基于红外控制的智能照明系统设计学士学位论文.doc

基于红外的教室照明节能智能控制系统一、 立项依据1.作为世界上最大的发展中国家，我国是一个能源生产和消费大国。能源生产量仅次于美国和俄罗斯，居世界第三位；基本能源消费占世界总消费量的l10，仅次于美国，居世界第二位。中国又是一个以煤炭为主要能源的国家，发展经济与环境污染的矛盾比较突出。近年来能源安全问题也日益成为国家生活乃至全社会关注的焦点，日益成为中国战略安全的隐患和制约经济社会可持续发展的瓶颈。上个世纪90年代以来，中国经济的持续高速发展带动了能源消费量的急剧上升。自1993年起，中国由能源净出口国变成净进口国，能源总消费已大于总供给，能源需求的对外依存度迅速增大。煤炭、电力、石油和天然气等能源在中国都存在缺口，因此节能思想尤为重要，节能的中心思想是采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可接受的措施，来更有效地利用能源资源。为了达到这一目的，需要从能源资源的开发到终端利用,更好地进行科学管理和技术改造,以达到高的能源利用效率和降低单位产品的能源消费。由于常规能源资源有限，而世界能源的总消费量则随着工农业生产的发展和人民生活水平的提高越来越大，世界各国十分重视节能技术的研究，特别是节约常规能源中的煤、石油和天然气，因为这些还是宝贵的化工原料；电力作为一种洁净方便的能源广泛的应用与我们的生活与生产方面，因此电能的节能尤为重要，要节能首先就要做到节约能源，其次再通过科学研究发明更加人性化和节能的用电器。2.有相当一部分学校的有关部门，对此的认识还是不到位，总认为教室就那么几盏40W的日光灯，不会造成多大浪费，节不节能无所谓。他们可能会为水龙头没有拧紧，滴答水而心疼，会主动地去关闭。但对照明浪费却熟视无睹，或者是视而不见。这主要是电能不像流水一样能看得见，是一种无形的、无法用肉眼感知的东西，浪费了也觉察不出来。我们可以估算一下，按照国标的规定，教室照明的功率密度约为10W/m2，假设教室的平均面积为100m2，则照明负荷约为1kW。如果每天正常使用时间为15小时，那么，一天每间教室的用电量为1kW15h15kWh，学生年在校为270天，则年用电量约为4050kWh。如果学校按照100m2折合教室数量为200间，则照明用电量为81万度左右。若节电率以平均30%计算，则一年可节电24.3万度，可节约电费1520万元左右，以上估算还未包括线损和灯具长时间开启而损坏的部分。从以上计算可以看出，教室照明节能绝不是微不足道的，即使单从经济效益来看，完全也是大有可为的。而且节能是一项长期的收益，早做早受益。我校的实际就是很好的例证。部分学校也意识到了教室照明中存在的巨大浪费，采取了各种各样的管理方式，企图来杜绝这种浪费。如：费用包干制、任课教师负责制、组织勤工俭学学生或聘用专职人员进行专门管理，拉闸限电等等。许多学校都采取过这些方法，但始终没能长久坚持下去，也就没有取得理想效果。我们分析有如下原因：一、是从生理上来看，当外界光照强度超过灯具光照度时，人眼就很难察觉有灯存在；二、是从心理上来看，教师和学生精力集中于教学和学习上，不可能分心来观察教室光照度的变化，也就不可能主动去关灯。三、专门管理人员很难了解各个楼层，各个朝向教室的实际情况，加上个人认知差异的影响，很难做出准确的判断，由他们来负责开启和关闭灯具，不是关灯太早或开灯太晚造成学生看不清楚，就是关灯太晚或开灯太早而造成浪费。同时管理人员的素质千差万别，个体差异还可能导致矛盾激化。我们在有人员管理的教学楼做过实验，使用和不使用智能照明控制器前后2月的电量相比，节电率仍然可以达到23%，学生反映不再出现开关灯不及时的现象了，这就说明了人工管理是取代不了科学技术手段管理的。虽然智能控制器一次性的投资可能比聘用管理人员可能要高一些，但从科学管理，大学的学习氛围和长期效益来看，智能化的科学管理是要远远超过人工管理的。目前国家提倡节约型社会，节约型校园。建设节约型的校园的当务之急该是节省不该用的能源，防止浪费。据报道，很多高校的自习室等场所用电浪费现象严重。大家都已经习惯让教室成为长明场所！专家们为此算了一笔账：教室无人后如果不关闭电源开关，初步估算全国各高校每年将因此浪费20亿度电以上。20亿度电意味着什么呢？如果按平均每度电0.7元计算就意味着会损失十几亿元。节约用电，我们应该从身边做起。为此我们在教室的用电上开动脑筋想办法，做试验，提建议，为我校节能校园的建设贡献一份力量。教室照明节能工作，已经成为全国许多所高校2007年的工作重点。