教室照明智能管理系统

1、2013 第九届“博创杯”全国大学生嵌入式设计大赛作品设计报告教室照明智能管理系统Classroom lighting intelligent management system设计报告参赛学校：西安培华学院 作 者：吴生旺 罗奇 指导教师：蔡传波摘要当前，随着经济的飞速发展， 能源短缺问题日益突出， 成为一个国家经济发 展的障碍。 作为工业生产和人民生活不可或缺的电力能源更是如此。 尤其现今越 来越提倡低碳生活， 节约能源已经成为一种全球共识， 而作为培养社会精英的高 校更应该起到榜样的作用。 但是，在校园内， 教室空无一人灯火通明现象屡见不 鲜，这不仅造成了严重的资源浪费，也对高校的形象造

2、成了很坏的影响。因此， 开发简便、节能、实用的教室灯光智能控制系统具有重要的现实意义。本文介绍的教室智能灯光控制系统主要是以 RS485总线为基础，自定义的通 信协议相结合的方式， 搭建了一套了较为完善的集灯光智能控制与远程管理功能 为一体的系统。首先，本文结合灯光智能控制控制系统的特点， 提出了四种组网方式， 权衡 这四种组网方式，提出了以 RS485总线为教室控制网络，以基于 FPGA综合实训 平台的EP2C35芯片的开发箱为教室智能控制主机，采用集中管理、节点自动控 制的方式对教室灯光进行控制。其次，本文介绍了教室灯光智能控制系统中使用的电路模块及实现的功能、 简单介绍了搭建的硬件框架及

3、主要组成部分， 以及由STC单片机组成的教室设备 节点最小系统，同时简介了最小系统的统一接口外挂传感器模块、 通信接收模块、 控制模块等，与主机相组成为一套完整的控制系统。再次，本文设计了一套采用热释电传感器检测人体信息和光照传感器采集外 部环境的光照的系统，并通过微控制器及软件编程的技术实现灯光系统的控制。 系统通过对人体的信号和环境光信号的识别和智能判断， 作为教室合理开灯的条 件，完成对教室照明回路的智能控制，避免了教室用电的大量浪费。最后，通过主机上的显示器模块对每个教室节点的状态进行查询， 通过通信 协议对每个节点传输查询命令，教室节点便把该教室的灯光状态发送到主控制 室，便于管理人

4、员进行教室的管理。本文设计的教室灯光智能管理系统解决了传统开关照明系统结构功能单一， 只能人为化控制无法实现自动化等对象缺点。 同时充分利用了自然光照， 减少了 能源过度的浪费。关键字：智能控制系统、RS485总线、通信协议、灯光管理、传感器AbstractNowadays, with the rapid economic development, energy shortages have become increasingly prominent, become a national economic development obstacles.As an integral part of

5、 industrial production and peoples life energy to power even more so. Especially in todays increasingly promote low carbon living, energy conservation has become a global consensus, but as a culture of social elite universities should play a role model. However, in the campus, classrooms empty light

6、s are common occurrences, which not only caused a serious waste of resources, but also on the universitys image caused a very bad influence. Therefore, the development of simple, energy-saving, practical classroom lighting intelligent control system has important practical significance.Firstly, comb

7、ined with intelligent control lighting control system, this paper proposes four networking, networking weigh these four put forward by the RS485 bus control network for the classroom, based on comprehensive training platform EP2C35 FPGA chip development intelligent control box for the classroom host

8、, centralized management, automatic node in a controlled manner to control the classroom lights.Secondly, this paper introduces the classroom lighting intelligent control system used in the circuit module and achieve the function, a brief introduction to the framework and the main structures of the

9、hardware components, as well as the composition of the classroom by the STC microcontroller minimum system device nodes, while the smallest system Introduction unified interface to external sensor module, the communication receiver module, control module, and the host phase consisting of a complete

10、control system.Again, the article has designed a pyroelectric sensor and light sensor detect human information collected in the external environment illumination system and programmed by the microcontroller and software technology to achieve lighting system control. System through the bodys signals

11、and ambient light signal recognition and intelligent judgment, as a classroom lights reasonable conditions, the completion of classroom lighting intelligent control loop to avoid wasting a lot of electricity in the classroom.Finally, the display module on the host status of the nodes in each classro

12、om query, via a communication protocol for each node transmits query command, put the classroom classroom node status is sent to the main control room lighting, ease of management personnel of the classroom management.This design of classroom lighting intelligent managementsystem to solve the tradit

