教室LED照明節(jié)能智能控制系統(tǒng)的研究與應用__開題報告_劉陽

1、基于ZIGBEE技術的無線定位系統(tǒng)研究（開題報告） 13基于ZIGBEE技術的無線定位系統(tǒng)研究電信120 （25120200）周志遠摘要：本次選擇AT89C51單片機的主控芯片作為教室LED照明智能控制器，通過熱釋電紅外傳感器感應從而能判斷出教室內(nèi)有人無人，通過光敏電阻感應教室內(nèi)的光線強度，實現(xiàn)對教室內(nèi)燈光的智能控制，避免了教室用電的大量浪費。本文詳細闡述了系統(tǒng)的軟件設計過程，采用模塊化的編程思想，使用C51語言編寫源程序，實現(xiàn)教室的節(jié)能照明功能。該系統(tǒng)具有體積小，控制方便，可靠性高，專用性強，性價比合理等優(yōu)點，可以滿足各類大、中專院校教室燈光控制的要求，很大程度的達到節(jié)能目的。關鍵詞:教室智

2、能照明；軟件設計；熱釋電紅外傳感器；智能控制1 研究背景1.1研究的主要目的和意義中國經(jīng)濟在持續(xù)多年高速發(fā)展后的今天，能源問題日益突出。雖然我國能源總儲量占據(jù)之首，但由于我國人口眾多，所以人均儲量少，單位產(chǎn)值的能耗 是發(fā)達國家的3-10倍。能源問題已成為制約我國國民經(jīng)濟發(fā)展的關鍵問題。從環(huán)境和自然資源角度出發(fā)，能源問題也是我國長期可持續(xù)發(fā)展 戰(zhàn)略中一個重要關鍵因素。此外，能源問題不僅關系經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境生態(tài)，在特定情況下還會對社會穩(wěn)定有很大影響。隨著社會經(jīng)濟和科學技術的快速發(fā)展，人們的生活水平也在不斷提高，導致用電負荷的加劇，又由于世界性的能源危機，能源缺乏以成為世界所面臨的

3、嚴峻問題。中國城市每年用于公共照明的能源支出高達280多億，節(jié)能空間巨大。其中路燈照明能耗占30%以上。發(fā)展城市道路照明的同時，路燈以供街道照明以外，還大力興建了很多的景觀照明亮化工程，美化城市的夜景，但同時也帶來了能耗的極大浪費。據(jù)統(tǒng)計2010年，我國全社會的總用電量將超過5000 億kWh，新增照明用電2000 億kWh。對高等院校，據(jù)測算，其照明耗電占本單位所有耗電的40% 左右，可見在對教室燈光進行自動控制，其節(jié)能效益和經(jīng)濟效益都是相當可觀的。由于大學是開放型的管理模式，加上全員節(jié)能意識淡薄，教室無人時照明燈一直長明，造成電能的巨大浪費，由此提高教室用電效率實現(xiàn)智能控制就成為首要考慮的

4、問題。目前對燈光的智能控制，尤其是我國教室燈光的智能控制尤為缺乏和不完善，依然是傳統(tǒng)式的人工管理。（如華東理工大學梅隴校區(qū)教室在白天無人時日光燈依舊開啟）各類大、中中專院校不斷擴招，教室不斷擴建，教室用電負荷不斷增加，教室用電管理不善，造成學校電能浪費，經(jīng)濟損失，這種浪費與當今的節(jié)能理念相違背。再者，現(xiàn)代自動化程度不斷提高，計算機技術的普及，燈光的管理也朝著自動化、智能化方向發(fā)展。于是，開發(fā)簡便、實用的教室燈光自動化控制系統(tǒng)便具有重要的現(xiàn)實意義。1.2 研究的現(xiàn)狀目前，國內(nèi)照明大力采用高效照明產(chǎn)品代替?zhèn)鹘y(tǒng)低效率照明產(chǎn)品實現(xiàn)節(jié)能，大力推行綠色照明工程，大量運用節(jié)能技術，不斷推出綠色光源和節(jié)能電器

