教室LED照明节能智能控制新版系统的研究应用与应用开题报告刘阳.doc

基于ZIGBEE技术无线定位系统研究电信120 （2510）周志远摘要：本次选取AT89C51单片机主控芯片作为教室LED照明智能控制器，通过热释电红外传感器感应从而能判断出教室内有人无人，通过光敏电阻感应教室内光线强度，实现对教室内灯光智能控制，避免了教室用电大量挥霍。本文详细阐述了系统软件设计过程，采用模块化编程思想，使用C51语言编写源程序，实现教室节能照明功能。该系统具备体积小，控制以便，可靠性高，专用性强，性价比合理等长处，可以满足各类大、中专院校教室灯光控制规定，很大限度达到节能目。核心词:教室智能照明；软件设计；热释电红外传感器；智能控制1 研究背景1.1研究重要目和意义中华人民共和国经济在持续近年高速发展后今天，能源问题日益突出。虽然国内能源总储量占据之首，但由于国内人口众多，因此人均储量少，单位产值能耗是发达国家3-10倍。能源问题已成为制约国内国民经济发展核心问题。从环境和自然资源角度出发，能源问题也是国内长期可持续发展战略中一种重要核心因素。此外，能源问题不但关系经济发展和环境生态，在特定状况下还会对社会稳定有很大影响。随着社会经济和科学技术迅速发展，人们生活水平也在不断提高，导致用电负荷加剧，又由于世界性能源危机，能源缺少以成为世界所面临严峻问题。中华人民共和国都市每年用于公共照明能源支出高达280多亿，节能空间巨大。其中路灯照明能耗占30%以上。发展都市道路照明同步，路灯以供街道照明以外，还大力兴建了诸多景观照明亮化工程，美化都市夜景，但同步也带来了能耗极大挥霍。据记录，国内全社会总用电量将超过5000 亿kWh，新增照明用电 亿kWh。对高等院校，据测算，其照明耗电占本单位所有耗电40% 左右，可见在对教室灯光进行自动控制，其节能效益和经济效益都是相称可观。由于大学是开放型管理模式，加上全员节能意识淡薄，教室无人时照明灯始终长明，导致电能巨大挥霍，由此提高教室用电效率实现智能控制就成为首要考虑问题。当前对灯光智能控制，特别是国内教室灯光智能控制尤为缺少和不完善，依然是老式式人工管理。（如华东理工大学梅陇校区教室在白天无人时日光灯仍旧启动）各类大、中中专院校不断扩招，教室不断扩建，教室用电负荷不断增长，教室用电管理不善，导致学校电能挥霍，经济损失，这种挥霍与当今节能理念相违背。再者，当代自动化限度不断提高，计算机技术普及，灯光管理也朝着自动化、智能化方向发展。于是，开发简便、实用教室灯光自动化控制系统便具备重要现实意义。1.2 研究现状当前，国内照明大力采用高效照明产品代替老式低效率照明产品实现节能，大力履行绿色照明工程，大量运用节能技术，不断推出绿色光源和节能电器，采用大量节能灯具，装备新技术，特别以LED绿色照明改造为国家大力履行。现阶段，世界各国都在采用不同方式来节约能源，节约电能。LUMA公司推出LEP等离子体灯替代老式照明，节能效果能达到50%，飞利浦照明公司和OSRAM公司也都在大力研究LED照明，芯片光效由此前100lm/W提高到150lm/W,丹麦房屋建设就对节能有诸多规定，并且居民入住有节能装置放置时，要支付费用比没有节能方案房屋高出8%。单纯光源节能加上有效智能照明控制会让节能空间大力提高，研究智能照明控制系统是是当前发展趋势，综合了照明、自动化控制、计算机技术、电力电子技术和互联网+结合，通过充分运用自然环光来减少人工照明带来能源消耗，真正实现情景化、自动化、人性化智能照明技术。常用照明控制系统有飞利浦公司下属邦奇Dynalite智能照明控制系统，该系统重要由调光模块、开关模块、控制面板、液晶显示触摸屏、智能传感器、编程插口、时钟管理器、手持式编程器和PC监控机等部件构成。采用DyNet网络连接，DyNet是一种分布式智能化网络，使用RS-485通讯合同。以施耐德公司为主使用C-Bus智能照明控制系统，C-Bus系统是一种二线制总线型式智能控制系统，系统所有单元器件（除电源外）均内置微解决器和存储单元，由一对信号线（双绞线）连接成网络。每个单元均设立唯一单元地址并用软件设定其功能，通过输出单元格控制各回路负载。输入单元通过群组地址和输出组建立相应连接。当有输入时，输入单元格将其转变为C-Bus信号在C-Bus系统总线上广播。所有输出单元接受并做出判断，控制相应回路输出。