校园电力节电系统.doc

校园电力节电系统

前言
现如今，随着社会的发展，教育的普及，学校越来越多，规模越来越大，尤其是高等院校。校园供电系统复杂，要实现节电的同时又不影响正常工作、学习和生活对电力的需要，就必须有一套合理的校园电力节电系统．为解决学校及类似公共场所的照明控制问题，避免用电浪费现象，我们结合校园实际设计了校园电力节电系统。
现有的普通开关一旦接通后，如果不去拉动或按动开关，那么电路就无法自动断开，电器即使在不需要时也一直工作，如无人在教室，或在教室的人很少而灯却是开了很多盏。对于像照明这样的用电对象显然会造成极大的浪费．在很多公共场所我们经常看到彻夜长明灯和白天光线很充足的情况下灯仍旧长亮的现象，针对这样的现状是否就可以用停电的办法来简单处理呢?对于照明要求不一的公共场所或自然光线不均的复杂建筑物，这种简单的处理方法显然不允许．
这里我们主要针对学校教室无人在灯亮着和人很少却亮很多灯的现象进行研究。
系统功能
系统具备的功能应该是当检测到教室里无人时能自动将灯熄灭，当人很少时，可以根据人的数量开相应数量的灯，当在一定的时间段，可以根据外界条件以及建筑物的光线来控制灯的开关。同时也具有提醒浪费的功能。
系统组成
该系统由以太网，红外线技术，自动控制技术，各种传感器以及中心处理器。
随着工业化高速发展，能源问题成为人们关注的焦点，因为能源的消耗除了其直接的经济损失外，还会带来碳排放量的增加，恶化环境，所以，节约能源一直是生活、生产中的一个主题提到节能人们往往忽视了照明用电，因为它单体容量较小，安装比较分散，所以，看起来无关紧要，其实照明用具数量最多，分布最广，随着城市的扩张和道路的延伸，无论是单体容量还是总容量都在大幅增加，而学校的耗电量也是不可忽视的一个大问题，为了对教室内灯的数量的控制，我们用到了光线传感器。
光线感应器也叫做亮度感应器，英文名称为Light-Sensor，很多平板电脑和手机都配备了该感应器。一般位于设备屏幕上方，它能根据设备目前所处的光线亮度，自动调节设备屏幕亮度，来给使用者带来最佳的视觉效果。它的功能是用来感应光线强弱的，然后反馈到设备自动调节屏幕亮度，从而达到省电的目的。比如可以在教室里安装光线感应器，随时根据室内光线亮度调整教室内的灯光亮度和计算机屏幕的亮度。光电感应器是由两个组件即投光器及受光器所组成，利用投光器将光线由透镜将之聚焦，经传输而至受光器之透镜，再至接收感应器，感应器将收到之光线讯号转变成电器信号，此电信讯号更可进一步作各种不同的开关及控制动作，其基本原理即对投光器受光器间之光线做遮蔽之动作所获得的信号加以运用以完成各种自动化控制。
有了感应器之后变产生了光线传感器，它是一种将光信号转换成电信号的设备，属传感器的一种。最常用的光线传感器就应是光控开关了，其核心元件是光敏电阻，因光强弱的变化而引起电阻阻值的变化，进而引起电流的变化，这样光信号就转换成了电信号。它的好处就是可以根据教室所处环境的光线来调节室内的亮度。比如在光线充足的时候，室内很亮，灯就会关闭；相反，光线不足的时候，灯就会亮，再结合照明无线监控系统，对亮灯的数量给予精确控制，例如在光线不足时，每6~8个人分配一盏灯。 在选择光传感器时，最重要的一点是理解哪项规格参数是最为关键的。一般来说，在选择一个光传感器时，需要着重考虑的因素包括光谱响应/IR抑制、最大勒克斯数、光敏度、集成的信号调节功能、功耗以及封装大小等6个重要规格。

红外线的检测
要实现对灯的控制首先要确定教室内的人数，所以在门上安装一个红外探头，人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。人体发射的10UM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触发开关动作。当有人进入开关感应范围时，专用传感器探测到人体红外光谱的变化，开关自动接通负载，人不离开感应范围，开关将持续接通；人离开后或在感应区域内无动作，开关延时自动关闭负载。
红外感应开关感应角度、距离、延时时间可调。 只要是有温度的物体都会向四周辐射红外线，红外感应器就是靠传感器接收到那些物体发出的红外线，在经过电路放大。如果静止站在红外弹头区域,传感器也能判断，红外线感应与温度有关，与物体是否活动无关。红外感应开关基于红外线技术的自动控制产品，当有人进入开关感应范围时，专用传感器探测到人体红外光谱的变化，开关自动接通负载，人不离开感应范围，开关将持续接通；人离开后，开关延时自动关闭负载。
在选用时可以选择焦电型红外探头，它的优点是本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好，价格低廉。缺点是： 　　1、容易受各种热源、光源干扰。 2、被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收。3、易受射频辐射的干扰。 4环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。

安装要求
红外线热释电人体传感器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系.。正确的安装应满足下列条件： 　　1、红外线热释电传感器应离地面2～2.2米。 2、红外线热释电传感器和被探测的人体之间不得间隔家具、大型盆景、玻璃、窗帘等其他物体。 3、红外线热释电传感器不能直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上，红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方。

