智能照明系统设计

1 引言 1.1 智能照明的意义世界面临能源危机，中国能源形势更加严峻。节电与开发新能源同等重要，而节电更经济、环保，应放在首位。在节电中，照明节电的效果尤为显著。在世界电力的使用结构中，美国、日本和欧洲等发达国家的照明用电约占总用电量的20%。而中国绿色照明工程促进项目办公室的专项调查表明，我国照明用电在整个用电中的比例约为12%左右。2003年全国发电量为19107亿度，较2002年增长15.52%。暂按用电量增长速度低于GDP增长速度的5%保守计算，到2010年，我国发电量可望达到27000亿度，照明用电估计就需3000亿度以上。如果照明用电节约一个百分点，即可节电20亿度至30亿度；如果照明用电节约三分之一，则可节电1000亿度。可见，把照明控制节电看成最有效的环保工程和节电手段，丝毫也不为过。根据最近研究表明,合理的夜间道路照明至少可以降低30 %的城市道路交通事故率、45 %的乡村道路交通事故率和30 %的高速公路交通事故率。另外,合理的道路照明还能提高交通引导性,从而提高道路的利用率,降低犯罪率,对提高环境的舒适度以及美化城市也有重要意义。总之，采用智能照明控制，不仅可满足便捷控制、灯光效果等要求，而且由于可观的节能效果（节电可达到20-50%以上）及灯具寿命的延长（灯具寿命延长2-4倍），又能在降低运行费用中得到经济效益，还能省去常规照明所需的大部分配电控制设备，大大简化和节省管布线工作量。此外，智能照明系统能让整个系统工作在使人们最舒适的状态，从而保证人们的身心健康，提高了工作效率，创造出无法估量的价值。1.2 传统照明控制1.2.1 SCR可控硅控制优点：90年代技术，体积小，效率高，噪音低，便于智能控制和嵌入控制，输出电压有效值连续可调。缺点：输出电压严重畸变，有浪涌电压，污染电网，产生干扰，无法满足电磁兼容要求，影响电力调度，同时只能适应感性灯光负载，对目前提倡的多元化照明和国家强制的电容补偿，无法适应。1.2.2 电磁自偶变压器固定抽头机械切换控制优点：效率比较高，噪音比较低，输出纯正弦电压，适应所有灯光负载。缺点：体积大且笨重，固定降压，工作时无法进行电压调节（灯灭），节电率固定，无法智能化和以人为本，照度无法控制，往往是人流量最大的傍晚（用电高峰电压低）亮度最低，而后半夜（用电低谷电压高）无人时反而灯光亮度最大，另外电磁式产品在切换抽头时，往往烧触点或高压击穿变压器。1.2.3 电磁自偶变压器抽头SCR切换控制优点：效率比较高，噪音比较低，输出纯正弦电压，输出电压突变式调节，适应所有灯光负载。缺点：体积大且笨重，对城市道路照明的HID灯，突变式降压有灯灭现象，电压无法精确控制，由于多SCR开关切换时，有共态导通，或短时开路，切换时有浪涌电流和浪涌电压，故障率高。1.2.4 电磁自偶变压器无级碳刷切换产品控制优点：效率比较高，噪音比较低，输出纯正弦电压，输出电压可连续调节，适应所有灯光负载。缺点：体积大且笨重，控制用变压器为机械碳刷式，在大电流滑动时，有强烈电火花，寿命短，过多机械部件，故障率高，同时碳刷过渡其间有电流切断现象，容易引起HID等的熄灭。1.2.5 电磁感应变压器电机伺服无级调压控制优点：输出正弦波，电压连续可调，适应所有灯光负载。缺点：体积大且笨重，效率低，噪音大，输出电压波形畸变大，不便于三相独立调节，无法适应三相严重不平衡负载，有机械部件，寿命短。1.2.6 串联电感降压控制优点：简单，成本低，可靠。缺点：体积大且笨重，只能根据固定负载设计，无法采用现代控制技术控制。1.3 智能照明控制系统的优点（1）、智能照明控制器，可以使照明系统工作在全自动状态，系统将按先设定的若干基本状态进行工作，这些状态会按预先设定的时间相互自动地切换。 （2）、 智能照明为人们提供健康、舒适环境的光照环境同时，也提高了工作效率。（3）、延长灯具寿命而且有可观的节能效果。智能照明控制系统使用了先进的电力电子技术，能对大多数灯具（包括白炽灯、日光灯，配以特殊镇流器的钠灯、水银灯、霓虹灯等）进行软启动后的智能调光。