13、ional function of a single switch lighting system structure can only be contrived control objects such shortcomings can not be automated. Taking full advantage of the natural light, reducing the excessive energy waste.Keywords: Intelligent Control System, RS485 bus, Communication Protocol， Lighting

14、Management,Sensor目录摘 要 1Abstract 2目录 3第1章绪 论 41.1 教室照明智能管理系统的概述 41.2 教室照明系统的现状与发展 5第 2 章系统方案 62.1 教室照明智能控制网络的选择 62.2 教室节点的控制方案 82.3 教室照明智能管理系统总体方案阐述 8第 3 章功能与控制模块 93.1 教室灯光智能控制系统功能概述 93.2 单元模块的选择及原理图 10第 4 章 硬件结构 144.1 硬件结构概述 144.2 通信网络架构 154.3 节点单片机子系统 17第 5 章 软件系统 185.1 软件系统设计 185.2 信号采集设计 20第六章 总

15、结 21参考文献： 22程序 错 误 ! 未定义书签。第 1 章 绪 论随着社会经济和科学技术的发展， 能源损耗的问题日益突出 我国教室甚至 是公司企业等室内公共场所灯光的智能控制相对缺乏和不完善， 大多数是传统式 的人工管理， 造成很多不必要电能浪费和经济损失， 这种浪费与当今的节能理念 相违背。此外， 随着计算机技术的普及和自动化程度不断提高， 自动控制灯光的 措施还是非常有必要实施的。为了尽最大的可能节约资源，减少不必要的资源浪费，本文设计了一套 可以有效的实现教室灯光的智能控制。 其输入参数主要是人体存在信号和环境光 强度信号等外界因素。 环境光的强度达到一定值时不开灯， 环境光强度在

16、一定阀 值以下且有人存在时开灯，实验证明这种方案可以实现对教室灯光进行智能控 制。1.1 教室照明智能管理系统的概述当今许多教室采用比较传统的照明系统： 在主电源经过一个配电箱分出多个 支路，这些支路再分别向灯具供电， 然后再通过串接在照明中的单双极开关来通 断供电线路，所以该控制系统只能通过开关来控制灯具，无法实现比较人性化、 多功能化的系统管理。 如在国内外有些灯光控制系统采用声控形式但是其没有经 过单片机等芯片的处理使用仍是将采集信号处理后传递给逻辑电路来进行灯光 控制，假使外界条件恶劣如有噪声等仍会造成电能的浪费， 而且逻辑电路只能实 现较少功能，综合而言，整个系统虽然简单但是功能不全

17、， 而且无法人性化控制。 现代自动化程度不断提高， 计算机技术不断普及应用， 教室灯光系统也应朝着更 人性化智能化得方向发展。照明智能管理系统是一种可以自动对周围环境的信号进行采集和判断， 然后 经过微处理器进行对信号的分析和处理，从而使灯光的状态作出适应性的变化。 与传统的普通开关照明相比， 智能灯光照明系统将有助于提高照明控制的智能化 程度，使整个照明系统呈现全自动状态；减轻电能消耗，具有良好的节电效果； 改善室内工作环境， 提高室内人员工作效率； 提高照明系统管理水平， 大大减少 大楼运行、维护和管理费用。这将使得照明智能管理系统更加适用于楼宇的照明。教室照明智能控制可以分为信号采集部分

18、、 信号处理部分、 串口通信三大部 分：信号采集部分，通过传感器元件对周围光照、人员等信号进行采集，是控制 教室内灯光状态的条件因素； 信号处理部分， 是对传感器采集到的信息进行辨别 和处理，将收集到的环境信号转化为电信号； 串口通信， 由于教室节点之间不能 相互进行通信， 只能与主控制室进行通信， 因此选择一种可靠的通信方式至关重 要。系统网络结构一般采用集中式和分散式两种控制方式： 集中式控制管理网络 主要是星型拓扑结构， 系统中由一个位于网络中心的中央总控制器实现对照明系 统的检测与控制策略的实施， 各照明节点的控制和数据处理都要由总控制器来完 成；分散式网络， 所有的子系统都挂接在总线