5、，采用大量的節(jié)能燈具，裝備新技術，尤其以LED綠色照明改造為國家大力推行?，F(xiàn)階段，世界各國都在采取不同的方式來節(jié)約能源，節(jié)約電能。LUMA公司推出的LEP等離子體燈替換傳統(tǒng)照明，節(jié)能效果能達到50%，飛利浦照明公司和OSRAM公司也都在大力研究LED照明，芯片光效由以前的100lm/W提升到150lm/W,丹麥的房屋建設就對節(jié)能有很多的要求，并且居民入住有節(jié)能裝置放置時，要支付的費用比沒有節(jié)能方案房屋高出8%。單純的光源節(jié)能加上有效智能照明控制會讓節(jié)能的空間大力提升，研究智能照明控制系統(tǒng)是是現(xiàn)在的發(fā)展趨勢，綜合了照明、自動化控制、計算機技術、電力電子技術和互聯(lián)網(wǎng)+的的結合，通過充分利用自然環(huán)光

6、來減少人工照明帶來的能源消耗，真正實現(xiàn)情景化、自動化、人性化的智能照明技術。常見的照明控制系統(tǒng)有飛利浦公司下屬的邦奇Dynalite智能照明控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由調光模塊、開關模塊、控制面板、液晶顯示觸摸屏、智能傳感器、編程插口、時鐘管理器、手持式編程器和PC監(jiān)控機等部件組成。采用DyNet網(wǎng)絡連接，DyNet是一個分布式智能化網(wǎng)絡，使用RS-485通訊協(xié)議。以施耐德公司為主的使用的C-Bus智能照明控制系統(tǒng)，C-Bus系統(tǒng)是一個二線制的總線型式的智能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)所有的單元器件（除電源外）均內(nèi)置微處理器和存儲單元，由一對信號線（雙絞線）連接成網(wǎng)絡。每個單元均設置唯一的單元地址并用軟件設定其功

7、能，通過輸出單元格控制各回路負載。輸入單元通過群組地址和輸出組建立對應連接。當有輸入時，輸入單元格將其轉變?yōu)镃-Bus信號在C-Bus系統(tǒng)總線上廣播。所有輸出單元接收并做出判斷，控制相應回路輸出?？焖悸敒橹鞯氖茿BB i-Bus EIB智能安裝系統(tǒng)，EIB智能系統(tǒng)由總線、總線電源、智能傳感器（光線傳感器、模糊開關、時間控制器、移動傳感器）、智能開關驅動器和其他智能元件（邏輯模塊總線耦合器）構成。每個元件就是節(jié)點，這些節(jié)點連接在一根2芯雙絞線介質的總線上，不分主從隸屬關系實現(xiàn)相互之間的通訊從而實現(xiàn)控制和被控制。2文獻綜述2.1 系統(tǒng)設計要點照明作為教室智能控制的子系統(tǒng)之一，它對教室智能控制的舒適

8、性、經(jīng)濟性、方便性具有重要的意義。利用人體的存在信號和環(huán)境光信號的識別和智能判斷，可以有效的對教室照明進行智能控制，避免了教學大樓照明用電的大量浪費。本設計以AT89C51單片機作為控制裝置的智能部件，采用熱釋紅外人體傳感器檢測人體的存在（沒人時教室里燈全關，有人則進行環(huán)境燈光自動感應進行下步行動），采用光敏三極管構成的電路檢測環(huán)境光的強度（照度達到時燈全關，照度不夠時燈打開補足光照度）；在特殊環(huán)境及要求下（如多媒體教學和電影文學欣賞）可以通過手動來控制燈的開關。一號按鈕控制手動與自動，二號按鈕控制燈的開關盞數(shù)（按0次沒燈開，按1次開2盞燈，按2次開4盞燈，按3次開8盞燈，按4次后返回到0）。

9、在本次系統(tǒng)設計中，設計方法的選用是系統(tǒng)設計能否成功的關鍵所在。硬件電路是采用結構化系統(tǒng)設計方法，該方法保證設計電路的標準化、模塊化。硬件電路的設計最重要的選擇用于控制的單片機，并確定與之配套的外圍芯片，使所設計的系統(tǒng)既經(jīng)濟又高性能。硬件電路設計還包括輸入輸出接口設計，畫出詳細電路圖，標出芯片的型號、器件參數(shù)值，根據(jù)電路圖在仿真機上進行調試，發(fā)現(xiàn)設計不當及時修改，達到最終的設計目的。軟件設計的方法與開發(fā)環(huán)境的選取有著直接的關系，本系統(tǒng)由于是采用51系列單片機，因此使用匯編語言進行開發(fā)。2.2系統(tǒng)性能指標及技術要求首先單片機通過按鈕1判定是自動還是手動，若是自動則人體存在信號采集電路和光敏三極管采

