节能灯的设计

院系：软件与服务外包学院

专业：应用电子技术专业 班级：应电10-3 姓名：郭保龙

目录

概述…………………………………………..3 室内布置示意图……………………………..4 系统流程图…………………………………..5 系统原理框图………………………………..9 供电系统模块………………………………..10 红外线传感器………………………………..11 人体传感器模块……………………………..12 硬件时钟模块………………………………..13 环境光模块…………………………………..14 灯光驱动模块………………………………..15 RS-232串口通信电路………………….……16 结论……………………………………….….17

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概述

教室节能灯智能控制系统以A T 8 9 S 5 1 单片机作为控制装置的智能部件， 采用热释电红外人体传感器检测人体的存在， 采用光敏电阻构成的电路检测环境光的强度． 根据教室合理开灯的条件， 系统通过对人体的存在信号和环境光信号的识别和智能判断，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．

现代办公空间是由多种视觉作业组成的工作环境。阅读、起草文件、

操作计算机等办公设备都需要舒适的、相对无眩光的有效照明条件。办公室照明已成为直接影响办公效率的主要因素之一，越来越引起人们的重视。在现代办公室的照明设置中，照明控制起到了很重要的作用。照明控制不仅能节约能源，而且能够满足设备维护、安全及值班人员的需求。办公区域照明使用的光源主要是荧光灯与白炽灯。其中荧光灯多用于一般照明，白炽灯多用于局部照明。照度水平的设计主要取决于视觉作业的需要及经济条件的状况。

办公区域的工作时间主要是在白天，可以考虑利用窗外入射的大量自然光进行照度补偿，不仅能节约大量能源，而且能维持室内舒适的视觉环境。在智能照明管理系统中，通过配置的智能时钟管理器可预先设置办公室若干基本场景，根据预先设定的时间自动地在各种状态之间切换。因办公室的走向与太阳光的夹角不同而造成亮暗区位置不同，会对光电探测装置布局造成影响。

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室内布置示意图

图1

如图所示为办公室典型布置图，荧光灯使用的是可调光的电子整流器，通过总线网络进行场景调光控制。办公室被分为4个区域，在办公室中央天花板上安装4个热释电红外传感器(S1、S2、s3、s4)分别对4个区域进行动静监测，光敏传感器S5用于检测办公室区域l和区域2的工作面的照度，S6、S7分别检测区域3和区域4的工作面的照度。每个区域的灯具则由安置在办公室内的控制面板或远端的主控上位机来控制。此外，相邻两个区域装置的探测范围都有一定的重叠，以确保当有人在两个区域中间工作时能够得到足够的光强。

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系统流程图

图2 图3

当环境光发生变化时( 减弱或增强到一定程度),光照度采集硬件电路输出低电平或下跳沿向单片机申请中断，单片机响应中断进入相应的中断服务程序,判断学生人数,根据人数点亮相应的灯管;若无人则关闭所有灯,同时置光照度标志位为弱,然后退出中断服务程序.程序流程图如图2和图 3

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图4

系统采用外部中断结合查询的方法来统计学生人数，安装时在教室门内外两侧各装一路传感器(命名为in和out分别对应加 1 和减 1 标志位),当学生进出教室时,这两路传感器会先后输出有效信号,请求单片机中断,单片机处理中断服务程序时,查询这两路信号的先后顺序来确定时人数加1还是减 1 ， 程序流程表示为图4所示．

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图5

控制策略：正常工作日上班之前，结合光敏传感器对工作面照度的检测，系统自动调节灯光输出至预先设定的水平。在墙上设有手动开关和场景控制器。通过智能时钟管理器，在上班工作时间定时关闭热释电红外传感器。自然光随时间在强度和光谱上都发生变化，会使室内工作面的照度不均匀，特别是在多云、阴雨天气，很难准确地手动控制灯具。当光敏传感器检测到天然光较弱，使室内的采光系数较低时，应当提供辅助光以保证达到工作面要求的照度，并平衡室内的亮度分布，此时可通过人工照明来保证电气照明与天然光的合理综合利用。当检测到天然光充足时,可以关闭或降低人工照明，这样既延长了灯具的寿命，也节约了能源。通过光敏传感器对工作面照度的检测，制定相应的控制策略,使工作面照度保持相对稳

