智能照明控制系统的设计

兰州交通大学本科毕业设计（论文）摘要针对学校教学楼等各种场合照明系统电能浪费严重的现象及对照明效果的要求，提出了一种节能控制的新方法，实现了节约能源以及舒适照明的良好效果。为达到教学楼照明智能、节能的目的，本文设计了基于C51单片机的校园教学楼宇智能照明系统，包括日光强度测量电路、热释电红外人体测量电路、数字可调光电子镇流器和灯具及配套的软件。系统以C51为控制核心，通过RS2485通信接口及RS2232/485电路完成与PC机通信,实现对每个教室工作状态的监控及工作参数的设置，并选用上位机实现各教室照明系统的网络化管理，实现了智能控制、节约能源的目标。每个教室等场所的照明单独控制，某个场所的照明系统出现问题不会影响到其他场所的正常照明控制。每个照明场所的照明管理实现了智能控制与人工应急控制相结合，在中央控制室可以对每个场所的照明进行实时监测与控制，可以实现自动照明场景转换，配合学校各种照明场所的照明需要。该系统的设计实现了智能控制与绿色照明，节约能源的完美结合，为学校节约能源的同时，也为学生，老师提供了良好的学习办公环境，美化了校园，提高了校园的管理水平。测试结果表明，系统达到设计技术指标，调光误差低于5%,满足教学楼照明要求。关键词：智能控制双元型热释电红外传感器 绿色照明单片机AT89S52ABSTRACTBasedonmanyoccasionssuchaslightingsystembuildingenergywasteisseriousphenomenonandtherequirementoflightingeffect,thispaperputsforwardanewmethodofsavingenergycontrol,realizetheenergysavingoflightingandcomfortablegoodeffect.Toachievetheteachingbuildinglightingintelligence,thepurposeofenergy-savingdesign,thispaperbasedonC51microcontrollercampusteachingbuildingintelligentlightingsystem,includingsunlightintensitymeasurementcircuitandpyroelectricinfraredhumanmeasurementcircuit,digitaladjustablephotoelectronballastandlampsandlanternsandrelatedsoftware.SystemwithC51ascontrolcore,RS2485throughcommunicationinterfaceandRS2232/485circuitandPCcommunications,■I兰州交通大学本科毕业设计（论文）realizetheworkingstatusofeachofthemonitoringandworkingparametersSettings,andrealizetheclassroomcomputernetworkmanagementoflightingsystem,intelligentcontrol,energysavinggoal.Eachclassoftheplacesuchaslightingcontrolalone,aplaceoflightingsystemproblemswillnotaffectotherplacesnormallightingcontrol.Everyplaceofilluminationlightingandintelligentcontrolandmanagementoftheartificialemergencycontrol,combiningincentralcontrolroomineachplacecanreal-timemonitoringandcontrollighting,canrealizetheautomaticilluminationsceneconversion,coordinatestheschoolplacesoflightingillumination.Thedesignofthesystemrealizedintelligentcontrolandgreenlighting,theperfectcombinationofenergysaving,energysavingforschool,butalsoforthestudent,teacherprovidesagoodlearningenvironment,beautificationofficeofthecampus,improvethemanagementlevelofcampus.Testresultsshowthatthesystemdesign,technicalindexdimmingerrorlessthan5%,satisfybuildinglightingrequirements.KeyWords:IntelligentcontrolDualpyroelectricinfraredsensorGreenlightingMCUAT89S52目录TOC\o"1-5"\h\z摘要 IABSTRACT I1绪论 错误!未定义书签。