教室LED照明节能智能控制系统的研究与应用--开题报告

基于ZIGBEE技术的无线定位系统研究

电信120 （25120200）周志远

摘要：本次选择AT89C51单片机的主控芯片作为教室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的光线强度，实现对教室内灯光的智能控制，避免了教室用电的大量浪费。本文详细阐述了系统的软件设计过程，采用模块化的编程思想，使用C51语言编写源程序，实现教室的节能照明功能。

该系统具有体积小，控制方便，可靠性高，专用性强，性价比合理等优点，可以满足各类大、中专院校教室灯光控制的要求，很大程度的达到节能目的。

关键词: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研究的主要目的和意义

中国经济在持续多年高速发展后的今天，能源问题日益突出。虽然我国能源总储量占据之首，但由于我国人口众多，所以人均储量少，单位产值的能耗是发达国家的3-10倍。能源问题已成为制约我国国民经济发展的关键问题。从环境和自然资源角度出发，能源问题也是我国长期可持续发展战略中一个重要关键因素。此外，能源问题不仅关系经济发展和环境生态，在特定情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的快速发展，人们的生活水平也在不断提高，导致用电负荷的加剧，又由于世界性的能源危机，能源缺乏以成为世界所面临的严峻问题。中国城市每年用于公共照明的能源支出高达280多亿，节能空间巨大。其中路灯照明能耗占30%以上。发展城市道路照明的同时，路灯以供街道照明以外，还大力兴建了很多的景观照明亮化工程，美化城市的夜景，但同时也带来了能耗的极大浪费。据统计2010年，我国全社会的总用电量将超过5000 亿kW?h，新增照明用电2000 亿kW?h。

对高等院校，据测算，其照明耗电占本单位所有耗电的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当可观的。由于大学是开放型的管理模式，加上全员节能意识淡薄，教室无人时照明灯一直长明，造成电能的巨大浪费，由此提高教室用电效率实现智能控制就成为首要考虑的问题。

目前对灯光的智能控制，尤其是我国教室灯光的智能控制尤为缺乏和不完善，依然是传统式的人工管理。（如华东理工大学梅陇校区教室在白天无人时日光灯依旧开启）

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加，教室用电管理不善，造成学校电能浪费，经济损失，这种浪费与当今的节能理念相违背。再者，现代自动化程度不断提高，计算机技术的普及，灯光的管理也朝着自动化、智能化方向发展。于是，开发简便、实用的教室灯光自动化控制系统便具有重要的现实意义。

1.2 研究的现状

目前，国内照明大力采用高效照明产品代替传统低效率照明产品实现节能，大力推行绿色照明工程，大量运用节能技术，不断推出绿色光源和节能电器，采用大量的节能灯具，装备新技术，尤其以LED绿色照明改造为国家大力推行。

现阶段，世界各国都在采取不同的方式来节约能源，节约电能。LUMA公司推出的LEP等离子体灯替换传统照明，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，芯片光效由以前的100lm/W提升到150lm/W,丹麦的房屋建设就对节能有很多的要求，并且居民入住有节能装置放置时，要支付的费用比没有节能方案房屋高出8%。单纯的光源节能加上有效智能照明控制会让节能的空间大力提升，研究智能照明控制系统是是现在的发展趋势，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+的的结合，通过充分利用自然环光来减少人工照明带来的能源消耗，真正实现情景化、自动化、人性化的智能照明技术。常见的照明控制系统有飞利浦公司下属的邦奇Dynalite智能照明控制系统，该系统主要由调光模块、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监控机等部件组成。采用DyNet网络连接，DyNet是一个分布式智能化网络，使用RS-485通讯协议。以施耐德公司为主的使用的C-Bus智能照明控制系统，C-Bus系统是一个二线制的总线型式的智能控制系统，系统所有的单元器件（除电源外）均内置微处理器和存储单元，由一对信号线（双绞线）连接成网络。每个单元均设置唯一的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对应连接。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。所有输出单元接收并做出判断，控制相应回路输出。快思聪为主的是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他智能元件（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芯双绞线介质的总线上，不分主从隶属关系实现相互之间的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的子系统之一，它对教室智能控制的舒适性、经济性、方便性具有重要的意义。利用人体的存在信号和环境光信号的识别和智能判断，可以有效的对教室照明进行智能控制，避免了教学大楼照明用电的大量浪费。本设计以AT89C51单片机作为控制装置的智能部件，采用热释红外人体传感器检测人体的存在（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的电路检测环境光的强度（照度达到时灯全关，照度不够时灯打开补足光照度）；在特殊环境及要求下（如多媒体教学和电影文学欣赏）可以通过手动来控制灯的开关。一号按钮控制手动与自动，二号按钮控制灯的开关盏数（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，设计方法的选用是系统设计能否成功的关键所在。硬件电路是采用结构化系统设计方法，该方法保证设计电路的标准化、模块化。硬件电路的设计最重要的选择用于控制的单片机，并确定与之配套的外围芯片，使所设计的系统既经济又高性能。硬件电路设计还包括输入输出接口设计，画出详细电路图，标出芯片的型号、器件参数值，根据电路图在仿真机上进行调试，发现设计不当及时修改，达到最终的设计目的。软件设计的方法与开发环境的选取有着直接的关系，本系统由于是采用51系列单片机，因此使用汇编语言进行开发。

