高校教室燈光節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計方案

1、個人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用高校教室燈光節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計來源： 大比特商務(wù)網(wǎng)摘要： 在尋找替代品、提高能源利用率和節(jié)約能源等幾種緩解能源危機的途徑中，節(jié)能無疑是符合可持續(xù)發(fā)展要求且“可以從身邊做起”的選擇。關(guān)鍵字：穩(wěn)壓器 , 芯片 , 能源 , 探測器1引言隨著社會經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類社會的進步越來越依賴于資源的開發(fā)與利用，然而與日俱增的能源需求和有限的資源數(shù)量形成了巨大的矛盾。在尋找替代品、提高能源利用率和節(jié)約能源等幾種緩解能源危機的途徑中，節(jié)能無疑是符合可持續(xù)發(fā)展要求且“可以從身邊做起”的選擇。據(jù)統(tǒng)計2005 年，我國全社會的總用電量約為24000 億kW·h，照明用電量約為

2、3000 億kW·h ，且 每年以 13% 14% 的速度 遞增 ，預(yù)計 到 2018 年， 照明用 電量 將超過5000 億 kW·h，新增照明用電2000 億 kW·h。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，可見在保證照明質(zhì)量的前提下，對教室燈進行自動控制，其節(jié)能效益和經(jīng)濟效益都是相當可觀的?；谝陨锨闆r，本設(shè)計根據(jù)時間、照度、人員分布情況等對教室燈具進行自動控制，采用集成光頻轉(zhuǎn)換器TSL230 對照度進行較為準確檢測。在人數(shù)探光測上引入模糊人數(shù)和人數(shù)閾值，不再單一的依靠人體存在信號進行開關(guān)燈控制，增強了節(jié)能效果，進一步完善控制方法，使設(shè)

3、備的性能更加穩(wěn)定可靠。多模式控制且各模式之間自動切換，使系統(tǒng)使用更加靈活，便捷。2系統(tǒng)設(shè)計該系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)，由上位機和下位機兩個部分組成。2.1 上位機上位機主要實現(xiàn)以下功能:(1> 通過鍵盤完成設(shè)定密碼、初始化時間、設(shè)置照度人數(shù)閾值和設(shè)置工作時間等任務(wù)。(2> 通過信號探測器判斷控制模式。(3> 根據(jù)接收到的下位機數(shù)據(jù)，及內(nèi)部存儲的照度閾值和人數(shù)閾值計算控制個人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用燈組，并向相應(yīng)下位機發(fā)出開關(guān)燈指令。(4> 通過 LCD 顯示當前工作狀態(tài)和工作模式。上位機由 5V 穩(wěn)壓電源模塊、微控制器塊、數(shù)據(jù)儲存模塊、 485 通訊模塊、自動 ( 其中包括確認鍵，

4、增減鍵和移動光標鍵STC89C54 、時鐘模塊、液晶顯示模/ 強制開關(guān)以及由中斷擴展的按鍵模塊>組成 ( 如圖 1>。圖 1上位機硬件圖2.2 下位機下位機的主要功能如下:(1> 通過紅外熱釋電傳感器和光頻轉(zhuǎn)換器實時采集人體存在信號、模糊人數(shù)和照度信號，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給主機。(2> 依據(jù)主機發(fā)回的命令對燈組進行開關(guān)控制。下位機主要包括: 中心處理芯片AT89C2051、 5V穩(wěn)壓器、光頻轉(zhuǎn)換模塊、紅外熱釋電模塊、地址選擇器、看門狗電路、485 通訊模塊以及固態(tài)繼電器組成的功率器件等( 如圖2> 。個人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用圖 2下位機硬件圖3硬件部分3.1 主從

5、機中心處理芯片選用STC89C54 、 AT89C2051 單片機，其價位低，可多次擦寫，應(yīng)用范圍廣泛。單片機在系統(tǒng)中與其他電路模塊配合完成如上所述的上、下位機功能。3.2 顯示模塊和按鍵模塊為了便于對系統(tǒng)進行初始化、參數(shù)設(shè)置和模式選擇，主機配置了LCD 顯示屏和由四個按鍵組成的按鍵模塊。顯示部分選用帶中文字庫的液晶顯示模塊 LM3033 。四個按鍵由一個外部中斷擴展而成。由于液晶顯示字數(shù)和版面的限制，系統(tǒng)采用分屏顯示，需要用按鍵控制光標移動進行選屏。并在參數(shù)設(shè)置時，使用按鍵對數(shù)值進行增減控制。通過可視化界面對系統(tǒng)的照度閾值，人員閾值和工作時間進行設(shè)置，使用戶可以根據(jù)實際情況和需要靈活的設(shè)置參