2智能照明系统发展趋势 3智能照明系统的应用前景 3\o"CurrentDocument"照明控制的几种方式 3\o"CurrentDocument"传统照明控制方式 3自动照明控制方式 兰州交通大学本科毕业设计（论文）TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"智能照明控制方式 4智能照明控制系统的优越性 5达到良好的节能效果，延长灯具寿命 5\o"CurrentDocument"改善工作环境，提高工作效率 5\o"CurrentDocument"实现多种的照明效果 5\o"CurrentDocument"提高管理水平 5\o"CurrentDocument"较好的投资收益效果 6\o"CurrentDocument"电气照明节能因素的分析 63总体方案设计 7\o"CurrentDocument"办公楼建筑电气照明节能的设计原则 7办公楼建筑电气照明节能的设计措施 9光源选择原则 9\o"CurrentDocument"灯具选择原则 9\o"CurrentDocument"照明配电 9\o"CurrentDocument"方案论证 10\o"CurrentDocument"方案一：采用ZigBee无线解决方案 10\o"CurrentDocument"方案二：采用RS2485和RS2232标准相结合有线解决方案 12\o"CurrentDocument"系统构成 154校园照明控制系统的基本组成部分 17主控中心 17\o"CurrentDocument"RLINK通讯装置 17\o"CurrentDocument"照明控制器 17\o"CurrentDocument"可编程开关 17\o"CurrentDocument"红外线感应器（E5751L） 17\o"CurrentDocument"照度传感器 18\o"CurrentDocument"电话通讯装置 18\o"CurrentDocument"蜂鸣器报警装置 185系统硬件设计 19兰州交通大学本科毕业设计（论文）TOC\o"1-5"\h\z5.1日光强度检测模块设计 19\o"CurrentDocument"5.2室内进出人数测量单元设计 20\o"CurrentDocument"双元型热释电红外传感器判断人体运动方向的原理 20\o"CurrentDocument"信号处理电路设计 21\o"CurrentDocument"无线遥控模块电路 23\o"CurrentDocument"执行机构驱动电路设计 24\o"CurrentDocument".5控制、存储单元设计 24\o"CurrentDocument"单片机及外围电路 24基于人体特征检测的智能照明设计 25设计思想 2\o"CurrentDocument"人体特征检测方法和数学模型的建立 26\o"CurrentDocument"灯具亮度的算法 2\o"CurrentDocument"6系统的软件设计 327校园各部分的具体设计方案 33教学楼 33\o"CurrentDocument"图书馆 33\o"CurrentDocument"体育馆 34\o"CurrentDocument"行政中心 34\o"CurrentDocument"学校园区 34\o"CurrentDocument"办公走廊等公共场所 35\o"CurrentDocument"多功能厅照明控制系统 35\o"CurrentDocument"8系统测试 369问题讨论 37结论 38致谢 39参考文献 40兰州交通大学本科毕业设计（论文）1绪论介绍智能照明系统及单片机本课题的来源随着全球能源问题日益突出和我国科技经济逐步发展，节约能源已是世界发展的趋势，而现代建筑物的能耗相当大，据有关统计资料显示，建筑的能耗达整个国家能耗总量的30%，建筑物的能耗通常体现在建筑设备的能耗上。建筑物的设备能耗按不同类别划分，照明及办公设备用电占建筑设备用电的 39%。建筑节能成为建设节约型社会的重要方面。根据建设部确立的建筑节能要求的具体措施与发展方向，节能工作已在全国范围内全面启动、实施。能否降低建筑电气照明能源标准，提高建筑电气照明的能源利用率，是建筑节能设计中的重要环节。课题研究的目的意义在照明领域，照明控制起到了重要的作用。传统的照明控制是在靠近回路处加上开关，由开关来控制照明。很难达到“由管理室对全体照明实行成批监视、控制”，“在现场也可以灵活控制照明”的要求。而智能照明系统是先进、节能、便于管理的配线系统。世界经济结构向国际化和高增值型方向发展信息行业 和计算机产业猛增信息时代的前进步伐将越来越快传统的工作经济遭到网络知识经济的强有力地挑战；楼宇自动化（BA）、通信自动化（CA）、办公自动化（OA）、家庭自动化（HA）飞速发展；人们的物质与精神生活水平迅速提高，对工作和生活不断地追求灵活、高效和舒适，对照明的要求也越来越高。因此传统的照明控制技术受到了时代的强烈冲击，计算机技术、网络通信技术、现代控制技术不断地渗入到照明控制系统中来 ，所谓的“智能照明”技术随之出现并迅速向前发展，以至形成未来照明发展的一个重要趋势。作为用电大户的各总大、中、小学校，照明时间长，照明场所多 ，照明用电超过本单位所有耗电量的40%。学校教学楼内灯具大多采用手动控制，即使严格管理，仍不可避免地出现忘记关灯的时候，教室出现“长明灯”的现象屡见不鲜，造成巨大的能源浪费。另外，因为线路及灯具选型的不足，很多教室的照明效果达不到国家要求的照明标准，这也是造成学生视力下降，影响学习效率的一大因素。因此把绿色照明，节约能源的观念带进教学楼照明系统的设计中具有十分重要的意义。兰州交通大学本科毕业设计（论文）本文的主要内容设计一种基于C51单片机的校园教学楼宇智能照明系统。首先通过对智能照明系统的结构原理出发，建立由日光强度测量电路、热释电红外人体测量电路、数字可调光电子镇流器、灯具及配套的软件构成的照明系统整体方案。