正是看到了高校教室照明节能存在的商机，许多相应的节能产品应运而生，出现了鱼龙混杂、良莠不齐的局面。作为教室节能工作开展的较早的学校，我们在这方面走过了不少的弯路，也积累了很多的经验教训。在这里将我们的心得体会总结出来，与各学校的同行们进行共享，希望给正在或酝酿作教室照明节能的高校，有所启迪和借鉴，可以少走弯路，以最少的投入达到最佳的节能效果。学校在考虑做教室照明节能时，又容易走向另一个极端，即要求对每盏灯都进行精确控制。表现为每个灯位都采用人体感应控制开关来控制，或者用红外对射来计算教室的人员数量再对灯具分别进行控制。这种精细控制考虑的初衷是好的，认为可以最大限度地节约电能。但是却忽略这种方式带来的诸多问题，一是光照度难以保证。整个教室的照度是根据房间面积设计的，只开一盏或2盏灯，是很难保证照度满足国标要求。尤其是大合堂阶梯教室，前几排的层高可以到5-6米，夜晚人少开的灯少，实际的光照度很难保证。因为国标中不但规定了绝对照度值要求，而且规定了邻近照度与主照度的比值不能低于0.7。这就像在漆黑的房间，如果只开桌上的台灯，桌面照度可能满足国标的要求，但周围却还是黑暗的。在这种环境下学习，眼睛很容易疲劳，不但影响学习效果，长此以往，必将对学生视力造成无可挽回的损害。二是灯具容易老化，通过频繁地关闭灯具来节能，势必要使这些灯具要根据人员情况的变化，及时地开启或关闭。教室照明一般使用的是日光灯，启动时，依靠的是加热灯丝上涂覆的氧化物产生的电子来启辉的，每启动一次，氧化物就消耗一些，如果消耗尽，日光灯就不能点亮而报废了。过于精细的控制，就会使灯的起动过于频繁。很容易造成灯管的提前老化，严重缩短其寿命，出现“节电不节钱”的现象。三是容易造成错误控制，在采用计算人数的控制器中，极易出现由于人员进出的不规则和不确定性而出现错判的情况，要么在有人的情况下关灯而影响学习，要么在无人的情况下长时间不关灯而影响节电效果。在有固定座次位置的教室中，这种控制方式就更是无法使用了。因此，从整个节能效益和保证学生视力健康等方面的综合考虑，教室照明最好采用大范围的多灯位控制方式。多年的实践数据和经验表明，节约的电能大部分还是在白天的长明灯浪费，夜晚开部分灯的节约比重相对较低。3.现代化家居照明系统要适应网络时代的发展，应引入智能化的概念。在传统的家居照明系统中，一般都是综合布线，使用刀开关来控制，灯具的寿命短，较费电。但近年来，随着经济的发展和科技的进步，人们对照明灯具节能和科学管理提出了更高的要求，使得照明控制在智能化领域的地位越来越重要。而在商品房的建设热潮中，各大楼盘和房地产商也意识到了智能照明的重要性。使用智能照明控制系统，更能体现其在节能与管理方面的优势。红外智能节电开关由于触发的时候不需要人发出任何声音，而是人走过时身体向外界散发红外热量最终控制灯具的开启，当人离开后，经过一定时间的延时，自动熄灭。因为不同于声光控灯，不需要声音和开关控制，从而避免了声控噪音的侵扰，同时因为它是感应人体热量控制开关，所以避免了无效电能的损耗，达到节能效果。 4.现在的公共场所照明（比如公共走廊及楼梯间）应用最多的还是几年前出现的声光控延时灯具和开关。这种灯具和开关的出现，实现了人来灯亮，人走灯灭，目前已成为公共场所照明开关的主流产品。当然，这种产品在某种程度上说确实实现了节能的目的，但同时也给人们的生存环境造成了一定的破坏。由于产品本身性能的限制，这种声光控灯具和开关自动控制的实现需要（超过60分贝）声音的配合，这就给大众需要的安静环境造成一定的噪声污染。 随着社会的发展和人们对生态环境的重视，这种声光控灯具和开关已慢慢不能满足人们的需要，这就要求更加节能和环保的自动照明控制产品的出现，以满足人们对高质量生活的需求。 红外智能节电开关是以成熟的红外感应技术为平台，加入更多的高新技术元素而形成的一种具有广阔市场前景的高科技产品，它的出现弥补了声光控技术的缺陷，它的自动控制的实现不需要声音和其他会给环境造成影响的条件的配合，而是人走过时身体向外界散发红外热量最终实现它的自动控制功能。5.中国国家电力监管委员会主席王旭东称,今年中国全社会用电量预计增长7%.全年电力供需仍将呈总体相对宽松,局部地区、个别时段供应紧张态势,电力供需依然存在不确定性。新华社引述电监会最新统计称,去年12月发电量同比增速达26.03%,部分地区出现电力供需紧张.去年全社会用电量达3.66万亿千瓦时,同比增长6.44%,超过预期.今年预计稳步增长至3.9万亿千瓦时。