19、上， 各子系统通过通信协议进行信 息通讯。各子系统可以独立完成照明控制。 如果子系统发生故障， 其影响性只局 限在局部范围，不会扩散到整个系统。在教室照明智能管理系统的设计中，我们要考虑到以下几个特点：（1）低成本：大量的灯具和传感器终端节点是教室控制网络中控制的主要 对象，这种较大规模的网络需要一个低成本的节点组网技术。（2）最低能耗：教室照明智能管理系统是一种能够根据环境的变化进行自 我的调节的系统，确定一个最低能耗的工作点显得非常重要。（3）可维护性：能够在系统主框架不做改动的情况下进行维护和更新，加 入新的电子设备。（4）简单实用：教室照明智能控制系统的的电路一般都比较繁琐，怎么才 能

20、使之简单、实用是个重点，分散式网络系统解决了这一难题。1.2 教室照明系统的现状与发展据国家建设部的统计，全国照明用电量大约占发电总量的10%12%。对照 明场所较多、 照明时间较长的如高等学校这样的单位， 据测算， 其照明用电占学 校用电总量的 40%左右。然而，目前我国大部分高校都依赖人工进行教室灯光的 管理，常出现教室空无一人却灯火辉煌， 只有两三个人却开几十盏灯， 或者白天 光线足够强却依然开灯。 管理员因教室数量巨大而无法及时对所有的教室都实施 有效的控制， 经常出现无人时教室开灯， 光线充足时也开灯， 这就造成了不必要 的电能浪费和经济损失。现代照明除了要满足人的基本生活、 学习要

21、求之外， 将更注重能量的节省和 使用上的便利， 以及满足人类工程学的个性方面的要求。 特别是近年来大厦内利 用计算机工作的人员比例上升，不同视觉要求的工作的数量和复杂程度大大增 加。所以，要做到合理、经济、节能，首先应采用先进成熟的技术和产品，如电 光源、灯具、照明控制设备等， 另外，还要选择合适的照明方式和照明控制系统。 因此，适应不同个人和工作需要， 结合自动调节与手动调节的的智能化照明系统 已经成为必不可少了。而目前常见的智能照明系统也只是主要应用于办公领域、 家居领域、 公共设 施领域。而在这些领域内， 照明控制系统采用声控形式， 其控制形式是将采集到 的声音信号处理后传递给逻辑电路来

22、进行灯光控制， 假使外界条件恶劣， 如有噪 声等仍会造成电能的浪费， 逻辑电路只能实现较少功能， 一般仅适应走廊或门厅 使用，比较成熟点的照明智能控制系统主要是运用在比较大型的酒店。 为了体现 酒店的高品位及自身形象，传统的硬线控制不能满足节能性、智能性、便捷性、 可扩展性的需求， 目前酒店的智能照明控制系统已经具备了多样化、 组合化、数 字化等特点。目前，比较流行的智能照明控制方式按照技术可划分为三类。（ 1 ）基于多线型的控制方式多线型智能照明控制系统由两级网络组成， 上级网是基于以太网的内部局域 网，主要包括系统主机、区域智能控制器及相应工作站，子网是由上位机（ 楼层通讯工作站）和下位机

23、（区域智能控制器）组成的RS-485总线网络。区域智能控制 网络通常可以由调光模块、 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、 手持式编程器和中央控制单元组成， 将上述各种具备独 立功能的模块用独立的通讯线与中央控制单元点到点的连接， 组成一个区域型的 控制网络。（2）基于总线型的控制方式总线型智能照明控制系统与多线型在控制原理上十分相似， 但是由统一的网 络组成，结构简单，主要包括系统主机、智能控制器及智能终端模块，智能控制 器及智能终端模块分布于现场， 在网络中都对应着唯一的地址， 通过一根总线电 缆可以与系统内的任一设备进行通讯。（ 3）基于 IP 技术

24、的控制方式IP 技术智能照明控制系统是目前市场上技术最先进的控制方式， 其控制原理 与总线型系统相似， 但它已经突破了智能控制网络的界限， 直接将照明系统纳入 到以太网络或是In ternet网络中去，利用TCM协议为系统中的每一个控制节点甚 至是网络灯具都分配了全球唯一的IP地址，由于有了双向高速的传输特性，可以 实时远程监控、 设置系统所有设备的安全工作情况， 系统可在网内多个信息终端 实时预警系统故障。第 2 章 系统方案2.1 教室照明智能控制网络的选择在照明智能控制系统中， 教学楼子网的构建是重中之重。 教室网络的选择一 般有以下两个基本原则：一是教室节点的性能要求，如数据传输速率、