10、光電路先后工作判定室內(nèi)是否有人，和室內(nèi)關照度，單片機再決定是否開燈，開幾盞燈。最后通過LCD顯示開了幾盞燈和關閉了幾盞燈。 手動/自動（1）自動A 全關B 開4盞燈C 開8盞燈（2）手動A 全關B 開2盞燈C 開4盞燈D 開8盞燈2.3本課題的主要內(nèi)容燈光總體控制方案的研究；燈光控制檢測方案的研究；熱釋電紅外傳感器的信息處理；人體與自然光照強度信號采集與處理；開發(fā)單片機系統(tǒng)；實驗測試與數(shù)據(jù)分析。2.4擬采用的研究方法或措施本次課題主要研制的控制器以自然光強度和人體存在作為控制器的主要輸入?yún)?shù)?？梢哉嬲膶崿F(xiàn)自動與手動控制相互兼容。在自然光照度達標時，無論教室是否有人存在，都不開燈;在教室自然光

11、照度達不到要求時候，有人存在時燈光會自動打開而且達到均衡的照度，有人存在時控制器自動打開電燈，直到人離開后再延時120S后關燈。同時，還要改用機械開關來手動控制，以解決因特殊情況下，自動控制器的不人性化運行。本次課題所研究的教室燈光控制器主要是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分是前提，是整個系統(tǒng)執(zhí)行的基礎，它主要為軟件提供程序運行的平臺。而軟件部分，是對硬件端口所體現(xiàn)的信號，加以采集、分析、處理，最終實現(xiàn)控制器所要實現(xiàn)的各項功能，達到控制器自動與手動相結合的教室照明智能控制。系統(tǒng)設計主要包括硬件和軟件兩大部分，依據(jù)控制系統(tǒng)的工作原理和技術性能，將硬件和軟件分開設計。硬件設計部分包括電路原理圖、

12、合理選擇元器件、繪制線路圖，然后對硬件進行調試、測試，以達到設計要求。硬件電路是采用結構化系統(tǒng)設計方法，該方法保證設計電路的標準化、模塊化。硬件電路的設計最重要的選擇用于控制的單片機，并確定與之配套的外圍芯片，使本次設計的系統(tǒng)既經(jīng)濟又高性能。硬件電路設計還包括輸入輸出接口設計，畫出詳細電路圖，標出芯片的型號、器件參數(shù)值，根據(jù)電路圖在仿真機上進行調試，發(fā)現(xiàn)設計不當能及時修改，達到最終的設計目的。軟件設計部分，首先在總體設計中完成系統(tǒng)總框圖和各模塊的功能設計，擬定詳細的工作計劃；然后進行具體設計，包括各模塊的流程圖，選擇合適的編程語言和工具，進行代碼設計等；最后是對軟件進行調試、測試，達到所需功能

13、要求。軟件設計的方法與開發(fā)環(huán)境的選取有著直接的關系，本系統(tǒng)由于是采用51系列單片機。本系統(tǒng)軟件設計采用模塊化系統(tǒng)設計方法，先編寫各個功能模塊子程序，然后進行組合與調整，經(jīng)過調試后，達到最終的設計功能要求。2.5 系統(tǒng)硬件總述為了使該模塊化LED顯示屏控制照明系統(tǒng)更加方便且靈活性高，我對本次系統(tǒng)的硬件做了精心設計。硬件電路包括LED燈電路、顯示電路、開關控制電路等三大模塊。整個照明系統(tǒng)有人為控制部分和自動控制部分，人為控制是靠一個開關來實現(xiàn)操作的，通過重復按壓可以點亮更多的LED燈，而自動控制是靠單片機控制的，我們把程序寫入單片機后，單片機的系統(tǒng)時間通過顯示器顯示出來，并且利用時間來控制燈的亮與

14、滅，用單片機的P0口做燈光輸出，P1口做顯示輸出，P2口做開關輸入，即可完成硬件部分。在含有控制器的電路系統(tǒng)中，都必須要有相應的復位電路，這樣能夠使系統(tǒng)在上電后，很好地復位系統(tǒng)并使系統(tǒng)處于穩(wěn)定的運行狀態(tài)。一般簡單的復位電路可以采用RC復位，這種電路的穩(wěn)定性一般、可靠性較高。2.6單片機的應用技術電子技術和微型計算機的迅速發(fā)展，促進微型計算機測量和控制技術的迅速發(fā)展和廣泛應用，單片機（單片微型計算機）的應用已經(jīng)滲透到國民經(jīng)濟的各個部門和領域，它起到了越來越重要的作用。單片微型計算機就是將中央處理單元、存儲器、定時/計數(shù)器和多種接口都集成到一塊集成電路芯片上的微型計算機。因此一塊芯片就構成了一臺計