快思聪为主是ABB i-Bus EIB智能安装系统，EIB智能系统由总线、总线电源、智能传感器（光线传感器、模糊开关、时间控制器、移动传感器）、智能开关驱动器和其她智能元件（逻辑模块总线耦合器）构成。每个元件就是节点，这些节点连接在一根2芯双绞线介质总线上，不分主从从属关系实现互相之间通讯从而实现控制和被控制。2文献综述2.1 系统设计要点照明作为教室智能控制子系统之一，它对教室智能控制舒服性、经济性、以便性具备重要意义。运用人体存在信号和环境光信号辨认和智能判断，可以有效对教室照明进行智能控制，避免了教学大楼照明用电大量挥霍。本设计以AT89C51单片机作为控制装置智能部件，采用热释红外人体传感器检测人体存在（没人时教室里灯全关，有人则进行环境灯光自动感应进行下步行动），采用光敏三极管构成电路检测环境光强度（照度达届时灯全关，照度不够时灯打开补足光照度）；在特殊环境及规定下（如多媒体教学和电影文学欣赏）可以通过手动来控制灯开关。一号按钮控制手动与自动，二号按钮控制灯开关盏数（按0次没灯开，按1次开2盏灯，按2次开4盏灯，按3次开8盏灯，按4次后返回到0）。在本次系统设计中，设计办法选用是系统设计能否成功核心所在。硬件电路是采用构造化系统设计办法，该办法保证设计电路原则化、模块化。硬件电路设计最重要选取用于控制单片机，并拟定与之配套外围芯片，使所设计系统既经济又高性能。硬件电路设计还涉及输入输出接口设计，画出详细电路图，标出芯片型号、器件参数值，依照电路图在仿真机上进行调试，发现设计不当及时修改，达到最后设计目。软件设计办法与开发环境选用有着直接关系，本系统由于是采用51系列单片机，因而使用汇编语言进行开发。2.2系统性能指标及技术规定一方面单片机通过按钮1鉴定是自动还是手动，若是自动则人体存在信号采集电路和光敏三极管采光电路先后工作鉴定室内与否有人，和室内关照度，单片机再决定与否开灯，开几盏灯。最后通过LCD显示开了几盏灯和关闭了几盏灯。 手动/自动（1）自动A 全关B 开4盏灯C 开8盏灯（2）手动A 全关B 开2盏灯C 开4盏灯D 开8盏灯2.3本课题重要内容灯光总体控制方案研究；灯光控制检测方案研究；热释电红外传感器信息解决；人体与自然光照强度信号采集与解决；开发单片机系统；实验测试与数据分析。2.4拟采用研究办法或办法本次课题重要研制控制器以自然光强度和人体存在作为控制器重要输入参数。可以真正实现自动与手动控制互相兼容。在自然光照度达标时，无论教室与否有人存在，都不开灯;在教室自然光照度达不到规定期候，有人存在时灯光会自动打开并且达到均衡照度，有人存在时控制器自动打开电灯，直到人离开后再延时120S后关灯。同步，还要改用机械开关来手动控制，以解决因特殊状况下，自动控制器不人性化运营。本次课题所研究教室灯光控制器重要是由硬件和软件两大某些构成。硬件某些是前提，是整个系统执行基本，它重要为软件提供程序运营平台。而软件某些，是对硬件端口所体现信号，加以采集、分析、解决，最后实现控制器所要实现各项功能，达到控制器自动与手动相结合教室照明智能控制。系统设计重要涉及硬件和软件两大某些，根据控制系统工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计。硬件设计某些涉及电路原理图、合理选取元器件、绘制线路图，然后对硬件进行调试、测试，以达到设计规定。硬件电路是采用构造化系统设计办法，该办法保证设计电路原则化、模块化。硬件电路设计最重要选取用于控制单片机，并拟定与之配套外围芯片，使本次设计系统既经济又高性能。硬件电路设计还涉及输入输出接口设计，画出详细电路图，标出芯片型号、器件参数值，依照电路图在仿真机上进行调试，发现设计不当能及时修改，达到最后设计目。软件设计某些，一方面在总体设计中完毕系统总框图和各模块功能设计，拟定详细工作筹划；然后进行详细设计，涉及各模块流程图，选取适当编程语言和工具，进行代码设计等；最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能规定。软件设计办法与开发环境选用有着直接关系，本系统由于是采用51系列单片机。本系统软件设计采用模块化系统设计办法，先编写各个功能模块子程序，然后进行组合与调节，通过调试后，达到最后设计功能规定。