然后详细描述智能照明系统涉及到的各种传感器设计， 提出以C51为控制核心，通过RS2485通信接口及RS2232/485电路完成与PC机通信组网方案设计，实现对每个教室工作状态的监控及工作参数的设置，并选用上位机实现各教室照明系统的网络化管理，以实现智能控制、节约能源的目标。兰州交通大学本科毕业设计（论文）2智能照明系统发展趋势智能照明系统的应用前景自1789年爱迪生发明碳丝白炽灯以来电光照明便与人们的生产、生活密不可分。发展至今，一方面，照明用电在国民用电总量中占到相当的比率（一般为10%〜20%），对于建筑物而言，照明负荷一般约占整个建筑物用电负荷的 30%左右，推广节能照明对于提高能效，保护环境而言意义重大。另一方面，照明设计已由原来单纯以照度、均匀度、眩光、显色指数等物理量作为设计标准和评价指标 ，发展到综合考虑人的视觉特性、舒适感、照明艺术等因素的总体效果评价。技术的进步与社会的发展以及人们对照明越来越高的要求，促使照明系统向高效、节能、环保与灵活、舒适、人性化方向不断进步。照明控制系统也由传统 控制模式发展成为数字化、分布式、集成化的智能照明控制系统。作为现代建筑重要组成部分的照明系统，面对不断发展的需要，要求照明系统智能化，具备场景模式等复杂功能，便于控制、监管，并能与安防、三表等系统集成。微电子技术、网络通讯技术的纵深发展 ，照明控制技术面临革命性的变革，变革所呈现的三大趋势是：电子化一电子元器件替代传统的机械式开关；网络化一网络通讯技术成为智能照明系统的技术平台；集成化一系统集成技术平台使照明、安防、上网成为一个整体解决方案。照明控制的几种方式根据光源的种类不同，照明控制一般可分为开关控制和调光控制。对于热辐射型光源，可以实现连续调光的功能，而对气体放电灯来说，除了低功率的气体放电灯配置可调光的电子镇流器外，只能实现开关控制的功能。在照明设计中，合理和正确地选用照明控制方式是实现照明艺术性和舒适性的有效手段 ，是达到绿色照明和节约能源的有效措施。照明控制方式多种多样，按其实现方式大致可分为以下3种：传统照明控制方式传统照明控制方式主要以手动控制为主 ，依靠供电回路中的手动开关来控制回路的通断，实现灯具的开关控制；利用供电回路中的手动调节元件来调节回路的电压以实现调光控制。传统方式相对简单、有效、直观 ，但它过多依赖手工操作整个系统相对分散，无法实现有效地管理，其适时性和自动化程度太低。传统 3 兰州交通大学本科毕业设计（论文）的照明系统目前仍被广泛使用，其基本结构是动力线根据设备控制需求进行分线用机械式开关直接控制电源的开与关；其特点是动力线与控制线重叠，不存在控制信息流的概念。此类照明系统原理简单直观，缺点是一旦完成后，系统就固定、无法再改动。此外，要实现复杂的控制要求，如实现总控制模式或场景模式时，布线量呈几何级数增加，同时降低了系统的可靠性，并导致安装费用、维护工作量的增加。随着大量智能楼寓住宅的推出 ，管理人员和住户对照明系统提出形形色色的个性化要求，而传统的照明控制对此无能为力。自动照明控制方式该控制方式利用DDC技术遥控灯具的开关，通常是控制中心发出信号，通过直接数字控制器控制供电回路中接触器的分、合 ，从而控制供电回路的通、断 ，实现灯具开关控制。采用该方式，解决了传统控制方式的相对分散和无法有效管理等问题，实现了照明控制的自动化，但却无法实现调光控制功能 ，有很大的局限性。随着人们对照明品质的要求不断提高，自动照明控制方式同样无法满足现在越来越高的照明需求。智能照明控制方式20世纪90年代初，随着计算机技术和网络技术的飞速发展 ，办公自动化、楼宇自动化、家庭自动化的出现 ，人们对照明控制提出了更高的要求 ，从而产生了智能照明控制方式。所谓智能照明控制 ，就是根据某一区域的功能、每天不同的时间、室内外亮度或该区域的用途来自动控制照明设备 ，能够实现集中统一管理与监控的功能。结合现代照明技术和艺术 ，实行科学的管理照明设备，让人们不仅在一个照明技术参数指标达到标准的要求 ，而且舒适、明亮并富有艺术魅力的照明环境里工作和生活。智能照明控制是楼宇自动化系统的一个子系统 ，可以不再依赖于楼宇设备自动管理系统而独立运行。它不仅可以实现开关控制和调光控制，还可以预设许多灯光场景，根据时间、场所的功能、室内外照度自动调整场景。从智能照明控制系统的组成方式看，主要有总线型、电力线载波型、无线网络型等。例如在市场中出现的澳大利亚奇胜 C2Bus总线、ABB公司的i2bus总线、邦奇Dynet总线、Philips的DALI总线、日本松下的HBS总线以及X210的电力线载波协议等。兰州交通大学本科毕业设计（论文）智能照明控制系统的优越性达到良好的节能效果，延长灯具寿命节能是照明控制系统的最大优势。传统的楼宇公共区域照明工作模式，只能是白天关灯，晚上开灯。而采用了智能照明控制系统后，我们可以根据不同场合、不同的人流量，进行时间段、工作模式的细分，把不必要的照明关掉，在需要时自动开启。同时，系统还能充分利用自然光，自动调节室内照度。控制系统实现了不同工作场合的多种照明工作模式，在保证必要照明的同时，有效减少了灯具的工作时间，节省了不必要的能源开支，也延长了灯具的寿命。智能照明控制系统借助各种不同的“预设置”控制方式和控制元件，对不同时间不同环境的光照度进行精确设置和合理管理，实现节能。这种自动调节照度的方式，充分利用室外的自然光，只有当必需时才把灯点亮或点到要求的亮度，利用最少的能源保证所要求的照度水平，节电效果十分明显，一般可达30%以上。改善工作环境，提高工作效率良好的工作环境是提高工作效率的一个必要条件。合理地选用光源、灯具及性能优越的照明控制系统，都能提高照明质量。智能照明控制系统以调光模块控制面板代替传统的平开关控制灯具，可以有效地控制各房间内整体的照度值，从而提高照度均匀性。