15、算機。它已成為工業(yè)控制領域、智能儀器儀表、尖端武器、日常生活中最廣泛使用的計算機。單片機由硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)是指構成微機系統(tǒng)的實體與裝置，通常由運算器、控制器、存儲器、輸入接口電路和輸入設備、輸出接口電路和輸出設備等組成。其中運算器和控制器一般做在一個集成芯片上，統(tǒng)稱中央處理單元（Central Processing Unit），簡稱CPU，是微機的核心部件。CPU配上存放程序和數(shù)據(jù)的存儲器2、輸入/輸出（Input/Output，簡稱I/O）接口電路以及外部設備即構成單片機的硬件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)是微機系統(tǒng)所使用的各種程序的總稱，人們通過它對微機進行控制并與微機系統(tǒng)進行信息交換，使

16、微機按照人的意圖完成預定的任務。軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)共同構成完整的單片微型計算機系統(tǒng)，兩者相輔相成，缺一不可。2.7 CPU性能介紹本系統(tǒng)采用了ATMEL公司MCS-51系列單片機中的AT89C51芯片，它是低壓高性能CMOS 8位微處理器，帶有4k字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，15個IO口線，兩個16位定時計數(shù)器，個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口。2.8 LED數(shù)碼顯示的設計數(shù)碼顯示與驅動電路由74LS138譯碼器、7447 TTL BCD-7段高有效譯碼器/驅動器、4個數(shù)碼管以及5個A1015三極管組成。由單片機的P0.0P0.3口輸出的四位BCD碼，經(jīng)7447芯

17、片后，翻譯成7段數(shù)碼管a、b、c、d、e、f、g相應的段，并輸出點亮數(shù)碼管相應的段。單片機的P0.4、P0.5口輸出的信號經(jīng)74LS138譯碼器后產(chǎn)生的高電平信號加在A1015三極管的基極，控制三極管的導通，從而起到對相應數(shù)碼管的選通作用。4個7段數(shù)碼管都被接成共陽極方式。3技術路線3.1控制系統(tǒng)實現(xiàn)中主要的問題在公司的研發(fā)室設計的控制系統(tǒng)，在安裝、調試后完全符合設計要求，但真正把系統(tǒng)置入現(xiàn)場后，系統(tǒng)往往有可能不能正常穩(wěn)定地工作?；诋a(chǎn)生這種情況的主要原因是現(xiàn)場環(huán)境復雜和各種各樣的電磁干擾，因此單片機應用系統(tǒng)的可靠性設計、抗干擾技術變得越來越重要了。在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中干擾是以脈沖產(chǎn)的形式進人單片

18、機系統(tǒng)的，其主要的渠道有3條，.即空干擾多發(fā)生在高電壓、大電流、高頻電磁場附近，并通過靜電感應，電磁感應等方式侵入系統(tǒng)內(nèi)部；.供電系統(tǒng)干擾是由電源的噪聲干擾引起的；.過程通道干擾是干擾通過前向通道和后向通道進入系統(tǒng)的。干擾一般沿各種線路侵入系統(tǒng)。系統(tǒng)接地裝置不可靠，也是產(chǎn)生干擾的重要原因；各類傳感器，輸人/輸出線路的絕緣損壞均有可能引入干撫。3.1控制系統(tǒng)實的主要組成部分及功能教室燈光智能控制器系統(tǒng)由以下幾個部分組成：主控芯片、電源模塊、熱釋電紅外傳感器模塊、燈光驅動模塊、數(shù)碼管顯示模塊、光敏電阻模塊，手動控制模塊、系統(tǒng)組成框圖如下：電源模塊燈光驅動模塊數(shù)碼管顯示模塊手動控制模塊熱釋電紅外傳感

19、器模塊光敏電阻模塊單片機圖3-1 系統(tǒng)結構圖各模塊的作用分別如下：3.1.1電源模塊該模塊將220v交流電經(jīng)過變壓器、全橋整流、穩(wěn)壓、 7805穩(wěn)壓之后、輸出5v直流電、以達到給本設計所用的單片機、傳感器以及其他元器件供電的目的13。3.1.2熱釋電紅外傳感器模塊對教室燈光進行手動控制，可直接控制燈光一直開啟或一直關閉，以此為特殊情況下的用電要求而設計。3.1.3燈光驅動模塊由傳感器來感應教室內(nèi)是否有人，然后將結果傳送給主控單片機，按有人和無人兩種情況來選擇不同的燈光控制程序。從而做到針對有人和無人兩種情況分別進行不同的燈光控制。3.1.4數(shù)碼管顯示模塊該模塊的主要部分是光電耦合器，通過進行“