6、數(shù)，在增強系統(tǒng)可用性的同時，擴大了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。加入密碼控制界面，增強系統(tǒng)運行的安全性，明確了用戶的設(shè)置權(quán)限。3.3 光頻轉(zhuǎn)換模塊系統(tǒng)選用 可編程光頻轉(zhuǎn)換 器 TSL230 作為光頻轉(zhuǎn)換模 塊的主芯片。 TSL230 是新 一代集成 化的智能傳 感器，它 將可配置的 光電二極 管陣列和電 流 / 頻率轉(zhuǎn)換器 等集成在 單片集成電 路中，無 需外接元件 即可完成 高分辨率的 光照度 / 頻率轉(zhuǎn)換，輸出較高精度的數(shù)字信號，是一種高性能、低價位的智能傳感器。其個人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用輸出為占空比50%的方波，且輸出頻率與照度成線性關(guān)系，靈敏度可調(diào)。3.4 紅外熱釋電人體探測模塊紅外熱釋電模塊由紅外

7、探頭和信號處理芯片LP0001 組成。LP0001是一 款高性能的傳感信號處理集成電路，具有獨立的高輸入阻抗運算放大器，內(nèi)部的雙向鑒幅器可有效抑制干擾，內(nèi)設(shè)延遲時間定時器和封鎖時間定時器。該芯片可以對信號進行放大，鑒相，整形及展寬，其靜態(tài)電流極小，配以熱釋電紅外傳感器和少量外圍元器件即可構(gòu)成被動式的熱釋電紅外傳感器。另外，系統(tǒng)選用 MAX485 芯片實現(xiàn)主機與多個從機之間的數(shù)據(jù)傳輸與命令控制。選用 MAX813 芯片對下位機進行監(jiān)控，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時對下位機進行復(fù)位。用撥碼開關(guān)對多個從機進行地址設(shè)置，方便設(shè)備的安裝和使用。4軟件部分4.1 設(shè)計總體思想時間、光照度和人員分布構(gòu)成了系統(tǒng)控制依據(jù)的

8、三大要素。將時間作為控制依據(jù)之一是為了進一步加強對節(jié)能的監(jiān)管，使工作時間與非工作時間的界限具體化。根據(jù)教室光照明暗分布和紅外熱釋電模塊的探測范圍，將教室劃分成方形區(qū)域( 如圖 3> 進行控制。分別將包含光頻傳感器和紅外傳感器的下位機板塊安 裝在各區(qū)域天 * 板上， 通過下位機對室內(nèi)光照強度及人員流動情況進行 監(jiān)控，并將采集到的數(shù)據(jù)送給上位機。上位機將各下位機發(fā)來的數(shù)據(jù)統(tǒng)籌比較，根據(jù)設(shè)定的人數(shù)閾值與照度閾值綜合考慮開關(guān)燈決策。這樣設(shè)計不僅考慮到了局部，而且能從整體上把握提出開關(guān)燈方案，進一步增強了節(jié)能效果。個人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用圖 3教室區(qū)域劃分系統(tǒng)在處理由紅外熱釋電傳感器采集到的人體信

9、號時，采用模糊控制理論對各區(qū)域人數(shù)進行模糊統(tǒng)計，解決了無法對人數(shù)進行準確計數(shù)帶來的問題，并為人數(shù)閾值的判斷打下基礎(chǔ)。加入模糊人數(shù)判斷標準 ( 區(qū)域人數(shù)大于閾值 Y0才開燈 > ，以解決人數(shù)分布過于分散時打開過多燈的問題，增強節(jié)能效果。在照度控制方面，單獨依靠照度小于300lx就開燈的判斷依據(jù)是行不通的在照度不滿足要求系統(tǒng)開燈后，照度就會大于300lx，這時系統(tǒng)會誤判照度滿足要求，做出關(guān)燈的決定。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，考慮到自然光與燈光發(fā)生的是非相干疊加，可以在控制中加入一個照度上限X0 ，當自然光與燈光疊加照度大于X0則關(guān)燈。于是，開燈的條件就變?yōu)樵跓粑创蜷_時照度小于300lx燈打開后