25、可靠性、 接入速度等； 另一个就是能否满足设计的功能需求。 一般系统网络结构采用集中 式和分散式两种控制方式，集中式系统是把所有的功能都集成到主服务器上,这样对服务器要求很高 ,性能也不好,优点是便于维护 ,操作简单。 然而这类网络不 利的一面是来自所有终端的模块都由主机完成，这类网络处理速度可能有些慢。 分布式系统是把各地不同地理位置的模块集中起来形成一个系统， 这种性质使得 分布式系统可以减轻服务器的负担， 同时系统设计上具有更大的灵活性， 可为独 立的模块提供特殊的功能。2.11 几种教室组网模型组网模型有许多种， 但是大致可分为两种模型： 无线组网和有线组网。 在针 对实际生活中，各有

26、各的优缺点。无线网络虽然解决了教学楼布线麻烦的缺点， 但是由于无线网络的传输速率慢且不稳定，一直是无线网络无法普及的一大缺 点。有线组网继承了智能家居布线麻烦等传统性的缺点， 另外可扩展性也比较差。 但是有线网络的传输速率快， 使之成为灯光智能控制系统的主流选择。 我们结合 了一下三种教室组网的优缺点，提出了以下三套方案。（1）基于 zigbee 域网协议的无线组网Zigbee 是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术，它是一种介 于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。它此前被称作“ HomeRF Lite ”或 “FireFly ”无线技术，主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，

27、在 数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。 这些传感器只需要很低的功耗， 以 接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器， 因此它们的通 信效率非常高。 最后，这些数据就可以进入计算机用于分析或者被另外一种无线 技术如WiMaX攵集。Zigbee的缺点是传输距离短，只介于10100m之间，对于中长距离的节点 难以控制。（2）基于以太网的局域组网 以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准， 该标准定义了在局 域网（LAN中采用的电缆类型和信号处理方法。以太网在互联设备之间的传输 信息的速度高（速率为 1 01 00M bps ，同时又具有低耗、易于安装和兼容性好等 方面的

28、优势 , 由于它支持几乎所有流行的网络协议 ,所以在大多数系统中被广泛 采用。近些年来 ,随着网络技术的发展 , 以太网进入了控制领域 ,形成了新型的以 太网控制网络技术。以太网的连接方式有总线型和星型两大类： 总线型连接所需的电缆较少、价格便宜、管理成本高，不易隔离故障点、采 用共享的访问机制， 易造成网络拥塞。 早期以太网多使用总线型的拓扑结构， 采 用同轴缆作为传输介质， 连接简单， 通常在小规模的网络中不需要专用的网络设 备，但由于它存在的固有缺陷， 已经逐渐被以集线器和交换机为核心的星型网络 所代替。星型连接的以太网管理方便、 容易扩展、需要专用的网络设备作为网络的核 心节点、需要更

29、多的网线、对核心设备的可靠性要求高。 采用专用的网络设备（如 集线器）作为核心节点，通过双绞线将局域网中的各台主机连接到核心节点上， 这就形成了星型结构。 星型网络虽然需要的线缆比总线型多， 但布线和连接器比 总线型的要便宜。 此外，星型拓扑可以通过级联的方式很方便的将网络扩展到很 大的规模，因此得到了广泛的应用，被绝大部分的以太网所采用。（3）基于RS-485总线的有线组网RS-485 总线通信模式由于具有结构简单、价格低廉、通信距离和数据传输 速率适当等特点而被广泛应用于仪器仪表、智能化传感器集散控制、楼宇控制、 监控报警等领域。RS485专输数据以差分通信，用极性定义了信号的逻辑状态。

30、传输数据高达一千米以上，最高速率达10Mbps并且总线上可挂载的设备可达32以上，满足一般工业及智能家居通信的需求。但RS485总线存在自适应、自保护功能脆弱等缺点， 如不注意一些细节的处理， 常出现通信失败甚至系统瘫痪 等故障，因此提高RS-485总线的运行可靠性至关重要。2.12基于RS-485总线的有线组网用于教室照明智能管理系统的可行性 教室组网是整个教室灯光智能控制系统的神经与核心， 对于教室组网来说必 须满足以下几个特点：（1）可靠性 教室组网要求数据传输的可靠性不能因为干扰或者信道阻塞而下降， 要保证 主控室主机与教室节点之间安全、无差错的数据传输。在RS485总线系统中，由 于