2.5 系统硬件总述为了使该模块化LED显示屏控制照明系统更加以便且灵活性高，我对本次系统硬件做了精心设计。硬件电路涉及LED灯电路、显示电路、开关控制电路等三大模块。整个照明系统有人为控制某些和自动控制某些，人为控制是靠一种开关来实现操作，通过重复按压可以点亮更多LED灯，而自动控制是靠单片机控制，咱们把程序写入单片机后，单片机系统时间通过显示屏显示出来，并且运用时间来控制灯亮与灭，用单片机P0口做灯光输出，P1口做显示输出，P2口做开关输入，即可完毕硬件某些。在具有控制器电路系统中，都必要要有相应复位电路，这样可以使系统在上电后，较好地复位系统并使系统处在稳定运营状态。普通简朴复位电路可以采用RC复位，这种电路稳定性普通、可靠性较高。2.6单片机应用技术电子技术和微型计算机迅速发展，增进微型计算机测量和控制技术迅速发展和广泛应用，单片机（单片微型计算机）应用已经渗入到国民经济各个部门和领域，它起到了越来越重要作用。单片微型计算机就是将中央解决单元、存储器、定期/计数器和各种接口都集成到一块集成电路芯片上微型计算机。因而一块芯片就构成了一台计算机。它已成为工业控制领域、智能仪器仪表、尖端武器、寻常生活中最广泛使用计算机。单片机由硬件系统与软件系统构成。硬件系统是指构成微机系统实体与装置，普通由运算器、控制器、存储器、输入接口电路和输入设备、输出接口电路和输出设备等构成。其中运算器和控制器普通做在一种集成芯片上，统称中央解决单元（Central Processing Unit），简称CPU，是微机核心部件。CPU配上存储程序和数据存储器2、输入/输出（Input/Output，简称I/O）接口电路以及外部设备即构成单片机硬件系统。软件系统是微机系统所使用各种程序总称，人们通过它对微机进行控制并与微机系统进行信息互换，使微机按照人意图完毕预定任务。软件系统与硬件系统共同构成完整单片微型计算机系统，两者相辅相成，缺一不可。2.7 CPU性能简介本系统采用了ATMEL公司MCS-51系列单片机中AT89C51芯片，它是低压高性能CMOS 8位微解决器，带有4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，15个IO口线，两个16位定期计数器，个5向量两级中断构造，一种全双工串行通信口。2.8 LED数码显示设计数码显示与驱动电路由74LS138译码器、7447 TTL BCD-7段高有效译码器/驱动器、4个数码管以及5个A1015三极管构成。由单片机P0.0P0.3口输出四位BCD码，经7447芯片后，翻译成7段数码管a、b、c、d、e、f、g相应段，并输出点亮数码管相应段。单片机P0.4、P0.5口输出信号经74LS138译码器后产生高电平信号加在A1015三极管基极，控制三极管导通，从而起到对相应数码管选通作用。4个7段数码管都被接成共阳极方式。3技术路线3.1控制系统实现中重要问题在公司研发室设计控制系统，在安装、调试后完全符合设计规定，但真正把系统置入现场后，系统往往有也许不能正常稳定地工作。基于产生这种状况重要因素是现场环境复杂和各种各样电磁干扰，因而单片机应用系统可靠性设计、抗干扰技术变得越来越重要了。在工业现场环境中干扰是以脉冲产形式进人单片机系统，其重要渠道有3条，.即空干扰多发生在高电压、大电流、高频电磁场附近，并通过静电感应，电磁感应等方式侵入系统内部；.供电系统干扰是由电源噪声干扰引起；.过程通道干扰是干扰通过前向通道和后向通道进入系统。干扰普通沿各种线路侵入系统。系统接地装置不可靠，也是产生干扰重要因素；各类传感器，输人/输出线路绝缘损坏均有也许引入干抚。3.1控制系统实重要构成某些及功能教室灯光智能控制器系统由如下几种某些构成：主控芯片、电源模块、热释电红外传感器模块、灯光驱动模块、数码管显示模块、光敏电阻模块，手动控制模块、系统构成框图如下：电源模块灯光驱动模块数码管显示模块手动控制模块热释电红外传感器模块光敏电阻模块单片机图3-1 系统构造图各模块作用分别如下：3.1.1电源模块该模块将220v交流电通过变压器、全桥整流、稳压、7805稳压之后、输出5v直流电、以达到给本设计所用单片机、传感器以及其她元器件供电目13。3.1.2热释电红外传感器模块对教室灯光进行手动控制，可直接控制灯光始终启动或始终关闭，以此为特殊状况下用电规定而设计。