20、電光電”的轉換，達到對燈光的安全控制。3.1.5光敏電阻模塊顯示教室內(nèi)的實時光線強度，和判斷無人時的60倒計時。3.1.6手動控制模塊光傳感器連接主控單片機，對教室內(nèi)的光線強度進行監(jiān)控，從而做到隨時針對光線強度進行燈光控制，做到合理地管理照明。3.2軟件編程（程序）如圖3-2為整個程序流程圖，由按鍵1被按次數(shù)R1判斷是自動還是手動（按鍵按一次R11時程序進入手動狀態(tài)，按鍵按零次R10時程序則進入自動狀態(tài)，若按兩次就會返還到R10的狀態(tài)）。系統(tǒng)為自動時單片極會由人體存在信號采集電路和光敏三極管采光電路的信號決定是否開燈，開幾盞燈。手動時單片機會由按鍵2所按的次數(shù)R0決定開燈的盞數(shù)（按0次全關，案

21、1次開一盞，按2次開兩盞，按3次全開，按4次則返還到按0次的狀態(tài)）。最終通過LCD液晶顯示開燈的盞數(shù)和關燈的盞數(shù)。P2.0引腳接1號燈（教室里最前面的2盞燈），P2.1引腳接2號燈（教室里中間的4盞燈），P2.2引腳接3號燈（教室里最后2盞燈）。全開時P2=00000111B,開4盞燈時教室前后兩盞P2=00000101B,開2盞燈教室中間的2盞P2=00000010B,全關時P2=00000000B。圖3-2 程序流程3.2.1 手動控制由P1.6引腳處的按鈕被按次決定手動和自動，R1=0時自動，R1=1手動控制，R1=2后返回到P1.6=0的情況。R1=1手動時按鈕2被按的次數(shù)R0決定開燈

22、的盞數(shù)（R0=0全關，R0=1開2盞燈，R0=2開4盞燈，R0=3全開，RO=4后返回到R00的情況）。單片機收到信號后將一些情況處理，再給P2賦值。3.2.2 自動控制P1.0接人體存在信號采集電路（有人時P1.0=1；沒人時P1.0=0）；P1.1，P1.2接光敏三極管信號采集電路，P1.1接信號的高值；P1.2接信號低值。P1.0=0時程序直接跳到延遲60S程序后把燈全關了。P1.0=1時程序開始根據(jù)P1.1,P1.2的情況給P2口附值。（P1.1,P1.2）為（0，0）表示教室里光線很暗要把燈全打開則給P2口附00000111B的值；（P1.1,P1.2）為（0，1）中等強度的光開4盞

23、燈給P2口附00000101B的值；（P1.1,P1.2）為（1，1）關線強則把所有的燈關了給P2口附00000000B的值。3.2.3 顯示程序采用LCD液晶顯示，程序每次執(zhí)行給P2口附值后就給R3附值（所要開的燈盞數(shù)）。執(zhí)行完開關燈程序后調用顯示程序。顯示兩行，第一行顯示“OPEN:#R3”,第二行顯示“CLOSE:#R4”（R4關閉燈的盞數(shù)）。4 進度安排整個設計過程的日程安排如下表所示：表4.1畢業(yè)設計進度安排表階段日期內(nèi)容第一階段2015. 72015. 8熟悉課題內(nèi)容，搜索相關資料，復習單片機、C語言，電路等相關知識。第二階段2015. 82015. 10撰寫開題報告及文獻翻譯，進

24、行電路設計。第三階段2015. 102015. 11程序編寫與調試；撰寫畢業(yè)論文第四階段2015. 112015.12總結及答辯說明：以上是大致時間安排，具體進度可能按實際情況進行調整。5 參考文獻1胡興軍 .發(fā)展中的智能照明系統(tǒng) J .光源與照明 , 2004 , (3) :44-462 張開羽,劉驪,呂楊.基于DALI協(xié)議的智能照系統(tǒng)設計J .電子工程師，2004,30（9）:76-803蔣仙華 ,吳明光 ,陳引.基于 HBS的家庭智能照明系統(tǒng)的研制與開發(fā) J .中國照明電器 ,2003 , (3) : 12-14 4 奇勝電器 (惠州 )工業(yè)有限公司 .C2BU STM智能化照明管理系統(tǒng)

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