同时，这种控制方式内所采用的电气元件也解决了频闪效应，不会使人产生不舒适、头昏脑胀、眼睛疲劳的感觉。实现多种的照明效果多种照明控制方式，可以使同一建筑物具备多种艺术效果，为建筑增色不少。现代建筑物中，照明不单纯地为满足人们视觉上的明暗效果，更应具备多种的控制方案，使建筑物更加生动，艺术性更强，给人丰富的视觉效果和美感。一栋建筑物中，室外景观照明、泛光照明可以预设为春夏秋冬四季变化，周末节假日场景，大型庆典场景；会客厅、会议室等可以预设会议、投影、会间休息等不同场景。在传统的人工控制方式下，难以实现如此多种多样的照明效果。提高管理水平智能照明控制系统是以自动控制为主、人工控制为辅的系统。在一般的情况下，不需要有人的参与，照明系统自动实现开关和调光功能。既大大减少了管理人员的数量，也排除了由于人为因素而出现的不定时开关，影响学校的正常教学、生活秩序的情况出现。

兰州交通大学本科毕业设计(论文)较好的投资收益效果智能照明控制系统在节能和节省灯具使用的同时，有效节省了电费与管理费用的支出。根据一般的办公大楼运营的经验来看，节能效果能达到 40%以上，一般的商场、酒店、地铁站等节能效果也能达到25%~30%；学校在这方面还没有得到具体的统计数据，但根据分析，效果还是令人满意的。电气照明节能因素的分析电气照明设施的耗电量可表示为W=TW=T(Pr+Pl+Ps)(2-1)Ps=①/1000(2-2)式中W 电气照明设备耗电量(kWh)T 照明设备使用时间(h)Pr 配套照明设备的损耗功率(kW)Pl 配电线路与开关设备的损耗功率 (kW)Ps 光源由电能转换为可见光所消耗的功率 (kW)① 光通量(lm)n 发光效率(lm/W)由光通量公式可知(2-3)①=EminZSk/KUN(2-3)式中Emin 标准照度的最低值或工作面上的最低照度值 (lx)Z 最低照度系数S 房间面积(m2)k 照度补偿系数KU 光通量利用系数N 灯具效率从式(2-1)、(2-2)、(2-3)可知，照明设备的耗电量与T、Pr、Pl、n、Emin、Z、S、k、KU、N等因素有关。在进行照明节能设计时，充分利用这些系数(或适兰州交通大学本科毕业设计(论文)当处理)可以节约大量电能。Pr是光源配套的电器附件(镇流器等)的损耗功率，通常选用节能型电感式镇流器或电子镇流器来减少能耗。Pl是配电线路与开关设备的损耗功率。保证电压质量 ，降低线路阻抗，选择质量好的开关，能避免不必要的损耗。n是研究和选择光源的重要标志之一。白炽灯：10〜20lm/W;荧光灯：50〜90lm/W;高压汞灯：40〜60lm/W;高压钠灯：80〜140lm/W。根据各光源的发光效率和工程具体情况来选择有利于节能的光源，是设计的基本原则。Emin是标准照度的最小值。在规范中已明确规定了标准照度值 ，设计时可参考此值。Z、KU、N都是灯具的指标。一般选用效率高于 70%、各项指标衰减速度慢的灯具。照度补偿系数k取决于环境。保持环境清洁，做好灯具擦洗维护，也是节能的一部分。掌握照明设备使用时间是节能的关键。3总体方案设计办公楼建筑电气照明节能的设计原则1)在保证照明质量的前提下，提高整个照明系统效率，节约照明用电。2)照度标准值、照明均匀度、统一眩光指数 (URG)、光色、照明功率密度值(LPD)、能效指标等标准值的综合要求应符合GB50034—2004《建筑照明设计标准》。3)遵循规范中规定的各项照明指标 ，如表3-1所示。其中照明功率密度值(LPD)是照明节能的重要评价指标。不同种类的场所有不同的功率密度值 ，各房间或场所的照明功率密度值不应大于规范中规定的值。4)选择合适的照明方式。会议室、开标室、多功能厅等要求高照度的场所 ，选用混合照明的方式；办公室等工作位置密集的场所，选用一般的照明方式。5)达到绿色照明工程。绿色照明是通过科学、合理的设计方法 ，采用高效率照明光源、灯具和电器附件，以节约能源，保护环境，增强公众节能、环保意识，建立优质高效、经济舒适、安全可靠、保护身心健康的照明环境 ，以提高人们的生活质量和工作效率。兰州交通大学本科毕业设计（论文）在建立优质高效的照明环境基础上，实施绿色照明。良好的照明质量是绿色照明的重要内容之一。照明质量主要包括良好的显色性能、相宜的色温、较小的眩光、较好的照度均匀度、舒适的亮度比、优质高效的照明器材 ，是实施绿色照明的重要因素，而光源又是其中的第一要素。高效光源有多种类型 ，如直管荧光灯、紧凑型荧光灯和高强度气体放电灯（HID）,其特点不同，应用场所也不同，都应给予重视。除光源外，还有灯具和与光源配套的电器附件（如镇流器等），这些对提高照明系统效率和照明质量都具有重要意义。不仅要注重节能本身，更要注重保护环境，这样才能做到真正意义上的绿色照明。降低能耗，减少发电导致的有害气体的排放，降低制灯的有害物质量（如汞、荧光粉等），建立灯管的回收制度，降低灯具、电器附件的耗材量等，都直接或间接影响到环境的保护。重视照明工程设计以及重视对优质高效的照明器材的维护、管理。工程设计是制订总体方案、统管全局的要素。设计时要合理确定照度及照明方式 ，正确选用适宜的光源、灯具，合理布置，保证照明质量。如果设计不合理，则优质的照明器材不能发挥最有效的作用，降低了照明效果。此外，在运行使用中，还应进行科学、合理的维护与管理，以达到设计的预期目标。