楼梯间自动感应照明系统设计.docx
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楼梯间自动感应照明系统设计
参考文献……………………………………………………………………………………………………17
致谢…………………………………………………………………………………………………………18
楼梯间的自动感应照明设计
摘要:
伴随着社会需求多样化,楼梯的设计也向着丰富多彩的方向发展。
而现在智能照明系统充分地利用了计算机、单片机和通信技术等将楼梯间的各种照明灯具有机地组合在一起，实现对灯具的有效控制和管理。
智能照明系统中的灯光节点能够根据外界输入的光强度信息来自适应地调整自身灯光的亮度，反复性地采集楼梯内的光强度和有无人进出等外界环境变化，使其作为输入信息。
并且对用户控制做作相应的反应。
在楼梯间照明控制中普遍使用的触摸延时开关和声控延时开关有明显的不足之处，红外感应开关在楼梯间照明控制方面存在明显的优势，将集中控制式红外感应开关系统应用于楼梯间照明既有良好的使用结构又可节约能源，是新一代的照明控制器，应得到社会的高度重视。
关键词:
楼梯间；照明控制；声控延时开关；触摸延时开关；红外感应开关；智能照明系统;
ABSTRAC:
Alongwithsocialprogress,architecturaldesigntowardmorecomfort,safetyandenergyconservation.Intelligentlightingsystemmakesfulluseofelectronictechnology,communicationtechnologyandcomputernetworktechnologytoavarietyoflightingfixturesinbuildingsorganicallyconnectedtogethertoachieveeffectivemanagementandcontrol.Intelligentlightingsystemnodecanbeadaptivelyadjustedaccordingtotheexternallightintensitylightingbrightnessperiodicallycollectsthelightintensityintheroom,nooneoutofenvironmentalinformationandtimelyresponsetousercontrolcommand.
Obviousinadequaciescommonlyusedinthestairwelllightingcontrolthevoicedelayswitchandtouchdelayswitch,infraredsensorswitchinthestairwelllightingcontrolthereareobviousadvantages,willfocusonthecontrolinfraredsensorswitchsystemisappliedtothestairsbetweenthelightingbothgoodusestructurebutalsosaveenergy,isanewgenerationlightingcontroller,youshouldgettheattentionofsociety.
Keywords:
staircase;lightingcontrol;acousticcontroldelayswitch;thetouchdelayswitch;infraredinductionswitch;lightenvironment;intelligentlightingsystem;
引言