报导援引王旭东在电监会工作年会上表示,今年电力供需依然存在不确定性的原因在于煤电价格形成机制没有完全理顺,煤电矛盾以及电力工业发展中的一些深层次问题没有解决。同时,电煤供应、运输、煤价、来水、天气等因素相互交织影响,加之应对气候变化和保护环境的压力越来越大,推进电力结构调整、转变电力发展方式要求越来越高.此外大电网运行也存在安全风险。王旭东表示,今年重点是扩大大用户直购电试点,推进区域电力市场建设,深化农电体制、输配电体制等电力体制改革。对于扩大大用户直购电试点范围,他表示,除了去年确定的吉林和广东台山两个试点外,今年将选择若干条件较好的省份开展大用户双边交易试点.截至去年年底,全国已经有11个省区市上报了试点方案.此外,在推动电力体制改革中的电网企业主业和辅业分离、输配电电价核定等方面,电监会今年也将有大动作,将积极参与、配合做好电价改革工作,拟订输配电体制改革方案等。5.我国的电力消费主力集中在沿海地区以及华北、四川两大区域。其中山东、广东、江苏、辽宁、河北、河南、四川等七省用电量就占全国用电量的45%。就全国而言，由于资源、人口分布和经济发达程度不同，必然造成某些地区电力的供需缺口。据分析，电力相对富裕的省份依次为内蒙、山西、湖北、云南、广东等地。广东的情况比较特殊，该省相当一部分电力输送给香港，结果使本省电力并不富裕。随着经济的发展，该省今后必然要逐步加大从云南、贵州等省的购电比例。电力相对紧缺的省份依次为北京、天津、广西、浙江、辽宁、福建等地。北京由于其特殊的政治经济原因，目前的用电量50%需从外地购进。预料今后北京、天津等地的电力需求增长将更多地依赖山西、内蒙两地的供应。 来源：中国节能产业网，天津市高校后勤协会，二、 研究内容为了解决因人为因素而造成的资源浪费提出了一种教室智能灯控制的方法，利用人体红外感应装置探测照明范围内的人来控制照明，从而达到节约电力的作用。总体介绍：教室照明节能智能控制系统是根据判别光照度强弱和人体特定红外波谱感应原理，结合人体感应传感器技术，通过数字电路的精确分析判断，实现“按需用电”之目的。 当光线达到设定照度（LUX）值时，节电装置可自动关闭供电电源。即使打开开关，照明灯也不亮（即光线亮度够时，室内有人灯也不亮）。当光线低于设定照度（LUX）值时，室内有人时，节电装置自动接通电源，室内照明灯亮。当室内无人时，节电装置延时812分钟后，自动关闭供电电源（即光线亮度不够时，室内有人时灯亮，无人时灯灭）。通过不同的解决方案，多形式、多方位来实现“人走灯灭，节约用电”的效果。为了解决节能问题需对下面几个方向进行研究l 教室电力载波通讯 主控制器和终端控制器之间的通信需要较为适合的信道，如采用专用通信线路则会提高设备成本和复杂度，控制器的所有控制线路需要全部铺设，工程量会成倍增加。在兼顾低成本和通信可靠性的同时就需要需求另一种通信方式。经过选择和比较，最终选择了电力载波通信方式，因为所有照明的线路都是现有的，可以以最低的成本和最少的工程量实现对照明的控制。l 红外人体感应（PIR）热释电人体红外线传感器由敏感单元、阻抗变换器和滤光窗等三大部分组成。敏感单元特殊材料做成很薄的薄片，每一片薄片相对的两面各引出一根电极，在电极两端则形成一个等效的小电容，因为这两个小电容是做在同一硅晶片上的，而它们形成的等效小电容能自身产生极化，极化的结果是，在电容的两端产生极性相反的正、负电荷。但这两个电容的极性是相反串联的。这正是传感器的独特设计之处，因而使得它具有独特的抗干扰性。滤光窗它是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的，滤光窗能有效地滤除7.014um波长以外的红外线。为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。l 单片机技术（89系列）强大的处理能力89 系列单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式、简洁的内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。 在运算速度方面，89 系列单片机能在 11.0592MHz 晶体的驱动下，实现 125ns 的指令周期。 16 位的数据宽度、 125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如 FFT 等）。 89系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用 6us 。 