表3-1各项照明指标房间或场所参考平面及其高度照度标准值/lxURG显色指数RaLPD/（W/m2）现行值目标值办公室、会议室0.75m水平面300/lx1980119展示大厅大堂0.75m水平面300/lx22801311多功能厅0.75m水平面300/lx22801815餐厅0.75m水平面200/lx22801311接待室、前台0.75m水平面300/lx80119文件整理、复印、发行室0.75m水平面300/lx80119资料、档案室0.75m水平面200/lx80878兰州交通大学本科毕业设计（论文）自动扶梯地面150/lx60电梯前厅地面150/lx80休息室地面100/lx2280储藏室地面100/lx60卫生间、浴室地面75/lx60车库地面75/lx2860变配电室地面200/lx608水泵房等设备用房地面100/lx605办公楼建筑电气照明节能的设计措施光源选择原则1）满足场所使用对显色性的要求，选择合适的色温。2）采用高效光源。灯的效率是指所消耗的电能中有多少可转变为可见光。灯的效率越高，达到同一照度时就越省电，如白炽灯发光效率为15lm/W,三基色荧光灯发光效率为90lm/W。因此在可以采用荧光灯的场所应尽量不采用白炽灯。3）光源发光稳定。包括限制电压波动和偏移造成的光通变化 ，以及电源交变导致的频闪；且光源应有良好的启点特性。4）使用寿命长，性价比高。灯具选择原则1）选择发光效率（n）高的灯具。n取决于反射器形状和材料、出光口大小、漫射罩或格栅形状和材料。2）灯具配光应适应场所条件，按室空间比（RCR）选择灯具的配光，以提高利用系数。3）眩光限制符合使用场所要求。4）符合环境条件的IP等级。5）选用光通维持率高的灯具，涉及反射面、漫射罩、透光罩材料抗老化、防静电性能及维修性能。照明配电.稳定电压。当光源端电压升高时、电耗增加，设计中应考虑采取稳定电压措施。 9 兰州交通大学本科毕业设计（论文）1）采用照明专用变压器，必要时自动稳压。2）与电力负荷共用变压器时，应避开冲击性负荷对照明的影响。.降低线路阻抗，选用适当截面的高质量线缆。.采用照明智能控制系统。照明智能控制系统是一个总线型或局域网型的智能控制系统。所有的单元器件（除电源外）均内置微处理器和存储单元，由信号总线（双绞线或光纤）连接成网络。每个单元均设置惟一的单元地址，通过软件设定其功能输出单元控制各回路负载。输入单元通过群组地址和输出组件建立对应联系。当有输入时，输入单元将其转变为总线信号在控制系统总线上广播。所有的输出单元接收并作出判断，控制相应回路输出。系统通过总线连接成网。照明智能控制系统通常由调光模块、开关模块、控制面板、液晶显示触摸屏、智能传感器、编程插口、时间管理模块、手持式编程器和监控机等部件组成。微照明智能控制系统根据某一区域的功能、每天不同的时间、室外光亮度或该区域的用途来自动控制照明，其中最重要的一点就是可进行预设，即将照明亮度根据一系列设置的功能进行调节。这些设置也称为场景，可由调光器系统或楼宇自控系统自动调用。通过对这些场景的控制，达到降低光输出、节约电能等目的。照明智能控制系统一般可作为楼宇自控系统（BAS）的子系统，应与BAS有接口。公共区域的照明也可直接由BAS控制。方案论证新校园的建设要适应网络时代的发展，应引入智能化的概念。在传统的楼宇自控系统（BA）中，一般只包括了综合布线、计算机网络、安防、消防、闭路电视监控等子系统。照明控制系统可以与楼宇自控系统（ BA）系统集成。提供与楼宇自控系统（BA）系统连接的接口协议和软件协议，集成到楼宇自控系统（BA）中，便于楼宇智能化的集中管理和子系统间的联动。照明控制系统也可以单独建立一个系统，使用专门的通讯装置和编程监控软件，以便设置更理想、更灵活的控制方案。一般的商业楼宇，系统集成是一个不错的选择。但对学校而言，把照明控制系统独立出来，一方面更便于整个校区各楼字照明控制的通讯和统一管理；另一方面，控制系统也可以把一些小功率用电设备 （如电扇、通风口等）的控制纳入其中，简化设计。本次设计基于节约经费并可实现较好的控制效果出发，作为集散控制系统的一个典型事例，设计了无线及有线两套系统集成方案。方案一：采用ZigBee无线解决方案ZigBee简介 10 兰州交通大学本科毕业设计（论文）Zigbee技术是随着工业自动化对于无线通信和数据传输的需求而产生的，Zigbee网络省电、可靠、成本低、容量大、安全，可广泛应用于各种自动控制领域。Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个Zigbee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里；另外整个Zigbee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。ZigBee协议提供了创建多达65536个节点的自组织、低数据率网状网络的功能。存在着不同的ZigBee节点类型。每个网络都有一个位标器，它包含了网络中所有设备的信息，形成网络，并向终端设备分配地址。终端设备接收控制输入并提供状态信息。网络上的设备可以选择承担路由器的功能，它将扩展最大通信距离。ZigBee最主要的优势之一在于，它保证了与其他设备之间的互操作性。所有的ZigBee产品都必须经过测试和鉴定，而且存在标准的控制配置文件，包括一份用于照明的配置文件。这些配置文件定义了用于应用的基本数据结构，但是不存在指令集，对于该应用如何使用数据将由开发人员来决定。例如， ZigBee照明配置文件包括了一张表格，表格中的标准变量存放着照明亮度传感器、占位传感器、灯具照明亮度等状态。典型的ZigBee网络节点（参见图3.1）由一个2.4GHz的802.15.4收发器和一个MCU组成。所实现的ZigBee节点类型将决定协议栈所需要的代码空间，从RFD终端设备需要的20KB到全功能位标器所需要的40KB。ZigBee栈在每台灯具处需要更多的电子开销； 需要更大、带有更多程序存储的MCU以及一个802.15.4收发器；需要额外的软件来处理照明命令以及状态信息的请求。