大多数的写字楼和住宅等建筑的楼梯间的照明控制主要使用的是触摸延时开关和声光控延时开关，虽然这两类开关同时都具备自动熄灭的功能，但是还存在一些明显的不足之处。
声控延时开关是以一定场强的声波作为启动信号源，在经过一定的延时后自动熄灭。
触摸延时开关在声控开关的基础上增加了光控元件，但这种开关在一定亮度的环境里或白天不管接收到多大的声音信号都不会开启。
虽然声光控开关弥补了声控开关单一控制信号的缺点，虽能够避免开关在亮度足够的条件下开启，但是还存在一些不足:
一是，容易受到外界比较强烈的声音信号干扰，使开关在不需要的情况下自动开启；二是，作为开启信号源的声音需达到一定的声音强度，这对老弱群体来说有时是比较困难的；三是，它的延时时间是固定不变的，不能根据不同使用者的具体情况而作相应的改变，对于有些行动不方便的人有可能在固定的延时时间内没能进人下一个照明区域，而对于一般的使用者通过照明区域或许又不需要这么长的时间，因而在一定程度上造成电能的浪费。
触摸延时开关只需人用手指轻轻地触摸开关的感应区就能自动开启，经过短时间的延时，开关将自动关闭。
而且这种开关大多也都配备了光控制元件。
虽然这类开关可以避免外界干扰产生的误操作，但是也存在一定的不足：
一是，触摸延时开关的开启需人直接接触感应的区域，而大多数建筑在电梯厅或是楼梯间安装的触摸延时开关的数量都是有限的，一般是一层安装一个，因此在接触开关前可能会有一小段比较暗的路程；二是，它的延时也是固定不变的，不能因人而异，同样会产生浪费与不方便的状况。
1红外感应和智能照明控制系统的优越性
1．可延长灯具寿命，能达到良好的节能效果。
智能照明控制系统最大的特点就是能够最大限度地节约能源。
一般的楼梯公共区域照明的模式是无论天气怎么样都是白天关灯，晚上开灯，而不能进行相应的调节。
但是如果采用了智能照明的控制系统，自然光能被系统充分地利用。
因此控制系统实现不同的工作场合的多种照明模式，在保证走楼梯照明的同时，还有效地减少了灯具的工作时间，大量节省了没必要的能源浪费，灯具的使用寿命也得去了延长。
2．投资收益效果好。
据调查显示，对于一般的办公大楼运营来说，它的节能效果能达到30％以上，而一般的地铁站、酒店商场等节能效果也能在20％~30％之间；虽然学校在这方面还没有应用，没有具体的统计数据，但根据分析，效果是很明显的。
3.红外感应开关是以人体辐射的红外线为开启信号源，只要有人进入开关的控制区域即可触发开启，而不需使用者做任何附加的动作，使用起来非常地方便。
4.红外感应开关的在楼梯间照明控制中的优势：
红外感应开关是以人体辐射的红外线作为开启的信号源，只要有人进入开关的控制范围内开关即自动开启，离开控制范围后经过短时延时即自动关闭。
虽然在目前红外感应开关在照明系统中的应用还不是太广泛，但由于其有多的优点，所以在以后的楼梯间照明控制中会越来越受到高度的重视。
5.红外感应开关也同样配备了光控元件，在楼梯间光强度足够的时候即便有人经过也不会自动开启，从而避免了能源的浪费，提倡节约美德。
6.但由于红外线的穿透能力非常的弱，一般的障碍物就可以阻挡人体辐射的红外线，因此人在楼梯间以外的空间内活动不会干扰红外感应开关，因而能有效避免开关的误操作。
7.静态时功耗非常低，红外感应开关的自身的功率在1.5W以下。
8.适用范围广，一般红外感应开关的工作电源要求为180-240V/40-64HZ，所控制的灯具最大功率可达到220W。
9.红外感应开关与声控延时开关和触摸延时开关一样都采用单极性设计，外壳尺寸也相同，可以直接替代其他开关装设在墙壁的接线盒上，安装也很方便。
2.楼梯间控制器简介及控制方案的分析
2.1楼梯间灯光控制器简介
楼梯间灯光控制器能有效地实现楼梯间灯光的智能控制。
环境光信号和人体存在信号等外界因素是其主要输入参数，当环境光的强度低于某一阀值时不开灯，达到一定阀值并有人存在时开灯。