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定。当探测到的照度E≤E1．时，探测区域的灯具全部打开到额定光通量；设定一个照度阀值E3，照度高于预设值E的25％，若探测到的工作面照度E3>E，并持续10 min，则降低人工照明，通过电子镇流器调节荧光灯到额定光通量的80％；设定另一个照度阀值E4，照度高于E的25％，若探测到的工作面照度E4>E，并持续10 min，则降低人工照明，通过电子镇流器调节荧光灯到额定光通量的50％；若探测到的工作面照度E4E=MNXY／S

式中:M—光源的光通量

N一光源数量 X一灯具的利用系数 Y—维护系数，办公室取0.8 S—探测区域面积

所制定的控制策略是一个实时控制、检测和执行开关、调光控制的过程，要求直观、简便、可操作。其控制流程图如图5所示。当出现晚上或节假日加班时，热释电红外传感器将起到重要的节能作用。由于不是所有人加班，因此不需开启办公室所有灯具.当热释电传感器检测到相应区域有人时，开启该区域的灯具，自动调节灯具亮度，保证在该区域加班的人员能得到足够的照度.另外,可以开启一定的走廊灯或过道灯，提供适当的照度，这样会使加班人员感觉心情放松,也会相应提高工作效率.

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系统原理框图

系统供电 模块 灯光驱动 模块 人体传感器 模块 AT89S51 硬件时钟 模块 数码显示 模块 环境光模块 图6 1教室灯光控制器的设计

教室灯光控制分为自动控制和强制控制两种状态，系统结构框图如图 6所示．环境光模块用于采集教室内的光照度，环境光较强时不开灯，环境光较弱时，有人存在控制器自动打开电灯；人体传感器模块采用两路同时工作，分别装在教室门的内外两侧，用于统计教室内学生人数，有人时开灯，无人时灯灭；时钟模块按作息时间来控制，夜晚超过 l O 点，若还有人存在，则关闭自动控制器的运行，改用遥控器或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．

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供电系统模块

图7

2系统供电电路设计

供电系统将 220 V交流电变压到9 v ，经过二极管全波整流、电解电容 c l 滤波，再经一只正输出稳压器MC 7 8 0 5 ， 为了缓冲负载突变,改善瞬态响应，输出端还采用了电容 c 2 ， 最后得到 +5 v的直流工作电源,用于给单片机系统及其它外围电路的VCC端供电．同时，该系统中用到了集成运放,其供电方式为+5 V和一5 V， 在 MC 7 8 0 5的输出端接上MC7 9 0 5 ，便可得到 -5 V的直流工作电源,供电系统 .如图7所示．

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红外线传感器

红外传感器一般分为量子型与热电型。量子型传感器主要有利用光生伏特效应的光敏二极管，利用光导电效应的PBS(硫化铅)和CDS(硫化镉)等。热电型传感器主要有利用热电动势效应的热电堆，利用热释电效应的PZT(锆钛酸铅)和LITAO，(钽酸锂)等。智能照明控制系统中目前主要采用热释电红外传感器，它是一种检测物体辐射红外能量的传感器，利用PZT等晶体结构的表面电荷的极化会随其温度变化而变化的特性，当红外线照射热释电元件时，其内部极化作用有很大变化，变化部分作为电荷被释放出，从外部取出该电荷就变成传感器的输出电压。其主要特点是灵敏度与波长无关，敏感原件不需要冷却，使用方便。用它可以做成主动式(检测静止或移动极慢的人体)和被动式(检测运动人体)的人体传感器，与各种电路相配合广泛应用于生活。热释电传感器的内部结构由窗口、具有热释电效应的PZT板以及高阻抗、低噪声的FET组合而成,将其封入壳内,保持密封性，并防止外来噪声的混入。PZT板表面吸引红外线，并在受光面的里外各自安装，取出电荷的一对电极，通过改变电极对数与接线方式进行各种

量的检测.图8所示为热释电传感器的内部结构。采用

了4个热释电元件,每两个元件的电极采用反向串联的结构，可有效进行温度补偿，并且可以有效防止背景波动的影响，以及干扰光照射时的误动作。当人体移动时就有信号输出，由于受光电极多，能够精确地检测到人体移动的情况。热释电传感器可安装于墙壁开光面板处、室内天花板中央或者房间高处的角落，适用于使用状况不规则和不易预期的区域。