图3.1ZigBee网络节点11兰州交通大学本科毕业设计（论文）方案二：采用RS2485和RS2232标准相结合有线解决方案RS485通信协议介绍：rs485通信协议RS485主从式多机通讯协议：此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构 ，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息按本协议发出。（1）数据在网络上转输控制器通信使用主一从技术，即仅一设备（主设备）能初始化传输（查询） 。其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备返回一消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则从设备不作任何回应。协议建立了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、一错误检测域。从设备回应消息也由协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和一错误检测域。如果在消息接收过程中发生一错误 （无相应的功能码），或从设备不能执行其命令，从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去。（2）在对等类型网络上转输在对等网络上，控制器使用对等技术通信，故任何控制都能初始和其它控制器的通信。这样在单独的通信过程中，控制器既可作为主设备也可作为从设备。在消息位，本协议仍提供了主一从原则，尽管网络通信方法是“对等”。如果一控制器发送一消息，它只是作为主设备，并期望从设备得到回应。同样，当控制器接收到一消息，它将建立一从设备回应格式并返回给发送的控制器。2）传输方式控制器能设置传输模式为RS485串行传输，通信参数为9600，n，8,1。在配置每个控制器的时候，在一个网络上的所有设备都必须选择相同的串口参数。地址功能代码数据数量数据1…….数据nCRC字节每个字节的位1个起始位8个数据位，最小的有效位先发送 1个停止位错误检测域-CRC（循环冗余码校验）3）消息帧12兰州交通大学本科毕业设计（论文）（1）帧格式传输设备将消息转为有起点和终点的帧，这就允许接收的设备在消息起始处开始工作，读地址分配信息，判断哪一个设备被选中（广播方式则传给所有设备），判知何时信息已完成。错误消息也能侦测到并能返回结果。消息发送至少要以10ms时间的停顿间隔开始。传输的第一个域是设备地址。网络设备不断侦测网络总线，包括停顿间隔时间内。当第一个域（地址域）接收到，每个设备都进行解码以判断是否发往自己的。在最后一个传输字符之后，一个至少 10ms时间的停顿标定了消息的结束。一个新的消息可在此停顿后开始。整个消息帧必须作为一连续的流转输。如果在帧完成之前有超过5ms时间的停顿时间，接收设备将刷新不完整的消息并假定下一字节是一个新消息的地址域。 同样地，如果一个新消息在小于5ms的时间内接着前个消息开始，接收的设备将认为它是前一消息的延续。这将导致一个错误，因为在最后的CRC域的值不可能是正确的。一典型的消息帧如下所示：起始间隔设备地址功能代码数据数量及数据CRC校验结束（2）地址域消息帧的地址域包含一个字符8Bit。可能的从设备地址是0-・247（十进制）。单个设备的地址范围是1-・247。主设备通过将要联络的从设备的地址放入消息中的地址域来选通从设备。当从设备发送回应消息时，也把自己的地址放入回应的地址域中，以便主设备知道是哪一个设备作出回应。地址0是用作广播地址，以使所有的从设备都能认识。（3）如何处理功能域消息帧中的功能代码域包含了一个字符 8Bits。可能的代码范围是十进制的1-・255。当然，有些代码是适用于所有控制器，有此是应用于某种控制器，还有些保留以备后用。当消息从主设备发往从设备时，功能代码域将告之从设备需要执行哪些行为。例如去读取当前检测参量的值或开关状态，读从设备的诊断状态，允许调入、记录、校验在从设备中的程序等。当从设备回应时，它使用功能代码域来指示是正常回应（无误）还是有某种错误发生（称作异议回应）。对正常回应，从设备仅回应相应的功能代码。对异议回应，从设备返回一等同于正常代码的代码，但功能代码的最高位为逻辑1。例如：一从主设备发往从设备的消息要求读一组保持寄存器，将产生如下功能代码：00000011（十六进制03H）对正常回应，从设备仅回应同样的功兰州交通大学本科毕业设计(论文)能代码。对异议回应，它返回：10000011(十六进制83H)除功能代码因异议错误作了修改外，从设备将一独特的代码放到回应消息的数据域中，这能告诉主设备发生了什么错误。主设备应对程序得到异议的回应后，典型的处理过程是重发消息，或者诊断发给从设备的消息并报告给操作员。(4)数据域从主设备发给从设备消息的数据域包含附加的信息：从设备用于进行执行由功能代码所定义的行为所必须的数据。如果没有错误发生，从设备返回的数据域包含请求的数据。如果有错误发生，此域包含一异议代码，主设备应用程序可以用来判断采取下一步行动。在某种消息中数据域可以是 0长度。例如，主设备要求从设备回应通信事件记录，从设备回应不需任何附加的信息。数据域最长为 70字节。(5)错误检测域错误检测域包含一字节8Bits。错误检测域的内容是通过对消息内容进行循环冗长检测方法得出的。CRC域附加在消息的最后，故CRC字节是发送消息的最后一个字节。4)错误检测方法(1)超时检测用户要给主设备配置一预先定义的超时时间间隔，这个时间间隔要足够长，以使任何从设备都能作为正常反应。如果从设备检测到一传输错误，消息将不会接收，也不会向主设备作出回应。这样超时事件将触发主设备来处理错误。