31、存在自适应、 自保护功能脆弱等缺点， 如果不注意这些细节的处理， 就会出现 通信失败甚至系统瘫痪等故障， 为了解决这个缺点， 主机在发送数据时， 特别在 分节点加入了反馈功能， 主机得到其反馈信息在作出相应的措施， 就避免了其缺 点的产生，大大提高了其稳定性、可靠性。（2）低成本性 教室灯光智能控制系统在教学楼的应用中，会有几十个乃至上百个节点， 对于这些节点的开支是相当可观的， 我们采用的大多数是市场上主流的芯片和模 块，但是价钱却很实惠， 可尽可能小为学校节省不必要的开支。 实现真正的低成 本，高性能。（3）可维护性 在教室中设备不会一成不变， 而在实际应用中经常需要添加或者减少一些设 备

32、节点，当设备节点数目发生变动时，系统应该具备一定的机制扩充网络节点， 而不需要改变网络的结构。 在本系统中， 我们针对传统照明智能管理可扩展性差 的缺点，特意多加了许多没有接灯具或者设备的节点， 这些多出来的节点正好补 充了节点变动带来的无法扩展的缺点。2.2 教室节点的控制方案2.21 教室节点具有独立控制灯光能力 室节点布置有可以自主控制控制其节点的控制按钮， 可以使灯具摆脱周围环 境的束缚， 显得更具有人性化。 我们为了实现这种功能特意在教室里安装了可人 工控制的开关，这样使得可以根据人的的特定需求而使得教室灯光状态作出改 变。我们为教室的照明系统设计了三个开关：开、关、自动。当开关调到

33、开时， 灯具强制打开，不管教室内有没人和光照强度如何。开关调到关时，灯具熄灭， 而且传感器也处于关闭状态。 当调到自动挡时， 灯光状态由周围的光照强度和人 员有无的状况决定。2.22 教师节点受主机控制 作为主控制端的主机，应具有能够管理其子系统的功能，起着心脏的作用， 故主机上必须能够同时控制所有的教室的功能。教师的主机安放于主控制室内， 主机上具有开关电源控制， 可以由一个主控制室控制所有教室的灯光状况， 而且 主控制器的开关具有优先级， 它是整个系统的正常工作的主控制按钮。 这样做的 好处就是能够一个地方对多个不同的地方集中式的管理。2.3 教室照明智能管理系统总体方案阐述本文完成的教室

34、灯光智能控制系统是以 RS485为基础，综合了一套自主改编 的通信协议建立起来的一套比较完善的灯光控制系统。 设计目的是将教室中的灯 具设备组建成一个有线网络，使灯具设备具有网络化、自动化、智能化的特征。 在此基础上运用传感器的元件对教室内光照和人员信号进行采集， 通过处理电路 对信号进行处理， 转换为电信号， 传入微处理器。 微处理器具有将电信号识别的 功能，同时控制灯具的输出状态。从功能层次来看， 本文的教室照明智能控制系统由教室设备节点、 教学楼主 机两部分组成。 从网络层次上看， 为教室智能控制系统内部网络。 图 2-1 即为本文总的设计结构图:图2-1教室灯光智能控制系统总结构图教室

35、设备节点包括以下三个部分：收发模块、运算和控制单元、传感模块。 收发模块作为系统中各网络节点的通信接口，进行网络中各节电设备的网络数据或指令的收发。节点的传感模块，主要进行对周围环境的光照强度和人员的探测， 然后检测和控制是否开灯，这种控制或者检测功能需要通过运算和控制单元操作 完成。在本系统中教室设备节点的硬件设备是基于STC 52系列单片机，其他传感器模块等设备为辅。本文介绍的教室照明智能管理系统主机是采用Nios II嵌入式处理器，主机与教室的通讯采用FPGAEP2C35开发平台，其作用是实现主机与教室节点快速 通讯。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(Logic Cell Array )

36、这样一个概念，内部包 括可配置逻辑模块、输出输入模块和内部连线三个部分。现场可编程门阵列(FPGA是可编程器件，与传统逻辑电路和门阵列相比，FPG曲有不同的结构。FPGA利用小型查找表(16X1RAM来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O ,由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加 载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及 各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了 FPGA所能实现的

37、功能。第3章功能与控制模块3.1教室灯光智能控制系统功能概述(1)自然光亮度采集功能要实现室内照明的节能，最根本的问题是要充分的利用自然光， 从而减少电 能的消耗。本系统是在教室内安装光敏电阻，实现对教室内光照信号的采集。 光 照信息作为判断是否亮灯的优先级，如果外界光照强的话，那么即使是教室内有人员存在都不亮灯。(2)人体数量采集功能由于经常出现人走了，教室灯还亮着的情况，这种现象给学校和国家都造成 了很大的经济损失。为了智能的控制教室灯光在人走后灯灭，故在教室内安装热释电人体传感器，用于判断教室内是否有人活动。当识别出有人进入教室时，就 能够发送出信号给控制电路，同时能够计算出教室内的人数