实验和理论证明通过用这种方式来对楼梯灯进行控制可以达到上述要求【1】。
楼梯灯光控制器大多数安装在楼梯内避开灯光直射的位置，在安置人体红外传感器时应使安装的红外传感器与人移动方向中的两个热释电连线的方向互相垂直【2】，这样就可使人体发出的红外信号的采集更加灵活、安全，结合红外感应控制使楼梯间的控制更具灵活性。
2.2系统控制方案的分析
研究的控制器主要的输入参数是人体红外线和自然光强度，不仅可心手动控制，而且还能自动控制。
当光线强度足够强时，无论是否存在人，灯都不开;在光线强度较弱时，有人经过楼梯时，控制器就会打开灯，一直等到人离开然后延时一定时间再关灯。
本文研究的楼梯灯光控制器主要是由软件和硬件两部分组成的。
硬件为软件提供程序运行的平台。
软件部分是对硬件端口所输出的信号加以处理、分析，而后实现控制器要实现的各种功能，达到智能控制的目的。
3系统模块的实现
3.1红线感应开关在楼梯间照明控制中的布置方式
感测层高达5米半径范围内要安装的楼梯可以用于一般的和最有效的被动式红外传感器，以满足需求。
此外，红外感应开关单极设计。
的尺寸可以直接安装到开关，接线盒，开关安装在建筑，一般都作为标准配备。
然而，简单地对接的垂直角度为红外线的要求，开关感测区域的吹安装高度为1米的范围之外从地板到梯子，必须安装梯阶平行与楼梯间中间。
红外感应开关部署，请参阅下图。
图3-1红外感应开关的布置
3.2控制模块的硬件构成
系统控制单元的核心是单片机主控模块，它的外围电路包括:
I系统供电模块、SP下载线模块、看门狗模块、硬件时钟模块、数码管驱动显示模块、灯光驱动模块、EEPROM存储模块、环境光模块、超时报警模块人体存在传感器模块，其结构框图如图2所示：
图3-2系统控制单元结构框图
3.3人体红外传感器的工作原理
1.提供的各种对象中存在的性质，如木材，人体，火焰，石头，或冰，使用不同波长的红外辐射来的红外线传感器可以检测到它。
它是根据产品的工作原理。
进一步红外线传感器的量子热是不同的，被称为一个被动式红外传感器或热电型红外线传感器，热红外传感器被划分。
与量子相比较，它是便宜可能根据红外线的波长范围宽，在室温下工作。
相反，量子的热性能，需要的冷却条件。
其他领域和非接触式温度测量是一个传感器，是最广泛使用的。
红外吸收小光通量“的原因是，空气中散发出需要的光源如下：
①测量对象本身是一个独立的，红外线灯②空气8-141Lm,2-61Lm,3-51Lm可以很容易被检测到，它被称为“窗口”，③可见效果是不能在远红外检测一昼夜。
传感器的热释电红外传感器人类生存的特点及工作原理如下:
通常情况下，用恒定的体温为37度，人体将发出特定波长的红外依赖于检测被动式红外传感器的红外人类的释放。
由菲泥尔滤光片增强红外传感器源周围收集红外线人类排放。
元件的热电型红外线传感器的来源，该元件接收的红外辐射温度的变化在人体内，释放其中的电荷的平衡被测试的信号的存在下,所产生的后续电路失去的时候才能够向外放电荷。
人体传感器的信号采集感应区示意图如图3-3所示：
图3-3
当有人进入感应区域时，红外传感器就会感应接收到人体发射的红外线，并输出的是高电平。
如果人的移动方向是传感器最不敏感的方向时，则传感器所处理的输入信号就会不太理想，且还会产生误操作，因此人体传感器的安装方向要特别注意。
2.人体存在的信号采集电路
人体传感器hp-28是深圳市浩博特电子有限公司生产和研发的基于红外技术的智能产品，它的主要特性是:
（1）采用可多次的触发模式。
当检测输出高电平以后，在延时时间之内，如果人在其检测的范围内活动，它的输出一直是高电平，直到人离开了才延时10—20秒后高电平跳变成低电平；
（2）感应是全自动的，当人进入检测范围时输出高电平，人离开检测范围是则自动延时降为低电平，其高低电平有利于采集和处理；
（3）人体传感器一般制作成锥面形状，感应范围很大，当小于150度锥角时，感应距在7米以内；
