教室燈光智能控制系統(tǒng)(共20頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上武 昌 理 工 學(xué) 院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：教室燈光智能控制系統(tǒng)學(xué)院：信息工程學(xué)院專業(yè)：自動化學(xué)號：學(xué)生姓名：馬克勤指導(dǎo)教師：呂曉雁二一四年十月二七日教室燈光智能控制系統(tǒng)馬克勤摘要 隨著社會的快速發(fā)展以及能源的消耗，為了有效利用教室燈光、節(jié)約能源，利用單片機(jī)設(shè)計(jì)作為控制核心的教室燈光智能控制系統(tǒng)，能根據(jù)學(xué)校作息時間、光照情況自動調(diào)節(jié)教室燈光的打開或關(guān)閉。該系統(tǒng)要具有很好的人機(jī)交互界面，能對教室燈光進(jìn)行智能控制。本系統(tǒng)程序部分采用C語言編寫，模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、條理清晰、通用性好，便于改進(jìn)和擴(kuò)充。該系統(tǒng)具有體積小，控制方便，可靠性高，針對性強(qiáng)，性價比高等優(yōu)點(diǎn)能夠滿足各種

2、大、中專院校教室燈光控制的要求，也可以很大程度的達(dá)到節(jié)能目的。關(guān)鍵詞:紅外線；傳感器；單片機(jī) The classroom lighting intelligent control systemMa ke QinAbstract With the rapid development of society and the energy consumption, in order to effectively use the classroom lighting, saving energy, using single-chip microcomputer as a control core of

3、the classroom light intelligent control system, can according to the school calendar, illumination condition automatically adjusts the classroom lights on or off.The system has good man-machine interface, can the classroom light intelligent control. This system is partially written using C language,

4、 modular structure design, clear, good commonality, is advantageous for the improvement and expansion. The system has small volume, convenient control, high reliability, the pertinence, higher cost performance can meet the requirements of classroom lighting control all kinds of large, secondary tech

5、nical schools, can greatly to achieve energy saving.Key Words:infrared ；The sensor ；Single chip microcomputer目錄第1章 緒論.1§1.1研究意義.1§1.2智能控制系統(tǒng)照明的優(yōu)勢.1§1.3研究的現(xiàn)狀和目的.2第2章 智能控制器的簡介和方案分析.4§2.1控制器的簡介.4§2.2控制系統(tǒng)方案的分析.4第3章 智能控制模塊的硬件設(shè)計(jì).6§3.1控制模塊的硬件原理圖.6§3.2控制模塊硬件的各個模塊.6§3.2

6、.1電源模塊.7§3.2.2 LED驅(qū)動模塊.7§3.2.3傳感器檢測模塊.7§3.2.4光檢測模塊.8§3.2.5單片機(jī)模塊.8第4章 智能控制模塊的軟件設(shè)計(jì).9§4.1系統(tǒng)監(jiān)控主程序.9§4.2數(shù)據(jù)采集.9§4.3時鐘模塊.10§4.4系統(tǒng)按鍵功能.10第5章 總結(jié).11致謝.12參考文獻(xiàn).13專心-專注-專業(yè)第1章 緒論§1.1研究意義 隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，導(dǎo)致用電量的急劇增加，又因?yàn)槭澜缧缘哪茉次C(jī)，能源缺乏已成為世界所面臨的嚴(yán)峻問題。這個問題對我國來說尤為嚴(yán)重。隨著許多大

7、、中專院校的擴(kuò)招，教室的擴(kuò)建，教室照明的用電量也就越來越多，對大多高校來說教室照明的管理不到位，往往會造成電量的巨大浪費(fèi)，因此，提高教室用電效率就成為非常重要的問題。 現(xiàn)在對燈光的智能控制，國內(nèi)外己經(jīng)開始采用，但對教室燈光的控制，還沒有普及，由于我國教室燈光的控制不完善，依然是傳統(tǒng)式的人工管理。教室用電管理不善，會造成學(xué)校電量浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失，這樣的浪費(fèi)與當(dāng)今的節(jié)約能源理念相違背。然而，現(xiàn)代自動化程度不斷提高，計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，燈光的管理也在朝著自動化、智能化方向發(fā)展。除了應(yīng)該滿足為人們在工作、學(xué)習(xí)、生活時對視覺環(huán)境的要求以外，還應(yīng)該利用照明設(shè)備的不同類型及光線的變換為人們提供一個舒適的學(xué)習(xí)和生