38、。热释电传感器(PIR)是利用了人体向外不断辐射的热红外光波(中心波长约为9.65卩m)在钛酸钡类晶体上产生的热电效应达到感知人体目的的，RE200B热释电传感器为该单元的核心器件。其原理图如下图 3-1所示。；传感器T:R偏置X 电團L U!?M电容封粕内部电盒丄GND图3-1热释电传感器原理图(3) 具有自动控制功能系统根据传感器采集的现场数据为判断依据，并结合人数预测模型，综合判断后，给出控制命令控制灯光状态。本系统利用电压比较器对传感器收集的信号 进行处理，再经过微处理器的控制使得该系统具有自动控制功能。(4) 具有通讯功能每个教室的控制器都是通讯网络中的一个节点，都有独立的地址，能实

39、现与上位机系统的通讯，发送数据并接收命令。系统的通讯网络设计实现远程控制和 整体控制的基础。本课题利用FPGA EP2C35的RS232串行通讯功能和单片机机的 UART串口，并考虑到系统的传输距离和稳定性的要求，设计了利用RS485总线的通讯网络。3.2单元模块的选择及原理图3.21光敏传感器的采用作为教室灯具开关的判断依据，光敏传感器对环境光照的判断起着重要的作用。我们为光敏传感器的设计作出了两种方案：(1)方案一：采用光敏电阻对光照强度的判断由于室内灯光亮度会对光敏电阻对环境光信号的判断产生干扰，所以需要在教室的内外同时安装光敏传感器。教室内部教室外部教室外部光敏传感器由光敏电阻、电压比

40、较器(LM393、LM3914勾成，由单片机进行控制。当教室灯光亮时，室内传感器无法对环境光照强度进行判断，失去其功能，于是在教室外也安装光敏传感器。该传感器同时还具有对教室外部光 强度显示的功能。LM3914是 10位发光二极管驱动器，它可以把输入模拟量转换为数字量输出 驱动10位发光二极管来进行点显示或柱显示。4脚和6脚之间连接有10个精密 分压电阻，7脚和8脚之间是一个参考电压源，9脚为点/柱模式选择，5脚为信 号输入端。其内部结构如图3-2所示。R 100ULED1 z LEDtO100uFLM39144 5GND o12 11 1089IB 1716 15 1413图3-2 LM39

41、14结构电路图(2)方案二：基于BH1750芯片对光照的采集主控器通过 IIC (Inter Integrated Circuit、通讯接口读取 BH1750采集到的数据，然后按照用户要求的形式通过界面将数据呈现从系统的框架图可 以看出，使用BH1750搭建测光系统相对比较简单.因此，开发人员可以很容易 地将此IC嵌入到其他需要测光功能的系统中，从而降低系统的复杂度.BH1750只需占用主控器的3个I/O端口就可以正常工作。如果系统需要是 采用多片此IC,则每两片BH1750可以共用这3个I/O端口，只需将其中一片 的地址脚ADDR接高电平，另一片接低电平就可以互不干扰。主控器将通过不同地址访

42、问不同ICo BH1750接线图如图3-3所示。3.22热释电传感器人体检测单元热释电红外传感器是一种新型敏感元件，制造热释电红外传感器的高热材料 是一种广谱材料，它的探测波长范围为 0. 2209m为了对某一波长范围的红 外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。 此滤波片只 允许某些波长范围的红外光通过， 而阻止灯光、阳光和其它红外光通过。采用热 释电传感器的优势是成本低，不需要用红外线或电磁波等发射源，隐蔽性好，可流动安装，灵敏度高、控制范围大。热释电红外传感器利用热释电效应，能以非 接触形式检测出人体辐射的红外线， 并将其转变为电压信号同时，它还能鉴别出 运动的生物与