自动控制：
一、 思想：
根据教室人数自动控制教室照明初始化灯的开通与关断，达到节约能源的目的。再次系统中利用人体红外监测技术和单片机统计出教室的人数，作为有效数据传递给上位机，上位机程序中可根据实际情况设定开灯和关灯的人数阀值，最后计算出教室是应该开灯还是关灯，发送设定好的控制命令给单片机以控制照明灯的通断。并且此系统加入了检测环境亮度的功能，在白天光线暗的情况下，也开通照明灯，同时保证再有足够光线的情况下不开通照明灯

开始

系统初始化

监测人流量

监测光的明暗
明
人 人少
暗 少
关闭照明灯
打开照明灯
人多

结束

2 控制器构成
　　（ 1） 市电转换。将220 V 交流电通过降压、整流和滤波转换为光感控制电路可以使用的12 V 直流电源。
　　（ 2） 自然光检测组件。使用光敏二极管，将光信号转换为电信号的半导体器件，是控制器中的关键器件。需要注意的是，该组件必须放置于教室内灯光照射范围之外，只用于探测自然光线的强弱； 由于一些专业课程的授课对光线有特殊要求，这就需要该组件可以根据实际需求进行调整其自然光照度的敏感性。
　　（ 3） 抗干扰电路： 控制器的设计还必须考虑到浮云或者外部强光如车灯、雷电等外界因素对自然光检测组件的干扰，需要加入输出延迟电路防止干扰，在收到外界干扰时，保证触发器电路在瞬时干扰的情况下不会翻转。
　　（ 4） 时基电路NE555.NE555 是555 系列计时元件的一种，价格便宜且性能稳定，作为控制元件，光敏二极管由于光照度的变化会产生内阻变化而造成时基电路NE555 触发电压的改变，当降低或升高至一定阈值时，时基电路会输出相应的高、低电平，开启或关闭照明指示灯以及使继电器吸合或释放。
　　（ 5） 继电器组件。因大部分学校教室都是用日光灯灯管照明而非白炽灯，日光灯管开启时的负电感效应会导致过冲电压较高，会烧坏可控硅器件，因此需要使用继电器控制照明电源。

两方面控制
1、光线

工作原理
　　电路如图所示，市电经T降压、IC1整流、C1滤波后，输出12V直流电压，D1为电源指示发光管。电源经D2、R2、R3分压后加给时基电路IC2的2、6脚。当环境光线由强变弱时，D2的内阻由小变大，当IC1的2、6脚电压下降到1／3 VCC时，IC2输出状态反转，3脚输出高电平，V1、V2饱和导通，后级电路得电，D4.发光，指示允许开灯照明；当按下N1的瞬间，电源经R8、N1加给V3基极，V3、V4饱和导通，J得电吸合，其触点接通照明灯电源回路，同时，V4集电极的电压经R10反馈给V3的基极，使V3、V4.维持导通，J得以自保；需要关灯时按下N2，V3基极对地短路的瞬间，V3、V4截止，J释放，切断照明灯电源。
　　当环境光线由弱变强时，D2的内阻由大变小，当IC1的2、6脚电压上升到2／3 Vcc时，3脚输出低电平，V1、V2截止，后级电路失电，J释放，自动关闭教室内的照明灯。图中C2的容量较大，可防止夜间的瞬时强光照射D2时使教室内电灯熄灭，C3可防止外界干扰，提高电路的可靠性；R5、R6的加入可改变照明灯由亮到熄由熄到亮过程中的滞后程度，该阻值越小，滞后程度也就越小。

　　制作与调试
　　将图中元件焊接在一块6×9cm的电路板上，固定在相应的塑料盒内，D1、D4应安装在机壳比较醒目的位置。当教室内光照度不需要开灯照明（光照度200LUX左右）时，自下而上调整R2，使J刚好释放，D4熄灭；当教室内光照度下降到需要开灯照明（150LUX左右）时，自下而上调整R6，使D4发光，调整R6后会影响R2的设定值，需要再次调整，利用照度计调整比较方便。
　　安装与使用
　　将控制器固定在教室内适当位置，D2应处在教室内灯光照不到的窗口朝外方向，以采集自然环境光照度，N1、N2可利用原有的墙壁开关改制，方法是：在墙壁开关的面板上钻孔，装上两个自复位按扭N1、N2。在教室内光线较弱D4发光的前提下，按一下N1，照明灯开启，按一下N2照明灯应熄灭；图中元器件参数的控制功率≤5KVA。
2.红外监测
红外传感器是靠探测人体发射的红外线而工作的。主要原理是：人体发射的10um左右的红外线通过菲涅尔滤光透镜增强后聚集到热释电元件PIR上，当人活动时红外辐射的发射位置就会发生变化，该元件就会失去电荷平衡，发生热释电效应向外释放电荷，红外传感器(PIR)将透过菲涅尔滤光透镜的红外辐射能量的变化转换成电信号，即热电转换。在被动红外探测器的探测区内无人体移动时，红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人探测区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异，信号被采集后与系统中已存在的探测数据进行比较以判断是否真的有人等红外线源进入探测区域。然后根据人数来进行几盏电灯开通的控制。

中心处理器（嵌入式）
嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点：

1.对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。
2.具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。
3.可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。
4.入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW级。

嵌入式微控制器的典型代表是单片机，从70年代末单片机出现到今天，虽然已经经过了20多年的历史，但这种8位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。

遇到的问题
不太了解传感器知识，红外线技术，嵌入设备，如何实现自动控制