2.2系统性能指标及技术要求

首先单片机通过按钮1判定是自动还是手动，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判定室内是否有人，和室内关照度，单片机再决定是否开灯，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本课题的主要内容

①灯光总体控制方案的研究；

②灯光控制检测方案的研究；

④热释电红外传感器的信息处理；

⑤人体与自然光照强度信号采集与处理；

⑥开发单片机系统；

⑦实验测试与数据分析。

2.4拟采用的研究方法或措施

本次课题主要研制的控制器以自然光强度和人体存在作为控制器的主要输入参数。可以真正的实现自动与手动控制相互兼容。在自然光照度达标时，无论教室是否有人存在，都不开灯;在教室自然光照度达不到要求时候，有人存在时灯光会自动打开而且达到均衡的照度，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。同时，还要改用机械开关来手动控制，以解决因特殊情况下，自动控制器的不人性化运行。

本次课题所研究的教室灯光控制器主要是由硬件和软件两大部分组成。硬件部分是前提，是整个系统执行的基础，它主要为软件提供程序运行的平台。而软件部分，是对硬件端口所体现的信号，加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到控制器自动与手动相结合的教室照明智能控制。

系统设计主要包括硬件和软件两大部分，依据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计。

硬件设计部分包括电路原理图、合理选择元器件、绘制线路图，然后对硬件进行调试、测试，以达到设计要求。硬件电路是采用结构化系统设计方法，该方法保证设计电路的标准化、模块化。硬件电路的设计最重要的选择用于控制的单片机，并确定与之配套的外围芯片，使本次设计的系统既经济又高性能。硬件电路设计还包括输入输出接口设计，画出详细电路图，标出芯片的型号、器件参数值，根据电路图在仿真机上进行调试，发现设计不当能及时修改，达到最终的设计目的。

软件设计部分，首先在总体设计中完成系统总框图和各模块的功能设计，拟定详细的工作计划；然后进行具体设计，包括各模块的流程图，选择合适的编程语言和工具，进行代码设计等；最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能要求。软件设计的方法与开发环境的选取有着直接的关系，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方法，先编写各个功能模块子程序，然后进行组合与调整，经过调试后，达到最终的设计功能要求。

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方便且灵活性高，我对本次系统的硬件做了精心设计。硬件电路包括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部分和自动控制部分，人为控制是靠一个开关来实现操作的，通过重复按压可以点亮更多的LED灯，而自动控制是靠单片机控制的，我们把程序写入单片机后，单片机的系统时间通过显示器显示出来，并且利用时间来控制灯的亮与灭，用单片机的P0口做灯光输出，P1口做显示输出，P2口做开关输入，即可完成硬件部分。在含有控制器的电路系统中，都必须要有相应的复位电路，这样能够使系统在上电后，很好地复位系统并使系统处于稳定的运行状态。一般简单的复位电路可以采用RC复位，这种电路的稳定性一般、可靠性较高。

2.6单片机的应用技术

电子技术和微型计算机的迅速发展，促进微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用，单片机（单片微型计算机）的应用已经渗透到国民经济的各个部门和领域，它起到了越来越重要的作用。

单片微型计算机就是将中央处理单元、存储器、定时/计数器和多种接口都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。因此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、日常生活中最广泛使用的计算机。