3.1.3灯光驱动模块由传感器来感应教室内与否有人，然后将成果传送给主控单片机，按有人和无人两种状况来选取不同灯光控制程序。从而做到针对有人和无人两种状况分别进行不同灯光控制。3.1.4数码管显示模块该模块重要某些是光电耦合器，通过进行“电光电”转换，达到对灯光安全控制。3.1.5光敏电阻模块显示教室内实时光线强度，和判断无人时60倒计时。3.1.6手动控制模块光传感器连接主控单片机，对教室内光线强度进行监控，从而做到随时针对光线强度进行灯光控制，做到合理地管理照明。3.2软件编程（程序）如图3-2为整个程序流程图，由按键1被按次数R1判断是自动还是手动（按键按一次R11时程序进入手动状态，按键按零次R10时程序则进入自动状态，若按两次就会返还到R10状态）。系统为自动时单片极会由人体存在信号采集电路和光敏三极管采光电路信号决定与否开灯，开几盏灯。手动时单片机会由按键2所按次数R0决定开灯盏数（按0次全关，案1次开一盏，按2次开两盏，按3次全开，按4次则返还到按0次状态）。最后通过LCD液晶显示开灯盏数和关灯盏数。P2.0引脚接1号灯（教室里最前面2盏灯），P2.1引脚接2号灯（教室里中间4盏灯），P2.2引脚接3号灯（教室里最后2盏灯）。全开时P2=00000111B,开4盏灯时教室先后两盏P2=00000101B,开2盏灯教室中间2盏P2=00000010B,全关时P2=00000000B。图3-2 程序流程3.2.1 手动控制由P1.6引脚处按钮被按次决定手动和自动，R1=0时自动，R1=1手动控制，R1=2后返回到P1.6=0状况。R1=1手动时按钮2被按次数R0决定开灯盏数（R0=0全关，R0=1开2盏灯，R0=2开4盏灯，R0=3全开，RO=4后返回到R00状况）。单片机收到信号后将某些状况解决，再给P2赋值。3.2.2 自动控制P1.0接人体存在信号采集电路（有人时P1.0=1；没人时P1.0=0）；P1.1，P1.2接光敏三极管信号采集电路，P1.1接信号高值；P1.2接信号低值。P1.0=0时程序直接跳到延迟60S程序后把灯全关了。P1.0=1时程序开始依照P1.1,P1.2状况给P2口附值。（P1.1,P1.2）为（0，0）表达教室里光线很暗要把灯全打开则给P2口附00000111B值；（P1.1,P1.2）为（0，1）中档强度光开4盏灯给P2口附00000101B值；（P1.1,P1.2）为（1，1）关线强则把所有灯关了给P2口附00000000B值。3.2.3 显示程序采用LCD液晶显示，程序每次执行给P2口附值后就给R3附值（所要开灯盏数）。执行完开关灯程序后调用显示程序。显示两行，第一行显示“OPEN:#R3”,第二行显示“CLOSE:#R4”（R4关闭灯盏数）。4 进度安排整个设计过程日程安排如下表所示：表4.1毕业设计进度安排表阶段日期内容第一阶段. 7. 8熟悉课题内容，搜索有关资料，复习单片机、C语言，电路等有关知识。第二阶段. 8. 10撰写开题报告及文献翻译，进行电路设计。第三阶段. 10. 11程序编写与调试；撰写毕业论文第四阶段. 11.12总结及答辩阐明：以上是大体时间安排，详细进度也许按实际状况进行调节。5 参照文献1胡兴军 .发展中智能照明系统 J .光源与照明 ， ，(3) :44-462 张开羽,刘骊,吕杨.基于DALI合同智能照系统设计J .电子工程师，,30（9）:76-803蒋仙华 ,吴明光 ,陈引.基于 HBS家庭智能照明系统研制与开发 J .中华人民共和国照明电器 ，(3) ：12-14 4 奇胜电器 (惠州 )工业有限公司 .C2BU STM智能化照明管理系统 J .电子质量 ，(6) :32-335 朱静 . 基于AT89C2051单片机VCN-MIO智能节点模块电路设计. 淮阴工学院学报，19（1）：34-38.6 郭占龙. 基于单片机智能家居控制系统设计. 中文核心期刊，,23（22）：23-317 俞芬 .智能照明控制技术及其在图书馆应用 J .智能建筑 ，(9) :56-588 黄思起 ,王长香 .当代照明控制系统新发展 J .建筑电气 ，(1) :38-419 戴天 ,丁月华 ,文贵华 .计算机智能照明系统设计J 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