43、其他非生物。RE200B的 D C、S端分别为电源端、地端和目标输 出电压端输出信号VO接单片机，如图3-4为热释电传感器外接电路图。继电器驱动接口电路如图3-5所示，这里继电器由相应的PNP型号的59012 三极管来驱动，开机时，单片机初始化后的P3. 5/P3. 6为高电平，三极管截止， 所以开机后继电器始终处于释放状态，如果P3. 5/P3. 6为低电平，三极管的基极就会被拉低而产生足够的基极电流， 使三极管导通，继电器就会得电吸合，从 而驱动负载，点亮相应电灯。继电器的输出端并联 100欧的电阻和6800皮法电 容,目的是避免继电器吸合与释放期间产生火花。 每个继电器都有一对常开常闭

44、的触点，便于在其他电路中使用，继电器线圈两端反相并联的二极管是起到吸收 反向电动势的功能，保护相应的驱动三极管，这种继电器驱动方式硬件结构比较 简单。P3.5为低时维恥器含L.anripOui ikj ntT2J3COM2P NV 9012图3-5继电器驱动电路图3.24各节点稳压电源单元稳压单元采用LM7805线性稳压集成电路构成，输入电压范围5-35V，输出稳压5V直流电，最大电流可达1.5A。D1与D2两只二极管分别为电容反向放电 电压保护二极管和防反接保护二极管。如下图3-6所示。WEZXD3MBir017X02zxmMB图3-6各节点稳压电源电路图第4章硬件结构4.1硬件结构概述主机

45、为整套教室灯光智能控制系统的核心，其通过RS485总线网络与下属单 片机子系统通信。单片机子系统以反馈的方式回应主机的循环问询，达到上报传 感器信息，执行控制命令的功能。单片机子系统与单片机子系统间不直接通信，由主机完成信息的收集与控制功能。如下图4-1所示。图4-1教室智能灯光管理系统硬件框架图通过主机连接显示器，对系统当前状态进行输出显示。显示器件采用的是 1602液晶显示器，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。 它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字 符,每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距 的作用。

46、如图4-2所示为1602液晶显示器与主控制器的连接图。U 1! 7A&TR2.UA9- 川 P9 21&1 D L l如1 讯Al 2* 皿占刚J 円Si 4匹r.yfsu PJ-1frtE- 旳遍匚时.P3vF尸了 PF二-FBqhtBa亠图4-2 1602液晶显示器与主控制器连接图1602采用标准的16脚接口，其中：第1脚：VSS为电源地第2脚：VCC接5V电源正极第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时 对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器 调整对比度）。第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指

47、令 寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平1时进行读操作，低电平0时进行写操作。第6脚：E（或EN）端为使能（enable端,高电平1时读取信息，负跳变时执行指令。 第714脚：D0D7为8位双向数据端。第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。4.2通信网络架构4.21 RS485标准介绍电子工业协会（EIA）于1983年制订并发布RS485标准，并经通讯工业协会（TIA）修订后命名为TIA/EIA-485-A，习惯地称之为 RS485标准。RS485标准是为弥补RS232通信距离短、速率低等缺点而产生的。RS485标 准只规定了平衡发送器和接收器的电特性，而没有规定接

48、插件、传输电缆和应用层通信协议。RS485数据信号采用差分传输方式（Differential Driver Mode ）,也称作 平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为 A,另一线定义为B,如下图 4-3所示。图4-3 RS485逻辑示意图通常情况下，发送发送器 A B之间的正电平在+2 - +6V,是一个逻辑状态； 负电平在-2 - -6V，是另一个逻辑状态。在RS485器件中，一般还有一个“使能” 控制信号。“使能”信号用于控制发送发送器与传输线的切断与连接，当“使能” 端起作用时，发送发送器处于高阻状态，称作“第三态”，它是有别于逻辑“ 1” 与“0”的第三种状态。对于接收发送器，

49、也作出与发送发送器相对的规定，收、发端通过平衡双绞 线将A-A与B-B对应相连。当在接收端 A-B之间有大于+200mV的电平时，输出 为正逻辑电平；小于-200mV时，输出为负逻辑电平。在接收发送器的接收平衡 线上，电平范围通常在200mV至 6V之间。定义逻辑1 （正逻辑电平）为BA的状态，逻辑0 （负逻辑电平）为AB的 专题，A、B之间的压差不小于200mV.TIA/EIA-485串行通讯标准的性能如表格所示:规格TIA/EIA-485传输模式平衡电缆长度90Kbps4000ft(1200m)电缆长度10Mbps50ft(15m)数据传输速度 10Mbps最大差动输出6V最小差动输出1.