除此之外，智能照明的管理系统采用设置照明工作状态等方式，通过智能化管理实现节能。（4）、提高管理水平，减少维护费用。智能照明控制系统将普通照明人为的开与关转换成了智能化管理。1.4 毕业设计任务及要求通过互联网、图书馆我们查阅了大量的相关资料，并和王全州、裴东老师对资料分类、整理。确定了以下论点：（1）、影响电光源寿命的一个重要因素是启动和运行时电流和电压对光源的冲击。为了有效的降低电流和电压冲击，我们的任务很明确，那就是要求智能控制系统对灯具有软起动功能。（2）、具备节能控制。要求设计能按当地所需“时间照度”的关系进行灯光照度调节，在满足照度要求的同时，最大限度的节能。（3）、智能化的监测、管理，有人性化的管理软件设计，目标：只追求照明控制，很容易实现，但不降低照度，不可能节能控制。能按人的需要智能化管理灯具，保障最舒适的照度，保障社会治安，保障道路交通安全的同时，极大限度地节约能源，才是我们这次毕业设计追求的最高目标。2 系统简介 2.1 节能原理提倡照明节能控制，不等于降低对视觉作业的要求和降低照明质量。照明节能的基本原则应是保证不降低工作场所的视觉要求、不降低照度标准和照明质量的前提下，力求减少照明系统中的能量损失，最有效地利用电能。 根据理论计算和实验测量，电压与灯源的功率关系为：（21）由（21）式，假如电源电压为180V，则100W的荧光灯所消耗的实际功率：灯泡的使用寿命与电压的关系如下：（22）由（22）式,假如100W灯泡额定使用寿命为3000h，则其实际使用寿命：P 灯源实际消耗的功率(W)PN 灯源额定电压时消耗的功率(W)V 灯源实际运行电压(V)VN 灯源额定电压(V)H 灯源实际使用寿命(h)HN 灯源额定使用寿命(h)由此可见，降压节电是一种切实可行的方法，不仅节约电能，而且延长了灯泡的使用寿命，达到了双重效果。2.2 系统实现的功能根据日光灯（高压钠灯）的特性，在起动时需要瞬时高压才能发光，起动后仅需要较低的电压就可以维持。智能照明系统便是利用日光灯的这个特性，在电网上电初始阶段，以0-220V逐级升压输出实现软起动，等日光灯运行稳定后再降到200V、190V或180V低电压输出。本照明系统的工作流程为：到系统设定的开灯时间系统后开始软起动工作，在满电压预热一段时间过后，调压模块的输出电压降至预设的节电水平，并保持这一水平稳定运行 ；当系统运行到下一个设定时间时，输出电压将改变为新的节电水平电压输出 。到晚上行人比较稀少时系统打开红外线传感器中断，若传感器检测到有人时系统开灯，然后满电压延时1分钟后又进入行人检测状态直到天亮时关闭传感器中断。智能照明控制器是一种智能节能产品，使用者可以根据具体情况选择适合于自己的负载功率，并把适合自己的照明控制方案设定到控制器里。采用无级调压模块，实现了对灯具预热与软起动功能，克服了目前路灯由于起动电流过大及起动时间过短造成的能源浪费和灯具寿命缩短的缺点。2.3 系统组成该系统终端由主控制器，区域节点组成，各个区域节点由主控器控制工作。智能照明控制器以89C51单片机为控制核心，单片机把设定时段内电压的数据发送给D/A转换器去控制智能调压模块从而达到输出电压可调，最终达到亮度可调的目的。系统组成框图如图1所示： 图1 系统组成框图2.4 系统的工作原理(1) 控制器中存储着该照明设备的亮度参数，实现软启动后根据时间段来降压控制，实现亮度可调的目的。(2) 晚间根据该区域人员活动情况来设定待机自动检测时间，区域节点利用与之相连的传感器监测车辆、人员的情况，当有车辆、人员通过时，控制器软起动该区域节点的照明回路，延时后待机直到强制关灯。(3)该控制器根据管理员设定的照度时间参数工作，并通过数码管显示当前时间。3 控制器设计方案3.1 设计要求3.1.1 设计任务设计并制作一台能智能调压的照明控制器。示意图如图2所示。 图2 设计任务3.1.2 技术要求调压模块的电压输出0220V可调，输出电流0100A可选。