（4）人体传感器工作电压为Dc4V-Dc25V；
（5）工作温度介于－10度和+75度之间，适应能力强；
（6）可靠性强，灵敏度高；
（7）功耗很小,且静态时的工作电流<40微安
3.4传感器模块
智能传感器，智能照明控制系统，以实现信息自动识别的情况下自动日光节约、时间校正、空间动态照度检测，传感元件具有自动检测的功能。
由传感器收集到的信息，场景照度传感器模块被传递到微控制器。
然后，进行进一步的处理，微控制器已上传到主机电脑通过CAN总线。
由于传感器模块包括80C51微控制器，热释电传感器，A/D转换和照度传感器。
3.5热释电传感器的工作原理[3]
一般的热释电人体红外线传感器外形如图3-4所示，为了增强抗干扰的能力，可以在此电阻上再并一个电容c，传感器由滤光窗、菲涅尔透镜和敏感单元组成的。
图3-4热释电红外线传感器外形
在自然界中，上述任何绝对温度的物体会产生红外光谱,因为由不同温度，不同的表面温度和大小的对象相关联的不辐射能量。
对人体有恒定的体温约37℃，发射一个特定的波长为10μm左右的红外线发射，被动式红外传感器，红外检测人体的工作中，通常会。
释放将失去红外线通过菲涅尔滤光片增强收集这个元素接收到人体红外热释电元件更改后，人类将允许检测过程中产生的报警信号，一次充电的电荷平衡。
对于包括两个电极从相反的方向和电动元件，热释电串联或并联两个其他的环境背景辐射产生剥离，被动式红外传感器，该传感器是一种热电元件的两个基本的电效应，具有同样的效果，所以彼此我将取消该检测器输出的信号。
因此，移动非常快的人体，不必须是敏感的抗干扰能力优于可见，红外或逐渐传感器仍然是敏感的运动和身体的运动，和也远红外线通过诱导人类的热释电传感器和产生电信号称为远红外传感器PIR传感器的输出信号，即传感器的热电型热，红外线，即事件发生的输出信号的幅度的变化的远红外辐射率成正比，但理论和实践，戏剧性的特征已检测到的被动表明你正在改变。
3.6芯片介绍
热释电红外探头在使用的时候有些功能上的不足，但信号经过处理后，它可以在某些领域内具有其广阔的应用空间。
人体信息处理的电路采用的是专有集成电路BISS001。
BISS001功能齐全、结构完整,,只需少量外围元件就可完成信号的高倍率双向鉴幅、封锁定、延迟定时信号处理和时线性放大等功能,
图3-5BIS001
引脚
名称
I/O
功能说明
1
a
I
不可重复地触发和可重复地选择端。
当A不为“1”时，不可重复触发，相反，允许重复触发。
2
vo
O
控制信号的输出端。
由vs的下跳变沿触发，使vo的输出从高电平转到低电平时是有效触发。
3
rr1
--
延迟时间tx的调节端
4
rc1
--
延迟时间tx的调节端
5
rc2
--
触发封锁时间ti的调节端
6
rr2
--
触发封锁时间ti的调节端
7
vss
--
工作电源的负端
8
vrf
I
参考电压及复位输入端。
通常接VDD，接0时，将定时器初始化
9
vc
I
触发的禁止端。
当vcvr时允许触发（vr≈0.3vdd）
10
ib
--
运算放大器偏置电流的设置端
11
vdd
--
工作电源的正端
12
2out
O
第三级运算放大器输出端
13
2in-
i
第三级运算放大器反相输入端
14
1in+
i
第二级运算放大器同相输入端
15
1in-
i
第二级运算放大器反相输入端
16
1out
o
第二级运算放大器的输出端
3.7看门狗电路
单片机系统在应用时出现“死机”、“程序跑飞”等现象有很多种原因，总的来说它可分为内部因素和外部因素因两部分原因：
（1）内部因素：
振荡源的复位电路的可靠性和稳定性。
（2）外部因素：
电源线、射频干扰或在电源内部产生的干扰。
内部因素的解决办法是通过合适的抗干扰的技术，但外部因素就需要通过设计良好的复位电路来提高它的可靠性。