8、活環(huán)境。所以研究新型智能照明控制系統(tǒng)，對減少這部分能源消耗，同時能更好的滿足人們對照明質(zhì)量的要求，都有極其重要的意義。§1.2智能控制照明系統(tǒng)的優(yōu)勢 傳統(tǒng)的照明控制系統(tǒng)主要是由照明配電箱通過手動開關(guān)控制照明燈具通斷的目的，或者在照明回路中串入接觸器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制。在開關(guān)控制上采用手動開關(guān)，很大程度上要依賴于人的主動性。而智能照明控制系統(tǒng)可以根據(jù)某一區(qū)域的功能、每天不同的時間、室內(nèi)光照強(qiáng)度等來自動控制照明?？偟膩碚f其優(yōu)越性主要表現(xiàn)在以下幾個方面：(1)提高照明控制的智能化程度，可以使整個照明系統(tǒng)可以全自動狀態(tài)，然后根據(jù)不同場合在不同時段的不同需求，預(yù)先設(shè)定合適的照明效果，更加具有智能

9、化和人性化。(2)降低電能消耗，有著良好的節(jié)電效果，可以充分利用自然光作為光源，以人工光為補(bǔ)充，并結(jié)合室內(nèi)的人員情況，只有在必需時開啟照明燈具，節(jié)能效果非常明顯，一般可以達(dá)到30左右。(3)提高教室的照明系統(tǒng)管理水平，將傳統(tǒng)的人為開關(guān)控制轉(zhuǎn)換為智能系統(tǒng)控制的管理，將很大減少學(xué)校的運(yùn)行、維護(hù)和管理的費(fèi)用。§1.3研究的現(xiàn)狀和目的主要研究內(nèi)容：(1)了解教室照明光強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)；(2)研究教室燈光照明開、關(guān)燈與環(huán)境光強(qiáng)弱的關(guān)系；  (3)研究傳感器教室分布、安放問題；(4)研究確定人體傳感器的有關(guān)參數(shù)；(5)研究燈光控制器電源問題；  (6)研究控制器參數(shù)值設(shè)定的

10、要求及方案；(7)研究報警等附加功能問題；研究目標(biāo)：研究教室燈光智能控制系統(tǒng)對現(xiàn)有教室照明系統(tǒng)的改造，實(shí)現(xiàn)對照明系統(tǒng)的人性化智能管理，提高用電效率;以降低成本，實(shí)現(xiàn)自動、手動燈光控制相兼容;通過反復(fù)試驗(yàn)和改進(jìn)，達(dá)到可靠性、實(shí)用性、推廣性較好的目標(biāo)。第2章 智能控制器的簡介和方案分析§2.1控制器的簡介 智能控制器可有效的實(shí)現(xiàn)教室燈光智能控制。其輸入?yún)?shù)主要是人體的存在信號和環(huán)境光信號等外界因素，環(huán)境光照強(qiáng)度達(dá)到上限值時不開燈，環(huán)境光照強(qiáng)度在一定閥值以下且有人存在時開燈，通過傳感器檢測用這種方式來對教室燈進(jìn)行智能控制來實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。 教室智能燈光控制系統(tǒng)能用于現(xiàn)有教室照明的改造，實(shí)現(xiàn)對

11、照明系統(tǒng)的人性化智能管理，教室燈光控制器一般安裝在教室內(nèi)避開電燈直射的位置，且人體傳感器安置時應(yīng)使人體活動方向與人體傳感器中兩個熱釋電元連線方向垂直，這樣可使人體存在信號采集更加靈敏、可靠，同時還要盡可能避免外界風(fēng)直接吹向人體傳感器§2.2控制系統(tǒng)方案的分析 控制器是以自然光照強(qiáng)度和人體存在作為控制器的主要輸入?yún)?shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動與手動控制二者相兼容的系統(tǒng)。首先，系統(tǒng)默認(rèn)為自動控制狀態(tài)，當(dāng)按鍵模塊感應(yīng)到有鍵按下時，系統(tǒng)改為強(qiáng)制控制狀態(tài)。然后，在自動控制模式下：當(dāng)自然光照強(qiáng)度足夠時，無論人是否存在，都會不開燈；在自然光照強(qiáng)度較弱時，有人存在，控制器自動打開電燈，直到人離開后再延時一定時間

12、后關(guān)燈。同時，還可設(shè)置作息時間來控制，如果夜晚超過10點(diǎn)，還有人存在，則關(guān)閉自動控制器的運(yùn)行，改用開關(guān)來手動控制，以解決在特殊情況下，自動控制器的不人性化運(yùn)行。 該教室燈光控制器主要是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分是是整個系統(tǒng)執(zhí)行的基礎(chǔ)，它主要為軟件提供程序運(yùn)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(shí)現(xiàn)控制器所要完成的各項(xiàng)功能，達(dá)到控制器自動與手動相結(jié)合的教室照明智能控制。第3章 智能控制模塊的硬件設(shè)計(jì)§3.1控制模塊的硬件原理圖 本系統(tǒng)主要以單片機(jī)控制位中心，根據(jù)光照強(qiáng)度、人的存在和按鍵功能等結(jié)合合成一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)原理圖如3-1圖所示： 圖3

