个 毕业设计期间和我密切合作的同学和曾经在各个方面给予过我帮助的伙伴们,在 此,我再一次真诚地向帮助过我的老师和同学表示感谢! 附录 A:硬件设计原理图 P3^6P3^7 P3^4P3^5 DS6 DS4DS5 DS3 MCU主控制模块 470470 470470 显示模块 Res2Res2 Res2Res2 33PF R20R21 R18R19 Cap STC89C52 1K P2^0P2^1P2^2P1^0P1^1P1^2P1^3P1^4P1^5P1^6P1^7 1 Res2 C17 VCC+5VVCC+5V VCC+5VVCC+5V 11.0592 GNDP2.0 R17 2021P2^0 XTAL2P2.1 VCC+5V 1922P2^1XTAL1 XTAL2P2.2 VCC+5V 照明模块 1823P2^2XTAL2 33PF P2.3 1602 2 24Y1Key2 D Cap 12 P3.7/RDP2.4 N0 SWLL 1725P3^7Key1 GVCCVRREDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7BB P3.6/WRP2.5 1626P3^6S3 P3.5/T1P2.6 C16 光照强度检测模块 1527P3^5S2 P3.4/T0P2.7 1428P3^4S1 P3.3/INT1 ADC0809 13BISS_OUT 热释电输出信号 P3.2/INT0EN 1229ST GND P3.1/TXDALE 排阻 13GND 1130OEALE VREF- P3.0/RXDEA/VSS 1602液晶显示 1K GND 16GND 1031RES9EOC VREF+ALE Res2 U5 1222VCC+5V ADDC RESP0.7 23S3 9321RESD7 ADDB R16 P0.6 10K 24S2 332D6 D7ADDA P1.7P0.5 Res2 2125D7S1 8343P1^7D5 D6 P1.6P0.410uF R15 20D6 7354P1^6D4 LED0 IN7D5 P1.5P0.3CapPol1 按键模块 519IN7D5 6365P1^5D3 DS2 IN6D4 P1.4P0.2C15 418IN6D4 5376P1^4D2 IN5D3 P1.3P0.1 SW-PB 光敏电阻 38IN5D3 GND 4387P1^3D1 IN4D2 P1.2P0.0 215IN4D2 3398P1^2D0 IN3D1 P1.1 Res2 10K SW-PB 114IN3D1 29VCC+5VP1^1 S4 D0IN2 P1.0VCC R14 R22 1728IN2D0 Key2 140J2VCC+5VP1^0 10KR13 IN1 27IN1 S3 GND OEIN0 0.1uF 926ADC_0OE U4 Res2 SW-PB EOC 7EOC 0.1uF GND START Key1 VCC+5V 10K R12 6ST CLKVCC VCC+5V C14 S2 1011ALE VCC+5V C13 U3VCC+5V BISS0001 人员检测模块 1M Res2 GND GND VRFVC 89 电源电路 R11 1K VCC+5VVCC+5V 0.01uF VSSIB 710 R10 Res2 GND C12 Res2 0.01uF RR2VDD 0.01uF 热释电传感器 Cap 47K 611 Cap GND R9 C11 1M Cap 2M Res2 VCC+5V RC22OUTGND C10 DS1 R8 512 GND R7 Res2 10K Header3 0.01uF RC12IN- 413 Cap 10uF R6 Res2 GND 3 Res2 CapPol2 GND RR11IN+2 314 C9 R5 200K 1K 1 2M 1K C8 2 V01IN- PWR2.5 215P2VCC+5VBISS_OUT 470uF470uF0.33uF0.1uF R4 R3Res2 Res2 R2 2 C4C7C5C6 热释电输出信号 GND A1OUT 0.1uF 0.01uF SW-SPST 116 3 INOUT GND 131 J1 47uF U2 S1U1L7805ACVVCC+5VV_IN 47KC3 VCC+5V Cap CapPol2 C2 VCC+5V Res2 GND R1 C1

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