发往不存在的从设备的地址也会产生超时。(2)CRC检测CRC域是一个字节，检测了整个消息的内容。它由传输设备计算后加入到消息中。接收设备重新计算收到消息的CRC，并与接收到的CRC域中的值比较，如果两值不同，则有误，从设备对本消息不作回应。通讯网络只设有一个主机，所有通信都由他发起。网络可支持254个之多的远程从属控制器，但实际所支持的从机数要由所用通信设备决定。5)系统以单片机C51为核心，是分布式、总线型的智能照明系统。系统中有若干照明单元(即灯具)，每个照明单元都有自己的环境检测、控制及与上位机通信接口，有独立的总线地址。照明单元的环境检测由热释电传感器模块完成，用于检测该单元所在区域内是否有人；与上位机进行远距离通信采用兰州交通大学本科毕业设计（论文）RS2485和RS2232标准相结合的方案。在教室前面的照明单元还配备了无线遥控模块，配合教师授课使用，可方便地根据需要调节灯光强度。整个教室配备了一个日光照度检测模块，该模块采用光敏电阻作为传感器，配合 A/D实现日光照度的检测功能，把日光照度数据送给PC机与单片机，以做出正确控制动作。系统的执行机构是数字可调光电子镇流器， 用来控制灯的亮度或亮灭。综合考虑本次设计的要求及从节约成本的角度出发，采用 ZigBee的无线解决方案需要更多的电子开销并且管理较为复杂，且采用RS-485的有线方案技术较为成熟，故选择方案二作为本次的系统集成方案。系统构成系统构成主要包括时间电路和室内光照度及人数检测。1）时间电路。教学楼区别于一般建筑物的显著特点是使用时间集中，非使用时间关闭照明设备电源，大力节约能源。2）室内光照度检测和人数检测。在使用时间段如果光照度能够满足我国《建筑照明设计标准》（GB50034—2004），系统自动关闭照明设备所有电源；如果光照度不能够满足照明标准，教室没有人，系统同样关闭电源；如果教室有人，系统自动开启适当的灯具组数。根据教室座位数的多少将灯具分成 4组（120个座位左右）或6组（180个座位左右），每组灯具的数目和布局根据室内实际情况进行合理设置，对灯具的开关操作按组为单位进行操作。系统总体设计框图如图 3.2所示，由N个教室、RS485网络以及PC机软件平台构成。图3.2 系统总体框图安装于控制中心的电脑控制着整个智能照明系统的电源，并且可以根据RS485网络对整个教学楼照明系统进行维护和管理。图 3.3是系统中控制单个教室照明的设计框图， 由光电检测模块、热释电红外人体探测模块、控制器、驱动 15 兰州交通大学本科毕业设计（论文）电路以及灯具组、RS485接口电路等组成。将光电检测模块和热释电红外人体探测模块采集的光照信息以及室内人数信息送到控制器， 控制器根据这些信息对照明设备进行控制，实现灯具自动开启。本文主要针对教室照明控制进行设计。图3.3教室照明控制设计框图兰州交通大学本科毕业设计（论文）4校园照明控制系统的基本组成部分主控中心系统使用通用计算机作为主控中心，通过RLINK通讯装置与网络实现通讯。计算机上可直接实现编程，监控，故障报警等功能。局域网上的计算机也可以通过主控中心实现监控功能。RLINK通讯装置主控中心与系统网络各单元的通讯枢纽，实现 RS485/RS232信号转换，具备系统自诊断功能和自动故障报警功能。照明控制器智能照明控制系统的核心部分，由控制模块电路、驱动模块电路、照明专用自锁继电器组成。每个照明控制器均可独立工作，也可以由计算机中心控制。主控中心停止工作或通讯中断不影响控制器的正常运行。控制器有多种规格，单个控制器最多可控制48个回路。一个系统内最多可连接500个控制器。智能照明控制器主要由CPU模块、电源模块、通信模块、光强检测模块、温度检测模块、电流检测模块、开关控制模块等组成。通信模块将所有的控制器连接成一个完整的网络，便于值班员在监控室对整个照明系统进行远程控制 ，光强、温度、电流检测则是通过对这几个参数的检测来判断设备的工作情况 ，开关控制模块则是通过光电耦合、大功率可控硅开关进行控制的。可编程开关智能的弱电开关，有1-8键等各种规格，开关本身使用24V安全电压，不会有漏电的危险，开关操作时也不会出现打火和拉弧，确保安全。可编程开关上的每一个按键所控制的回路均由计算机编程设定，单键可控制多个回路，可根据情况变化随意更改组合，使用起来灵活、方便。红外线感应器（E5751L）利用红外线或超声波的原理， 用于探测人体移动时发出的红外线，去感知周围环境是否有人在活动，从而实现 “人来灯亮，人走灯灭”的功能。也可以通过探测到人的活动根据要求控制其他负载（如空调，风扇，电动门窗，报警器等）的开关。最大感测角90度，水平感测距离为6米。兰州交通大学本科毕业设计（论文）图4.1 红外线感应器（E5751L）照度传感器核心部件是光电管，通过感应外部自然光源的照度来调节室内照明的亮度，实现智能探测和智能调节的功能。这种方法是和自然光检测结合起来 ，在自然光充足的情况下，关闭照明灯以达到节能的目的，在光线不足时打开照明灯。依据这一设计思想实现的方案主要有下列问题 ：由于不能进行室内是否有人的判断，所以会导致在室内无人但光线不足时打开照明系统 ；如果仅使用模拟比较器的方式实现自然光充足与否的判断，可能在光线充足与否的临界点产生频繁切换，导致照明灯寿命缩减，影响照明系统的正常工作。为解决这一问题，本设计中采用人体检测单元和自然光检测单元相结合的方案，它们两者的输出经过与逻辑 ，输出到MCU接口，故整个检测单元只有在该检测区域内有人且照度小于设定值时输出高电平，否则输出低电平。这样就成功设计出了真正意义上的室内智能照明系统。电话通讯装置电话控制所需的附加设备。用户直接拨打电话，根据提示音操作，控制照明开关。蜂鸣器报警装置蜂鸣器主要用于在管理部门制定的关灯时间快要到来时进行发声提示，给室内人员以一定的准备时间。这一延时时间可以自由设定。同样，当用户设定的报警条件产生时，蜂鸣器可以用于发出报警信号。兰州交通大学本科毕业设计（论文）5系统硬件设计5.1日光强度检测模块设计日光强度检测模块采用单片机89C2051作为控制处理核心，它具有价格低、体积小等特点，满足实际需求。传感器选择光敏电阻，用精密电阻与之串联分压得到一电压信号送给A/D（见图5.1）。为了减小模块体积和降低成本，选择低功耗、串行方式工作的TLC549作为A/D转换器，其原理如图5.2所示。TLC549是8位A/D转换芯片，具有一个模拟输入端口和一个 3态的数据串行输出接口，可方便地与单片机或外围设备连接，它仅使用输入/输出时钟（I/OCLK）和芯片选择（/CS）信号进行数据控制。