传感器监测范围10-15M。3.2 总体思路3.2.1 设计思路整个电路由电源电路，红外传感电路，单片机控制电路及区域控制电路等部分组成。电源由市电供电输出12V，5V 功率为20瓦，红外传感电路对人或车辆进行检测，有人活动时输出相应的电平信号到89C51产生中断。必要时可加一个光控模块，以增强电路的智能性。 3.2.2 总体方框图总体方框图如图3所示。图3 控制器总体框图根据要求，本系统采用如图3所示的设计方案。3.3 方案论证与比较3.3.1 主控模块方案一：基于8051单片机的主控单元采用8051系列单片机为控制核心,外接DA电路，键盘，7段数码管等外设，8051MCU处理各种外设的输入，组织各外设的协调工作。管理员把预定数据送入CPU，CPU读取数据送入内部寄存器，等待处理。当CPU在预设的时段内检测到传感器信号时控制器工作在设定状态，电压参数送入DA，控制调压模块实现软起动。此种方案实现电路简单，89C51内部资源足够，软件设计简单。方案二：基于PC机的主控单元利用单片机组织各电路的输入，实现与PC的通信，可传递各种数据给PC，用PC机实现各数据的运算操作，并显示在显示器上，以PC 作为人机界面。这种方案外部电路复杂，适合大型的城市照明系统，编程量大。作为一般控制器，不便使用PC。 通过比较本设计采用方案一。3.3.2 调压模块 选用友邦自动化应用研究所的智能调压模块，此模块采用输入、输出光电隔离，输入电压0-5V或电流4-20mA 调节输出端负载电压0-220V线性变化,具有输入端阻抗高，大功率输出的特点。十分方便地实现了对输出端负载电压功率的无级调节。3.3.3 传感器模块 方案一：HB100微波移动传感器微波传感器工作几乎不受周围环境因素的影响，这些因素包括温度、空气流动、尘埃、湿度、烟雾和噪声等。传感器发射低功率微波，并接收由物体反射的能量。如果传感器探测到物体的运动，反射的微波频率将偏移发射频率。利用微波设备对移动物体(含人)发射和反射频差的多谱勒效应,即可探测出人的活动情况。方案二：热释传感器热释传感器包括：（1） 截止波长为7-10m的滤光晶片，与人体辐射红外中心线波长9-10m相对应，起带通滤波器的作用，从而把人体和其它物体区分开。（2） 热释电陶瓷材料，将透过滤光晶片的红外辐射能量的变化转换成电信号，即热电转换。（3） 场效应管匹配器，起阻抗变换作用，使得输入阻抗高而输出阻抗低。因为热释传感器探测距离符合本照明控制器设计要求，而且可靠性好、造价低，所以采用方案二。4 控制器实现 4.1 控制器硬实现 4.1.1 单片机控制电路 图69C单片机最小系统4.1.2 传感器检测电路传感器检测信号经过光耦隔离消除干扰。图7传感器检测电路4.1.3 DAC0832与单片机接口电路图8为单片机和DAC0832直通方式输出连接图，运放输出电压为： VOUT(D/256)*VREF, 图8单片机和DAC0832直通方式输出连接图4.2 控制器软件设计与实现系统上电初始化后 显示当前时间,当有按键按下时调用按键扫描子程序设定参数，参数设定后显示当前时间，然后调用当前时间与定时参数的比较子程序，根据二者的大小关系决定DA输出相应的电压值，再由DA输出去控制调压模块。参数说明： 参数0：当前时间；参数1：晚上开灯时间，照度1；参数2：照度2开始时间；参数3：照度3开始时间；参数4：关灯待机时间，开传感器中断，进入自动检测阶段；参数5：天亮关灯时间，同时关传感器中断。4.2.1 主流程图图9 主流程图4.2.2 传感器中断子程序流程图10 传感器中断子程序流程图4.2.3 按键扫描子程序流程图11 按键扫描子程序流程图4.2.4定时器中断流程图图12定时器中断流程图4.2.5 时钟子程序流程图图13时钟子程序流程图4.2.6 时间显示子程序流程图图14时间显示子程序流程图5 控制器测试 5.1 测试仪器（1） 示波器（2） 数字万用表（3） 100W白炽灯1个5.2 主要元器件AT89C51,DAC0832, LM358，74LS7447，12MHz晶振，5V双刀双掷继电器,红外热释传感器，友邦无级调压模块。