10、照度小于X0。:和系統(tǒng)采用多種模式控制，以滿足教室多種功用的需求，其模式主要劃分為:強制模式和自動模式。自動模式又細分為:多媒體模式、板書模式和自習(xí)模式。在工作時間內(nèi)，如有模式信號輸入則系統(tǒng)進入相應(yīng)的模式。若無則進入自習(xí)模式。不在工作時間，如有強制手動信號輸入，則根據(jù)手動任務(wù)的設(shè)定運行。若無則關(guān)閉所有的燈。程序主流程圖如圖4。個人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用圖 4程序主流程圖各模式的控制方式和實現(xiàn)強制模式管理員將自動 / 強制開關(guān)置為低電平，使系統(tǒng)進入強制模式。在強制模下，通過按鍵設(shè)置開關(guān)任意區(qū)域的燈，不再受工作時間、照度和人員分布的限制。自動模式管理員將自動/ 強制開關(guān)置于高電平，系統(tǒng)進入自動模式運

11、行。自習(xí)模式當無任何模式信號輸入時，系統(tǒng)進入自習(xí)模式。在該模式運行時，系統(tǒng)先檢測教室內(nèi)是否有區(qū)域亮燈，然后檢測光照度是否達到國家規(guī)定的 300lx 。若是光照度大于此標準，不管區(qū)域有沒有人都不開燈。若是小于則探測區(qū)域是否有人，有人則根據(jù)情況開燈，無人則不開燈。具體開關(guān)燈控制規(guī)則如下:1. 開燈當照度不足時有人進入教室，如果教室內(nèi)沒有區(qū)域亮燈則打開人所在區(qū)域的燈，若是再有人進入，則檢測第一個開燈區(qū)域的人數(shù)是否大于Y0，若不大于個人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用則不再打開其他區(qū)域的燈，若大于則采集各有人區(qū)域內(nèi)的人數(shù)，并將人數(shù)進行比較，打開未亮燈區(qū)域中人數(shù)最多的區(qū)域的燈，依此循環(huán)打開第三區(qū)，第四區(qū) 的燈。如果

12、教室里有已亮燈區(qū)域，則分別記錄這些區(qū)域的人數(shù)，如果有區(qū)域的人數(shù)少于標準值 Y0，不再打開其他區(qū)域的燈。如果都大于該值，則打開未亮燈區(qū)域中人數(shù)最多的區(qū)域的燈。2. 關(guān)燈開燈后，在自然光照不足( 照度小于X0> 的情況下，教室中只允許有一個亮燈區(qū)域的人數(shù)小于Y0，如有多個區(qū)域人數(shù)小于Y0 ，則保持這些區(qū)域中人數(shù)最多的區(qū)域的燈打開，關(guān)閉其他。在一個區(qū)域內(nèi)連續(xù)檢測不到人體存在信號則關(guān)閉該區(qū)域的燈，當教室無人則關(guān)閉所有的燈。若自然光照充足，則關(guān)閉該區(qū)域的燈。程序流程如圖 5 。圖 5自習(xí)模式流程圖板書模式板書模式和自習(xí)模式的不同在于講臺上是否亮燈。要板書講課，老師必然個人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用出現(xiàn)在

13、講臺上，所以，板書模式的輸入信號就轉(zhuǎn)換成了通過安裝在講臺上方的從機板探測人體存在信號。當講臺上t時間內(nèi)一直有人才認為講臺有人。當講臺上有人且無投影信號輸入則進入此模式。該模式下對座位區(qū)依然采用自習(xí)模式的控制規(guī)則。特別說明，講臺區(qū)域與別的區(qū)域是相互獨立的，即不受別的區(qū)域內(nèi)人數(shù)多少與燈亮與否的影響，又影響不到別的區(qū)域，開關(guān)該區(qū)域的燈還加入了照度的判斷。多媒體模式多媒體模式則是通過安裝在投影機電源導(dǎo)線上的光電耦合器來判斷導(dǎo)線中是否有電流通過，若有則認為投影機在工作狀態(tài)，則自動切換到投影模式。進入該模式則關(guān)閉前面區(qū)域的燈具，對教室后面區(qū)域依然采用自習(xí)模式的控制規(guī)則。4.2 液晶顯示界面液晶顯示界面流程如圖 6 。該流程的實現(xiàn)由可視界面和按鍵共同完成。系統(tǒng)在初始化之后，可通過由一個外部中斷擴展的四個按鍵進行界面轉(zhuǎn)換和參數(shù)設(shè)置。在不同界面，按鍵的作用不同，用戶可根據(jù)界面提示輕松完成一系列設(shè)置。圖 6液晶顯示界面4.3 通信子程序為了避免發(fā)生多從機同時占用數(shù)據(jù)線的情況，機 * 的模式 。當主機發(fā)送地址幀時，只有與呼叫RS485 通信采用主機廣播，從地址相符的從機做出回應(yīng)， 其個人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用他從 機仍保持* 狀態(tài)。地址相符的從機隨后