兰州交通大学本科毕业设计（论文）5・2室内进出人数测量单元设计此单元选用双元型热释电红外器件P2288—02,可以实现对人体进/出门方向的判断，利用后续电路对传感器信号进行处理，单片机对进/ 出人员计数得到室内的总人数。双元型热释电红外传感器判断人体运动方向的原理热释电红外传感器主要用于检测人体发射的红外线。单型热释电红外传感器由于只有唯一的一个敏感元件， 因而对不同方向运动物体只能产生同样的反应信兰州交通大学本科毕业设计(论文)号。而双元型热释电红外传感器具有两个完全相同的敏感元件， 其中一个敏感元件是用来检测红外线， 而另一个在表面蒸上红外反射膜， 红外反射膜达不到全反射的效果，较佳达到70%反射。当人体静止时双元型热释电红外传感器两元件极化程度相同。当人体沿着两个敏感元件反向串联的方向 (图5.3(a))从左向右经过，传感器输出波形大致如图5.3(b)所示，由于右边的敏感元件为噪声补偿元件， 因此波形的第二个正峰值低于第一个正峰值。出信号如图5.3(c)所示。图5.3双元型热释电红外传感器判断人员运动方向原理信号处理电路设计将不同运动方向通过传感器的输出信号区分开， 再利用信号处理电路将传感器输出信号转变为便于进行计数的数字信号。信号处理电路框图如图 5.4所示。热释电红外传感器输出的电压十分微弱， 运用集成运算放大器LM324使传感器的输出信号放大至便于处理的1.0V〜4.5V。将放大后的电压信号通过带通21兰州交通大学本科毕业设计(论文)滤波电路、检波整形电路和进出人数统计电路将统计结果送入单片机。根据传感器输出信号的特征， 带通滤波电路的上限截止频率设为 16Hz，下限截止频率为0.16Hz；检波整形电路中，检波电路中遇到两个连续的低电平表示从进的状态转为出的状态， 两个连续的高电平表示由出变进， 高低电平连续变化表示进/出方向保持不变；整形电路遇到两个连续的低电平将原信号进行一次负跳变， 遇到两个连续的高电平进行一次正跳变， 从波形上区分进出的情况。图5.5所示为某次传感器测得的进出情况波形图， 其中图5.5(a)为检波电路的输出波形，图5.5(b)为整形电路的输出波形。(b)整形电路的输出波形图5.5检波整形电路输出波形图5.6为进出人数统计电路，由电压比较电路、8253等构成。8253有3个独立的计数器T0、T1、T2。计数器0和计数器1采用工作方式0分别用于进入教室和离开教室22兰州交通大学本科毕业设计(论文)图5.6进出人数统计电路的人数统计， 经过电压比较电路后的输出脉冲， 高电平代表进入教室人数， 低电平代表走出教室人数，将这个脉冲信号送入74LS74，用D触发器作方向判别，分别计数正反向脉冲数。计数器2采用工作方式3用于定时， 输入的标准脉冲信号由控制器89S52的ALE引脚提供， 计数器2输出的脉冲边沿作为中断申请信号，即每到10s，向8253提出一次中断申请，将当前的脉冲计数读出来，送入单片机计算教室内的总人数。无线遥控模块电路该部分采用PT2262,PT2272作为无线发射接收的处理芯片，是一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262/2272最多可有12位(A0〜A11)三态地址端管脚(悬空，接高电平，接低电平)，任意组合可提供531441地址码，PT2262最多可有6位(D0〜D5)数据端管脚，设定的地址码和数据码从17脚串行输出，可用于无线遥控发射电路；PT2272也最多可有6位数据端管脚，天线接收信号从14脚串行输入。

兰州交通大学本科毕业设计（论文）执行机构驱动电路设计室内的照明灯具一般是白炽灯或日光灯。 对于白炽灯负载， 采用可控硅控制，由于可控硅的驱动电流很小， 必须接限流电阻。对于日光灯负载， 采用继电器控制，一般要在继电器的线圈两头加一个二极管以吸收继电器线圈断电时产生的反电势，防止干扰。控制、存储单元设计控制器是系统的核心，根据设计要求选用美国ATMEL公司AT89S52单片机。存储器采用美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM芯片AT24C02。AT24C02通过I2C总线与单片机进行通信。单片机及外围电路系统采用89S51作为控制核心及热释电红外检测模块输出信号处理器，采用89C2051作为日光强度检测模块输出信号的处理器，具有价格低廉、功能强大等优点，在各种控制系统中应用广泛。由于RS2485接口标准可以获得较远的通信距离、极高的通信速率和较好的抗干扰性，所以单片机与PC远距离通信采用RS2485与RS2232接口标准相结合的模式，其原理如图5.7所示。△VCCR2R3R4R5P3.0 110KQ10KQ10KQ/REDERO/REP3.1DEDIMAX481VCC△VCC1B234R720KQR620KQVCC△0.1uF-IICR2R3R4R5P3.0 110KQ10K/