13、-1 系統(tǒng)原理框圖§3.2控制模塊硬件的各個模塊 系統(tǒng)控制單元是以單片機(jī)主控模塊為核心，其它主要模塊包括：光檢測模塊、電源模塊、人體傳感器模塊、LED驅(qū)動模塊，其結(jié)構(gòu)如3-2圖所示：圖3-2 智能控制各模塊圖§3.2.1電源模塊 電源電路設(shè)計(jì)如3-3所示，包括有整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路，該電路能將220V的交流電轉(zhuǎn)換成12293 V的可調(diào)直流電。圖3-3供電原理圖§3.2.2 LED驅(qū)動模塊 系統(tǒng)采用LED燈為照明光源，用單片機(jī)調(diào)節(jié)PWM占空比的工作方式進(jìn)行調(diào)光，以PT4115芯片作為LED驅(qū)動，PWM調(diào)光是通過改變脈沖寬度進(jìn)行調(diào)光，在單位時間內(nèi)反復(fù)接通和斷開

14、LED電流來調(diào)節(jié)發(fā)光亮度。PT4115芯片驅(qū)動電路如圖2所示，其DIM端可以外接PWM脈或直流電壓進(jìn)行調(diào)光，也可以接熱敏電阻作為輔助溫度控制和自動亮度控制。為了使LED閃爍不易讓人眼察覺到，開關(guān)頻率一般要大于100 Hz。通過PWM調(diào)光，LED的輸出電流可以從0100變化。LED的亮度是由PWM信號的占空比決定的。§3.2.3 傳感器檢測模塊 傳感器模塊工作原理是利用熱釋電元件的熱釋電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)檢測功能。當(dāng)人體體溫為37時，發(fā)出10um波長的紅外線，當(dāng)人體進(jìn)入檢測區(qū)，紅外感應(yīng)源上的溫度發(fā)生變化，會產(chǎn)生電壓信號輸出口。本系統(tǒng)利用人體紅外檢測傳感器產(chǎn)生人存在信號，為單片機(jī)輸入提供一個脈沖

15、中斷信號。有人進(jìn)入教室時，人體紅外檢測傳感器產(chǎn)生一個高電平脈沖，單片機(jī)產(chǎn)生中斷，經(jīng)過軟件設(shè)置標(biāo)志值等處理，可進(jìn)行下一步工作；若沒有人進(jìn)入教室，人體紅外檢測傳感器處于低電平狀態(tài)，單片機(jī)處于等待狀態(tài)。§3.2.4 光檢測模塊 光檢測模塊核心器件是光敏電阻，其工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在具有光電導(dǎo)效應(yīng)的均勻半導(dǎo)體材料兩端加上電極，便構(gòu)成光敏電阻。當(dāng)光敏電阻的兩端加上適當(dāng)?shù)钠秒妷簳r，便有電流流過。改變照射到光敏電阻上的光度量，流過光敏電阻的電流將會發(fā)生變化，說明光敏電阻的阻值隨入射光輻射照度變化而變化。§3.2.5 單片機(jī)模塊 系統(tǒng)硬件控制核心是51單片機(jī)，該芯片功能強(qiáng)大，資源豐

16、富，編寫程序調(diào)試方便。51單片機(jī)中央處理器是單片機(jī)內(nèi)部的核心部件， 它決定了單片機(jī)的主要功能特性 中央處理器主要由運(yùn)算部件和控制部件組成 中央處理器功能模塊 運(yùn)算部件：它包括算術(shù)，邏輯部件ALU,布爾處理器，累加器ACC，寄存器 B，暫存器TMP1 和TMP2，程序狀態(tài)字寄存器PSW以及十進(jìn)制調(diào)整電路等運(yùn)算部件的功能是實(shí)現(xiàn) 數(shù)據(jù)的算術(shù)邏輯運(yùn)算，位變址處理和數(shù)據(jù)傳送操作。第4章 智能控制模塊的軟件設(shè)計(jì)§4.1系統(tǒng)監(jiān)控主程序 監(jiān)控程序按模塊可分為監(jiān)控主程序和命令處理子程序。監(jiān)控主程序的基本任務(wù)是調(diào)用子程序，一個主程序就可以調(diào)用多個子程序，對于5l單片機(jī)，系統(tǒng)資源有限，主程序是一個無限循環(huán)