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人体传感器模块

图9

3人体传感器模块设计

系统采用双探测元热释电红外传感器，当人体辐射的红外线照射在热释

电红外传感器的探测元上时，电路中的传感器将输出电压信号，由于输出的电压信号十分微弱( 通常仅有 I m V左右) ，故采用集成运算放大器 L M3 2 4构成的仪用放大器来进行放大，放大后的电压信号送给窗口比较器，若信号幅度超过窗口比较器的上限( 通常设为3 .8 v ) ， 系统将输出高电平信号；无异常情况时则输出低电平信号 】 J ．经反相器，将这个高低电平变化的信号( 下跳沿信号) 作为单稳电路 5 5 5的触发信 号， 并让其输出一个脉宽大约为 l s 的高电平信号．通知单片机采取相应的动作，达到统计学生人数的目的．人体传感器原理如图 9所示．

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硬件时钟模块

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环境光模块

图10 5光检测电路设计

系统选用光敏电阻来检测教室的光照强度，其电路原理如图10所示．当教室光照度达到一定强度时，光敏电阻呈现低阻状态( ≤1 K) ， 输入比较器的电压小于 U1 B的阀值，输出高电平；当光照度减弱到一定程度，光敏电阻呈现高阻状态(>5M)，此时光敏电阻的分压增加，输入电压大于 U 1 A的阀值电压，使u1A输出高电平；正常情况下，两路比较器均输出低电平．如果把以上两路信号接到中断口上，当单片机检测到电平变化时，就可以按预定算法对教室灯光完成自动控制．

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灯光驱动电路

图11

7灯光驱动电路设计

灯光驱动电路如图11所示，系统设自动控制和强制控制状态，强制控制状态可以强制关闭所有灯管和手动点亮指定灯管，自动状态利用三极管的开关特性来实现。当系统工作于自动控制状态时，控制码数据通过 P 0口送出，与LED显示分时复用，送出的控制码经74LS273锁存而不受LED段码的干扰．当对应的I／O为高电平时，三极管处于深度饱和导通，对应的发光二极管回路被接通，灯亮．当输出低电平时，三极管处于截止状态，发光二极管不能被点亮。这样，就利用单片机完成了灯光的智能控制．

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RS-232串口通信电路

图12 8 RS-232串口通信电路

MCS-51内部的串行口，大大扩展了MCS -51应用范围．利用串行口可以实现MCS-5之间的点对点的串行通信、多机通信以及MCS-51与PC机间的单机或多机通信．MCS-5串行口的输入、输出均为TTL电平，这种以TTL几电平串行传输数据的方式， 抗干扰性能差,传输距离短.为了提高串行通信的可靠性,增大串行通信的距离,一般都采用标准串行接口，如RS-232.RS-232定义了数据终端设备(DTE)和数据通信设备(OCE)之间的串行接口标准，其标准的信号传输的最大电缆长度为30m,最高数据传输速率为20Kb／s .由于TTL电平和RS-232电平互不兼容,所以两者对接时,必须进行电平转换,常用的芯片如MAX232 .它是RS-232双工发送器,接收器接口电路芯片．R S-232电平转换接口电路,如图12所示．

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总结

节能灯控制系统以A T 8 9 S 5 1 单片机主控单元为核心， 通过相关电路的驱动，实现对教室灯光的智能控制．经实验证实：系统具有很好的稳定性，提高了电能资源的利用率。本控制系统的设计对于学校教室灯光管理具有重要的意义，也适用于各类办公室的灯光控制 ．

另外热释电红外传感器和光敏传感器在智能照明控制中的应用，不仅提升了照明控制的智能化水平、节约了能源，而且也促进了其自身传感器的发展。智能照明控制采用全数字、模块化、分布式的系统结构，能够依据每个区域的不同需求进行照明控制，实时收集有关每个灯、每个照明部件的运行状态和运行数据，不仅能够提供视觉舒适的环境，而且方便El常管理与维护，又节约了能源。智能照明控制系统可以作为一个单独的系统运行，也可以成为BAS(楼宇自动化系统)或SCADA(数据采集与监视控制系统)的一个子系统，实现与消防系统、安防系统等的联动。随着传感器技术、计算机技术的不断发展，智能照明控制将会得到更加广泛的应用。

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