50、5V接收器敏感度0.2V发送器负载（欧 姆）60最大发送器数量32单位负载最大接收器数量32单位负载RS485标准的最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10Mbps通常，RS485网络采用平衡双绞线作为传输媒体。平衡双绞线的长度与传输 速率成反比，只有在20kbps速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有 在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般来说，15米长双绞线最大传输速率仅为1Mbps注意：并不是所有的RS485收发器都能支持高达10Mbps的通讯速率。如果 采用光电隔离方式，则通讯速率一般还会受到光电隔离器件响应速度的限制。RS485网络采用直线拓扑结构，需要安装 2个终端匹

51、配电阻，其阻值要求等 于传输电缆的特性阻抗（一般取值为120Q）。在短距离、或低波特率波数据传输时可不需终端匹配电阻，即一般在 300米以下、19200bps不需要终端匹配电 阻。终端匹配电阻安装在RS485传输网络的两个断点，并联连接在A-B引脚之间。RS485标准通常被用作一种相对经济、具有相待高噪声抑制、相对高的传输 速率、传输距离远、宽共模范围的通信平台。同时，RS485电路具有控制方便、成本低廉等优点。在过去的20年时间里，建议性标准 RS485作为一种多点差分数据传输的电 气规范，被应用在许多不同的领域，作为数据传输链路。目前，在我国应用的现 场网络中，RS485半双工异步通信总线

52、也是被各个研发机构广泛使用的数据通信 总线。但是基于在RS485总线上任一时刻智能存在一个主机的特点，它往往应用 在集中控制枢纽与分散控制单元之间。4.22 URRT-RS485总线集线器目前单片机、计算机普遍使用的是串行接口UART标准，UART为单端通信模式，而RS485为差分通信模式并不直接兼容。为了适应本管理系统的应用情况， 利用UART与 MAX48驱动芯片，以TTL信号为中介、构建 UART-RS48转接器与总线集线器。三极管Q1与MAX48双向使能端连接，构成自动换向电路。如下图4-4所示。9 STC89C5240vcc RXD10 1Ph 7； vssTX0RXD VCC RE

53、 B DE aTXD20MAX485C图4-4 uart-485总线集线器电路图4.3节点单片机子系统单片机子系统由STC52系列单片机构成最小系统，通过 MAX48驱动芯片将 单片机UARTS 口的TTL信号接入RS485总线网络。单片机子系统自身并不集成 功能设备，但预置多组统一形式的接口，不断扩展功能型外挂设备。如下图4-5所示。P20 P2 1 P2 2 P23 芮4AT89C51图4-5单片机最小系统电路图貂瞬rPX6P27ALEES poo PO I POJ K).3 P04 P0.5 PO.A第5章软件系统5.1 软件系统设计教室节能系统采用单片机和FPGA组成的系统对学校教室照

54、明设备进行控制 和管理，教室亮度的检测、教室学生人数的统计、教室灯光使用状态的监控。整 个系统由教室检测单元、控制单元、通信单元等组成。单片机可以实现对教室内 的教室检测控制元所采集到的信息的接收、处理，并且由1602显示器显示教室状态，从而可以很轻松的对教室用电设备开关状况、光照强度、教室的学生人数， 教室使用状态等进行实时监控和统计。对于通讯网络部分，教室信号通过RS-485 串行方式与主机通信。检测控制单元：照明强度采集是采用光敏传感器与单片机 构建的数据采集网络，教室是否有人和人数是用热释电传感器通过检测电路与单 片机相连进行数据采集。5V供电FPGA继电器组教室照明灯1602显示V=

55、MAX485548通讯线图5-1主控系统框图STC89C52热释电 检测电路室内外光敏传感12V 供电源电路220V图5-2节点控制框图智能教室控制系统的设计的目的就是为了实现教室用电设备的合理使用，节约能源以及改善教学管理，提高教室用电效率。在设计过程中，系统可以实现的 功能则可以概括为以下几个方面： a:教室检测控制单元数据采集系统的底层设备教室检测控制单元具有自动采集功能， 自动采集就是教室检 测控制单元可以连续的对周围的环境的信号进行采集，不依赖于人的控制。控制 器通过RS-485通讯信道将根据需要采集相应的数据信息传送到主机，主机再经RS-485通讯信道传送把命令传输到教室检测与控制单元。b:教室远程端控制功能在远程控制中，往往都要使用远程控制软件。而这样的软件一般分为两部分， 一部分在本地主机上安装，使主机成为控制端，另一部分在现场控制器上安装， 使现场控制器为服务端，也就是被控制端。通