超低功耗89系列单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。 首先，89 系列单片机的电源电压采用的是 1.85V 电压。因而可使其在 1MHz 的时钟条件下运行时， 芯片的电流会在 200400uA 左右，时钟关断模式的最低功耗只有 0.1uA 。 其次，独特的时钟系统设计。在89C51 系列中有两个不同的系统时钟系统：基本时钟系统和锁频环（ FLL 和 FLL+ ）时钟系统或 DCO 数字振荡器时钟系统。有的使用一个晶体振荡器（ 11.0592MHz ） , 有的使用两个晶体振荡器）。由系统时钟系统产生 CPU 和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。 由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式（ AM ）和五种低功耗模式（ LPM0LPM4 ）。在等待方式下，耗电为 0.7uA ，在节电方式下，最低可达 0.1uA 。 系统工作稳定。上电复位后，首先由 DCOCLK 启动 CPU ，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用做 CPU 时钟 MCLK 时发生故障， DCO 会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。 丰富的片上外围模块89 系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（ WDT ）、模拟比较器 A 、定时器 A （ Timer_A ）、定时器 B （ Timer_B ）、串口 0 、1（ USART0 、1 ）、液晶驱动器、 10 位 /12 位 ADC 、16位Sigma-Delta AD、直接寻址模块（ DMA ）、端口 O （ P0 ）、端口 16 （ P1P6 ）、基本定时器（ Basic Timer ）等的一些外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出 A/D 转换器； 16 位定时器（ Timer_A 和 Timer_B ）具有捕获 / 比较功能，大量的捕获 / 比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、 PWM 等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的 I/O 端口，最多达 6*8 条 I/O 口线； P0 、 P1 、 P2 端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入； 12/14 位硬件 A/D 转换器有较高的转换速率，最高可达 200kbps ，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达 160 段；实现两路的 12 位 D/A 转换；硬件IIC串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用直接数据传输（ DMA ）模块。89系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。方便高效的开发环境 目前89系列有51型、1051 型和8252型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。对于 OPT 型和 ROM 型的器件是使用仿真器开发成功之后在烧写或掩膜芯片；对于 FLASH 型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有 JTAG 调试接口，还有可电擦写的 FLASH 存储器，因此采用先下载程序到 FLASH 内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由 JTAG 接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一台 PC 机和一个 JTAG 调试器，而不需要仿真器和编程器。开发语言是 C 语言。三、技术方案系统方案示意图终端2终端3终端4控制终端电力载波终端被控端信号采集、处理、传输处理器红外感应装置