5.3 测试（1） 系统上电初始化显示初值时间18：59 说明显示硬件及软件通过；（2） 按键有显示，按键子程序软件通过；（3） 编写方波及三角波程序，示波器观察D/A输出波形正常，D/A模块通过；（4) 开传感器中断，D/A输出数据到调压模块，当传感器检测到有人时产生中断，调压模块工作正常，软硬件通过；（5） 整体仿真测试 ，时间可调，参数可调，时间及参数显示正常，D/A输出正常，灯具工作满足智能照明要求。5.4 结论该照明系统设计方案合理，测试结果达到了设计要求，完成了对灯具的软起动和电压可调、照明智能控制的要求，还设计了时钟、数据存储功能。全文总结本智能照明系统以ATMEL公司的AT89C51单片机为控制核心，通过D/A控制调压模块调节灯具电压，在不同时段内给出相应的电压，在保障正常照明的同时，最大限度地节约能源和保护照明灯具。本系统可用于我校的道路、教室、图书馆的智能照明控制。还可用于混合灯光负载，电子节能灯，商场、超市酒楼，医院等众多公共场所的综合负载智能照明控制与设备保护。 由于时间的原因本设计利用89C51单片机完成了基本功能，但是还有很多的东西去学习和完善，加强系统的智能化。我们还待完善的部分有亮度检测模块实现全天亮度自动检测功能，电压监控模块，更好的发挥调压模块交流稳压的能力，如果用于大型三相电供电的照明系统还要加入电网缺相保护电路。而最终实现无线控制是本智能控制系统将来完善设计的最终目标。在此次设计制作过程中，我主要负责软件的设计工作，在编写程序的过程中也遇到了许多问题，比如对按键过程中产生的异常情况的处理，以及当前时间与设定的个定时参数间的大小比较问题等。但经过仔细的思考和多次的修改后也都得以解决。通过此次设计的制作，尤其体会到了模块化程序设计思想及注释的重要性。致谢大学四年即将结束，我们即将告别我们的母校、老师和同学。在这短暂的大学四年里，我一直在努力地学习，同时在各位老师的悉心教导下，也学到了许多重要的知识，而此次毕业设计正是检验我大学4年所学知识的一次机会。在完成设计的过程中，我一直很努力地在做，最后也取得了一定的成果。所以我要感谢所有的任课老师，是您们的教育和培养，才使我们学有所获。特别要感谢教研室的各位老师，他们劳心劳力，在他们的悉心指导下，我才得以完成毕业设计。另外，在整个设计的过程中，还得到了其他很多同学的真诚帮助，在此一并表示感谢！ 参考资料1 康华光编著电子技术基础模拟部分北京：高等教育出版社（第四版）2 李清泉、黄昌宁编著集成运算放大器原理及应用北京：科学出版社，1982年3 沈尚贤主编模拟电子学人民邮电出版社，1983年4 段尚枢主编运算放大器应用基础哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，19985武思军、于鑫 主编电子创新设计哈尔滨：哈尔滨工程大学电工电子教学基地，2003 6 李万臣，谢红主编模拟电子技术基础实验与课程设计哈尔滨：哈尔滨工程大学出版，20017 刘乐善编著微型计算机接口技术及应用武汉：华中理工大学出版社，20008 谢自美 主编电子线路设计.实验.测试武汉：华中理工大学出版社，1994 9 何立民. 主编单片机高级教程北京：航空航天大学出版社，200110 李朝青. 主编单片机原理及接口技术北京.：北京航空航天大学出版社，200311 童诗白 主编模拟电子技术基础（第二版）北京：高等教育出版社，199812 潘新民 王燕芳 主编微型计算机控制技术北京：电子工业出版社，200513 胡汉才编著单片机原理及系统设计北京 ：清华大学出版社，200214 其他资料 建设部网站/中国节能网/中国节能产品网/附1 控制器使用说明一、 接线图 本控制器采用220V电源供电，功率为5W。 二、 功能键说明： 本控制器设有功能键4个，分别为选择键、输入键、小时键、分钟键 ；选择键为参数选择键；输入键为参数输入确定键；小时键为调整时间（小时）； 分钟键为调整时间（分钟）。