单片机由硬件系统与软件系统组成。硬件系统是指构成微机系统的实体与装置，通常由运算器、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组成。其中运算器和控制器一般做在一个集成芯片上，统称中央处理单元（Central Processing Unit），简称CPU，是微机的核心部件。CPU配上存放程序和数据的存储器[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的硬件系统。软件系统是微机系统所使用的各种程序的总称，人们通过它对微机进行控制并与微机系统进行信息交换，使微机按照人的意图完成预定的任务。软件系统与硬件系统共同构成完整的单片微型计算机系统，两者相辅相成，缺一不可。

2.7 CPU性能介绍

本系统采用了ATMEL公司MCS-51系列单片机中的AT89C51芯片，它是低压高性能CMOS 8位微处理器，带有4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，15个I ／O口线，两个16位定时／计数器，—个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口。

2.8 LED数码显示的设计

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A1015三极管组成。由单片机的P0.0～P0.3口输出的四位BCD码，经7447芯片后，翻译成7段数码管a、b、c、d、e、f、g相应的段，并输出点亮数码管相应的段。单片机的P0.4、P0.5口输出的信号经74LS138译码器后产生的高电平信号加在A1015三极管的基极，控制三极管的导通，从而起到对相应数码管的选通作用。4个7段数码管都被接成共阳极方式。

3技术路线

3.1控制系统实现中主要的问题

在公司的研发室设计的控制系统，在安装、调试后完全符合设计要求，但真正把系统置入现场后，系统往往有可能不能正常稳定地工作。基于产生这种情况的主要原因是现场环境复杂和各种各样的电磁干扰，因此单片机应用系统的可靠性设计、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的形式进人单片机系统的，其主要的渠道有3条，

①.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；

②.供电系统干扰是由电源的噪声干扰引起的；

③.过程通道干扰是干扰通过前向通道和后向通道进入系统的。

干扰一般沿各种线路侵入系统。系统接地装置不可靠，也是产生干扰的重要原因；各类传感器，输人/输出线路的绝缘损坏均有可能引入干抚。

3.1控制系统实的主要组成部分及功能

教室灯光智能控制器系统由以下几个部分组成：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、系统组成框图如下：

图3-1 系统结构图

各模块的作用分别如下：

3.1.1电源模块

该模块将220v交流电经过变压器、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的单片机、传感器以及其他元器件供电的目的[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，可直接控制灯光一直开启或一直关闭，以此为特殊情况下的用电要求而设计。

3.1.3灯光驱动模块

由传感器来感应教室内是否有人，然后将结果传送给主控单片机，按有人和无人两种情况来选择不同的灯光控制程序。从而做到针对有人和无人两种情况分别进行不同的灯光控制。

3.1.4数码管显示模块

该模块的主要部分是光电耦合器，通过进行“电—光—电”的转换，达到对灯光的安全控制。

3.1.5光敏电阻模块

显示教室内的实时光线强度，和判断无人时的60ｓ倒计时。

3.1.6手动控制模块

光传感器连接主控单片机，对教室内的光线强度进行监控，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R1＝1时程序进入手动状态，按键按零次R1＝0时程序则进入自动状态，若按两次就会返还到R1＝0的状态）。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的信号决定是否开灯，开几盏灯。手动时单片机会由按键2所按的次数R0决定开灯的盏数（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次的状态）。最终通过LCD液晶显示开灯的盏数和关灯的盏数。

P2.0引脚接1号灯（教室里最前面的2盏灯），P2.1引脚接2号灯（教室里中间的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盏灯时教室前后两盏P2=00000101B,开2盏灯教室中间的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引脚处的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的情况。R1=1手动时按钮2被按的次数R0决定开灯的盏数（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R0＝0的情况）。单片机收到信号后将一些情况处理，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接信号的高值；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时程序开始根据P1.1,P1.2的情况给P2口附值。（P1.1,P1.2）为（0，0）表示教室里光线很暗要把灯全打开则给P2口附00000111B的值；（P1.1,P1.2）为（0，1）中等强度的光开4盏灯给P2口附00000101B的值；（P1.1,P1.2）为（1，1）关线强则把所有的灯关了给P2口附00000000B的值。

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（所要开的灯盏数）。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关闭灯的盏数）。

4 进度安排

整个设计过程的日程安排如下表所示：

表4.1毕业设计进度安排表

说明：以上是大致时间安排，具体进度可能按实际情况进行调整。

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