17、的過程，即是一個反復(fù)調(diào)用子程序的過程。子程序主要分為中斷子程序和功能子程序，它們之間可以互相嵌套和調(diào)用，即中斷子程序可以調(diào)用功能子程序。在應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)中，盡可能各個功能模塊寫成子程序的形式，并通過主程序調(diào)用。而命令處理予程序完成各種命令所規(guī)定的具體操作，它按各種命令再分為不同的子程序模塊，它的編程方法與功能要求及系統(tǒng)應(yīng)用密切相關(guān)。§4.2 數(shù)據(jù)采集 本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集對象為環(huán)境光信號及人體存在信號，在對程序設(shè)計(jì)中這兩個數(shù)據(jù)的采集，需要放置多任務(wù)模塊中去實(shí)施定時采集。 人體傳感器既有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。它的優(yōu)點(diǎn)便是本身不發(fā)任何類型的輻射，器件功耗很小，隱蔽性好，價格低廉。其缺點(diǎn)是容易受各

18、種熱源、光源干擾;由于紅外穿透力差，且人體的紅外輻射也容易被遮擋，不易被探頭接收；易受射頻輻射的干擾;環(huán)境溫度和人體溫度接近時，探測和靈敏度明顯下降，有時還會造成短時失靈。試驗(yàn)檢測也證明了這點(diǎn)，只要人體存在卻有巧秒左右沒有活動，人體傳感器則認(rèn)為沒有人體存在。為避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，本系統(tǒng)軟件程序中設(shè)計(jì)為有人體存在狀態(tài)后間隔2分鐘或更長的時間來對人體存在參數(shù)信號的采集。 本系統(tǒng)考慮到環(huán)境光足夠亮?xí)r，無論有否人體存在都不應(yīng)開燈;而環(huán)境光不夠亮?xí)r，有人體存在才開燈，無人體存在不開燈。本系統(tǒng)邏輯定義為環(huán)境光亮?xí)r為二進(jìn)制的“0”(符合光采集電路輸出信號狀態(tài))，暗時為“1”，人體存在為“1”，人體不存在為“

19、0”，開燈為“1”，關(guān)燈為“0”，那么環(huán)境光與人體存在可以有以下的邏輯關(guān)系表表示，如表4-1所示：圖 4-1§4.3 時鐘模塊 在系統(tǒng)開始自檢初始化時，首先會對時鐘芯片的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，當(dāng)檢測到芯片處于啟動狀態(tài)時才對其進(jìn)行初始化啟動。實(shí)時時鐘芯片的初始化極其讀寫程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要遵循其時序要求。對芯片進(jìn)行讀寫的程序流程圖如圖4-2所示圖4-2§4.4 系統(tǒng)按鍵功能 鍵盤是系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)設(shè)備應(yīng)用最廣泛的一種，也是人機(jī)交互對話、系統(tǒng)進(jìn)行操作的重要通道，操作者是通過鍵盤來輸入。本系統(tǒng)鍵盤一般情況下采用中斷方式，把鍵盤信號采集放在中斷程序中除了，鍵盤的功能放在任務(wù)操作模式中完成。在

20、執(zhí)行完鍵盤采集工作后，如果有鍵按下，程序轉(zhuǎn)入鍵處理功能程序。系統(tǒng)根據(jù)采集過程中得到的鍵號，散轉(zhuǎn)到相應(yīng)的鍵處理子程序，通過鍵盤修改系統(tǒng)工作參數(shù)。第5章 總結(jié) 本次設(shè)計(jì)對適合應(yīng)用于教室燈光智能控制系統(tǒng)的控制進(jìn)行了研究。主要以環(huán)境光、人體存在狀況等外界因素為控制器的輸入?yún)?shù)，比單純的人員管理教室燈光更合理，更有效的降低了教室燈光的資源費(fèi)用;同時還加入了時間控制參數(shù)，使教室燈光的控制更加符合學(xué)校的作息時間。本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)針對于各類大、中各院校的教室燈光管理具有非常重要的意義，也適用于各類辦公室的燈光控制。 本教室智能控制系統(tǒng)的控制主要是以51單片機(jī)主控單元為核心，通過相關(guān)電路的驅(qū)動，完成對教室燈光的

21、控制，采用一個二極管閃爍顯示整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對教室燈光的自動開燈、關(guān)燈控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)智能化控制的同時，還設(shè)置了手動，這樣在智能控制系統(tǒng)偶爾出現(xiàn)故障時，還可以采用手動操縱，不至于影響教室燈光的正常應(yīng)用。系統(tǒng)控制單元的硬件電路中多采用簡易芯片，不僅簡化了電路設(shè)計(jì)，同時還節(jié)省了單片機(jī)I/0口資源，為系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)展留下了空間。系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)通過采用多任務(wù)模塊編寫，省去了一些不必要的延時程序，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)初步證實(shí)了系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性，提高了電能資源的利用率。 本系統(tǒng)在保證裝置能穩(wěn)定可靠工作的前提下，硬件設(shè)計(jì)上盡量采用性價比高的元器件，以降低成本。軟件設(shè)計(jì)上采用多任務(wù)形式對信號的采集、處理，達(dá)到最終控制燈光的目的。致謝 本論文的研究是在呂老師的悉心指導(dǎo)下