三、 具体操作说明： 1、当前时间调整操作 当按动选择键时，显示“00”，此时可通过按动输入 键修改时间，按小时键调整小时时钟，按动分钟键调整分钟；最后按输入键确定，不需要调整再次按动输入键跳出修改操作。2、参数设定操作当按动选择键时，显示“01”到“05”，此时可通过按动输入 键显示当前设定的默认参数，按小时键设定小时，按动分钟键设定分钟；最后按输入键确定，不需要调整再次按动输入键跳出修改操作自动返回时间显示界面。附 键盘示意图：谢谢使用！附2 程序FLAGDATA34HBUF1DATA38HBUF2DATA39HTIM_OUTDATA62HTEMP1DATA64HTEMP2DATA65HTEMP3DATA66HTEMP4DATA67HHOUREQU50HMINEQU51HCMP_BUFEQU52HTIM_BUFEQU50HTIM_ENEQU00H;时间显示允许标志CHG_ENEQU01H;修改键(小时,分钟)有效标志FLAG2EQU02HYANEQU03H;传感器中断后延迟标志ORG00HLJMPMAINORG0BH;定时器0中断输入LJMPTIM0ORG13H;传感器中断输入LJMPSENSORORG30HMAIN:MOVSP,#70HMOVDPTR,#50HMOVP0,#0FFHMOVP0,#00HMOVP1,#0FFHMOVFLAG,#0FFHSETBTIM_ENCLRCHG_ENCLRP2.6;继电器控制开关CLRP2.5;蜂鸣器CLRFLAG2CLRYAN;延时标志MOV28H,#00MOVR0,#50HMOVR2,#10HMOVR3,#00HMOV30H,#00;显示缓冲区偏移量清零MOV3FH,#00MOV50H,#18;时钟初值MOV51H,#59MOV52H,#19;定时1初值MOV53H,#00MOV54H,#20;定时2初值MOV55H,#00MOV56H,#23;定时3初值MOV57H,#00MOV58H,#00;定时4初值MOV59H,#00MOV5AH,#05;定时5初值MOV5BH,#00MOVTIM_OUT,#00;10秒钟延时标志清零MOVTMOD,#01H;定时器初始化MOVTH0,#HIGH (65536-4000)MOVTL0,#LOW (65536-4000)MOVIE,#82HMOVR4,#125;中断次数(中断125次是1秒)SETBTR0;开定时器LOOP:JBCHG_EN,N2JBP2.3,N2;选择键(M键)未按下时跳转LL:LCALLDELAYMOVTIM_OUT,#00;10秒溢出清零CLRTIM_EN;停止时间显示MOV33H,#15;第一个数码管显示空白MOV32H,#15;第二个数码管显示空白MOV31H,#0;第三个数码管显示0INCFLAGMOVA,FLAGCJNEA,#6,N1MOVFLAG,#0FFHSETBTIM_EN;允许时间显示CLRCHG_EN;不允许修改键LCALLDELAY1;需要较长的延时LCALLDELAY1LCALLCMPLCALLCMP2AJMPLOOPN1:MOV30H,FLAG;第四个数码管显示FLAG中的值JNBP2.3,$LCALLDELAYN2:JBTIM_EN,N4;M键按下后OK键才有效JBP2.2,N4LCALLDELAYMOVTIM_OUT,#00CPLCHG_EN;OK键按下后+、-键才有效JNBCHG_EN,SAVEMOVA,FLAGMOVB,#02HMULABADDA,#50HMOVR0,AMOVBUF1,R0INCR0MOVBUF2,R0LCALLDISP2AJMPN3SAVE:MOVR0,BUF2DECR0MOVR0,BUF1N3:JNBP2.2,$LCALLDELAYJNBCHG_EN,LLN4:JNBCHG_EN,LOOPJBP2.1,N6LCALLDELAYMOVTIM_OUT,#00MOVA,BUF1ADDA,#01MOVBUF1,ACJNEA,#24,N5MOVBUF1,#00N5:JNBP2.1,$LCALLDISP2LCALLDELAYN6:JNBP2.0,LOOP1LJMPLOOPLOOP1:LCALLDELAYMOVTIM_OUT,#00MOVA,BUF2ADDA,#01MOVBUF2,AMOVR5,FLAGCJNER5,#0,NEXTMOV3FH,#0;分钟修改后对秒清零NEXT:CJNEA,#60,N7MOVBUF2,#00N7:JNBP2.0,$LCALLDELAYLCALLDISP2LJMPLOOPTIM0:MOVTH0,#HIGH (65536-4000)MOVTL0,#LOW (65536-4000)PUSHACCPUSHPSWDJNZR4,X2MOVR4,#125JNBTIM_EN,NEXT1CPLP2.4;显示时间时“点”闪烁LJMPNEXT2NEXT1:CLRP2.4;不显示时间时“点”不闪烁NEXT2:LCALLCLOCKINCTIM_OUT;10秒内没有按键按下时强制复位显示时间MOVA,TIM_OUTCJNEA,#20,NXTMOVTIM_OUT,#00SETBTIM_ENMOVFLAG,#0FFHCLRCHG_ENNXT:JNBTIM_EN,X2LCALLDISPX2:LCALLSCANPOPPSWPOPACCRETISCAN:INCR3CJNER3,#4,X3MOVR3,#00HMOVR2,#10HX3:MOVA,R2RRAMOVR2,AMOVA,R3ADDA,#30HMOVR1,AMOVA,R1SWAPAORLA,R2MOVP1,ARETCLOCK:JNBYAN,CLKNXT;传感器中断点亮灯后延时1分钟DECDL_CNTDJNZDL_CNT,CLKNXTCLRYANSETBEX1;延时1分钟后重新开传感器中断MOVP0,#00HCLRP2.6CLKNXT:MOVA,3FHADDA,#01MOV3FH,ACJNEA,#120,GOMOV3FH,#00MOVA,51HADDA,#01MOV51H,ACJNEA,#60,X5MOV51H,#00MOVA,50HADDA,#01MOV50H,ACJNEA,#24,X4MOV50H,#00X4:LCALLCMPRETX5:JNBFLAG2,GOLCALLCMPGO:RETDISP:MOVR1,#30H;时间显示子程序.显示缓冲区首地址送R1MOVA,51H;分钟值MOVB,#10DIVABMOVR1,B;分钟个位送30HINCR1MOVR1,A;分钟十位送31HINCR1MOVA,50HMOVB,#10DIVABMOVR1,B;小时个位送32HINCR1MOVR1,A;小时十位送33HRETDISP2:MOVR1,#30H;设置时的显示子程序MOVA,BUF2MOVB,#10DIVABMOVR1,BINCR1MOVR1,AINCR1MOVA,BUF1MOVB,#10DIVABMOVR1,BINCR1MOVR1,ARETDELAY1:MOVR6,#255D2:MOVR7,#255DJNZR7,$DJNZR6,D2RETDELAY:MOVR6,#60D1:MOVR7,#248DJNZR7,$DJNZR6,D1RETCMP:PUSHACCPUSHPSWMOVTEMP3,R0;保存R0MOVR6,#5MOVR0,#CMP_BUFMOVA,HOURBACK:MOVTEMP1,R0MOVTEMP2,R0MOVTEMP4,R6CJNEA,TEMP1,CMP_NXTSETBFLAG2MOVR0,TEMP2INCR0MOVA,MINMOVTEMP1,R0CJNEA,TEMP1,RET123CLRFLAG2SETBP2.5LCALLDELAY1CLRP2.5LCALLSELECTLJMPRET123CMP_NXT:INCR0INCR0DJNZR6,BACKRET123:MOVR0,TEMP3;返回R0POPPSWPOPACCRETSENSOR:MOVP0,#7FH;检测到