所谓的复位就是使单片机中各寄存器处于某种相对确定的初始状态，而单片机的工作就是从复位进行开始的。
在本次的研究中我们采用专用的复位电路,选用专用的复位芯片X5145。
X5145是xicor公司的产品，是一种专用的可编程看门狗定时器。
3.7.1X5045芯片引脚及功能介绍
（1）引脚如图5所示：
图3-6X5045引脚图
cs/wdi：
当片选端-cs为高电平时，芯片尚未被选中；同时具有看门狗输入的功能so：
串行数据输出端口；
RESET：
复位输出；
si：
串行数据输入端端口；
wp：
写保护端，当WP高电平时，允许芯片写操作；
sck：
串行时钟端-控制串e行总线输入和输出的时序；
vcc：
电源的电压；
vss：
接地；
（2）主要特点
1）上电复位。
向X5145通电时来激活“上电复位电路”使reset引脚变为高电平（即有效状态）。
主要有两个方面的作用：
1，避免系统的主控芯片在当电压不足时进行工作；2，避免主控芯片在振荡器稳定前进行工作。
2）看门狗定时器。
在单片机正常工作时定时地向X5145芯片的cs/wdi引脚发出由低至高的脉冲信号，否则看门狗电路将会向单片机发出复位信号而进行单片机的复位。
3）spi串行存储器。
X5145内部有三个寄存器都是带有xicor公司的块锁保护的cmos串行eeprom存储器。
分别是一个16位的状态寄存器和一个32位的指令寄存器，器件的特点是串行外围的接口电路，而可以在五线的总线上工作。
4）数据时序和时钟。
当cs引脚为高电平时，不允许对芯片内存储器进行读和写的操作。
5）低电压监视。
当电源的电压跌落到最小允许的vcc值，X5145就会向单片机发出复位的信号，直到电压恢复了正常。
3.7.2看门狗电路的操作原理
看门狗电路，定时器触发专用芯片本身和溢出和一个明确的结束。
如果你不知道，它出发射固定频率的触发脉冲。
在实际应用中，触发器的输出被引入到微计算机的复位端，则可以使用微控制器来控制结束清楚的I/O口线。
下一步操作的MCU通常清除看门狗定时器定时，软件设计，程序崩溃，失控或MCU一次，将设备重置脉冲自动不再清晰。
3.7.3基于X5145的复位电路硬件设计
图3-7为X5145与单片机的接口电路：
图3-7X5145接口电路
如图可知，reset引脚直接与单片机reset引脚相连接。
当接通X5145的电源时就可激活“上电复位的电路”。
Wp引脚不但可以直接接高电平而且还可以和单片机的某一I/O端口相接。
cs引脚除了是spi四线通信的片选信号以外且还具有wdi的作用。
在设定的定时时间段里，处理器必须在wdir的引脚上产生一个由低到高的电平的起伏变化，来清内部的定时器，即通常说的“喂狗”；否则X5145将发出一个复位信号。
在X5145内部的一个控制寄存器中有两个位可编程的位，进而决定了设定定时时间的长短。
微处理器就可以通过指令来改变这二位，进而改变看门狗设定定时时间的长短。
4系统调试运行及问题分析
当整个系统设计完成以后，需要做的工作就是进行运行的调试，排除硬件和软件的故障，同时还要验证系统的稳定性及可靠性，使做出的系统符合设计的要求，本设计的调试主要分两个步骤:
整个控制系统的试运行调试及单片机的系统调试[4]。
4.1单片机芯片的调试步骤及其方法
软件和单片机调试硬件，你必须通过软件调试和硬件两部分，主要用以显示操作结果的设计要求。
开发一个调试前完成硬件系统的硬件和软件，硬件的独立并行软件，这是可能的，你可以完成应用软件的调试，但提供了一个调试环境，我需要他们的帮助下，另一工具。
以及年底的软件分调硬件，软件和硬件联邦调查局后，改变了硬件和软件的失败，找出问题的调试，以确定原因。
调试实际系统中，硬件调试静态，动态调试的最初的系统软件，软件和以后的硬件调试系统带来的第一反应，以确保正常运行在相同的时间。
1.静态调试:
静态调试排除明显的硬件故障。
该电路内置，对其进行仔仔细细检查，以查看该端口是否已正确连接，连接可靠。
还应该用万用表检查电路，看到的地方是否应该是开放的，是开路，短路，电源接地连接是否是可靠的。
查看焊机焊后是否牢固，有无短路或虚焊。
此外，插入的设备，必须在断电的情况下进行的，要特别注意的芯片的顺序不能颠倒插入。
2.软件调试:
在系统软件程序编制好了以后，可用汇编软件对源程序进行语言的汇编，变为可执行.EXE文件，在汇编过程中出现的一些错误要及时纠正。
在用软件调试时侯采用软件模拟对程序进行全面的调试，这种模拟开发系统在计算机上是利用模拟软件来实现对单片机的运行状态模拟、指令模拟及硬件模拟，进而完成应用程序开发的过程。
调试过程中的端口状态、各寄存器状态、运行状态等都可以在指定的窗口中显示出来，来实时的观察一些状态的显示，并通过这些显示的结果来随时地跟踪程序运行的状态，以确保程序无错误地运行。
3.动态调试:
是密切相关控制系统的软件和硬件，软件仿真开发系统不能诊断硬件部分，也没有实时在线仿真，用户程序需要连接硬件和联邦调查局，包括软件和硬件检查、诊断，在线调试。
使整单芯片系统需要使用的仿真开发工具，用户软件和硬件电路的调试诊断。
在应用系统板上调试，加载到用户程序的在线仿真器，那么你可以单步，多步或连续执行目标程序，也根据子集断点的需要执行用户程序。
主要依靠在线仿真排除硬件系统中的故障（如存在的故障和组件的各个组成部分之间的内部连接的逻辑错误）。
有没有语法错误，但有可能是一个逻辑错误，这个时候，通过使用动态在线调试工具发现的逻辑错误，直到逻辑纠错。
对于一些硬件相关的用户程序接口驱动程序，你需要满足硬件电路的调试，如果有一个逻辑错误，我们必须及时纠正修改。
程序调试完毕后，使用在线编程，让程序固化到单片机，而使整个系统运行起来。
4.2可能出现的问题及解决办法
系统和调试一般来说是一种复杂、而仔细的工作，因此在调试的过程中需要有耐心，进行仔细地检查、解决出现的一引起问题。
当所有问题都得到解决了以后，这样才能保证让整个系统的正常的运行，在本系统的调试过程中可能遇到的一些问题及分析解决:
问题1:
集成稳压电路的温度可能过高。
分析和解决：
稳压器的温度的原因之一：
12V变压器整流滤波在输入端，从而使施加到一个集成电压调节器电压两端的电压降过大。
这个问题，通过使用两个二极管降压到9V变压器，集成电压调节器的字符串，同时增加散热片来处理这个问题。
问题2:
人体存在传感器当有人存在时输出的高电平的电压偏小。
分析解决:
当人体存在传感器输出高电平的电压偏小时，这时单片机会产生错误判断，或者采集不到正确的信号。
于是可心在人体存在传感器的输出的两端加一个150千欧的电阻。
问题4:
当单片机控制信号输出以后，继电器没能按预定设计产生相应的动作。
分析解决:
单片机输出的控制信号，在控制继电器必需用晶体管来驱动，否则信号电流小将不能使继电器的吸合的动作，该晶体管的集电极端子必须用于驱动继电器，最后到驱动加载。
还要注意的是继电器驱动电路与所述继电器线圈并联的续流二极管上的驱动晶体管，以增加保护。
5结论
5.1主要结论
本课题对适合应用于楼梯间灯光控制系统的控制的部分进行了比较浅显的研究。
它用智能化的方式实现了对楼梯间的控制,比用人员来管理楼梯间灯光更合理，更有效地降低了楼梯间灯光的资源费用，同时加入了时间控制作为参数，使楼梯灯光的控制更加符合了学校里的作休时间。
此系统的设计对所有的楼梯间灯光管理都具有很重要的意义，也适用于家庭、办公室的灯光控制。
5.2不足与展望
控制中使用的构想单个红外感应开关大多都是控制二或三个照明光源，彼此之间是相互独立的，这样在结构会在比较复杂的楼梯
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