住宅智能照明控制系统设计.docx

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住宅智能照明控制系统设计

哈尔滨理工大学荣成学院

专科生毕业设计

题目：

住宅智能照明控制系统设计

专业年级：

机电08-2

学生姓名：

安元

学号：

0801070214

指导教师：

宋鸣

哈尔滨理工大学荣成学院

完成时间：

2011年6月15日

哈尔滨理工大学荣成学院

专科生毕业设计（论文）评语

学生姓名：

安元学号：

0801070214

学院：

荣成学院专业：

机电一体化

任务起止时间：

2011年3月14日至2011年6月24日

毕业设计（论文）题目：

住宅智能照明控制系统设计

指导教师对毕业设计（论文）的评语：

指导教师签名：

指导教师职称：

评阅教师对毕业设计（论文）的评语：

评阅教师签名：

评阅教师职称：

答辩委员会对毕业设计的评语：

答辩委员会评定，该生毕业设计（论文）成绩为：

答辩委员会主席签名：

职称：

年月日

哈尔滨理工大学荣成学院

专科生毕业设计（论文）任务书

学生姓名：

安元学号：

0801070214

学院：

荣成学院专业：

机电一体化

任务起止时间：

2011年3月14日至2011年6月24日

毕业设计（论文）题目：

住宅智能照明控制系统设计

毕业设计工作内容：

1.设计方案。

2.系统工作原理及电路设计。

3.遥控发射及接收控制程序流程图。

4.主要程序分析及编写。

资料：

1．GB50034—2004，建筑智能照明设计标准.建筑工业出版社，2004

2．谭伟，王娜．智能照明试验系统的设计与实施．灯于照明，2006

3．田静．智能照明控制系统在学校的应用．电气&智能建筑，2006

4．陈永胜．智能照明控制产品的选型比较．建筑电气．2002

指导教师意见：

签名：

年月日

系主任意见：

签名：

年月日

第1章绪论

能源的开发和控制是一个世界性的课题，直接关系到人类的生存和发展。

电能是应用最广的一种能源方式，也是能源消耗中最主要的组成部分。

目前我国电力工业发展速度很快，但是电力供应不足和用电效率低下的状况依然比较严重。

电力紧缺是我国目前面临的一个很严峻的问题：

一方面，为了保证供电，被迫对局部区域实行强制性拉闸限电或轮流供电，给国民生产、生活带来了极大不便；另一方面，又经常出现无人上班或学习而灯光长明的浪费现象，尤其是在高校教室、图书馆、会议室等公共场所，表现更为突出。

在大力倡导建设节约型社会的今天，节能途径和效率的研究，已经成为一个社会热点和焦点。

因此推行照明节电技术节约电能是改善电力负荷紧张状况的主要途径之一。

我国照明用电约占总发电量的25％左右，且以低效照明为主，因此成为终端节电的主要对象之一。

照明用电大都属于峰时用电，由此可见，照明节电具有节约电量和缓解高峰用电的双重作用。

随着现代办公大楼巨型化，工作时间弹性化、人类物质文化生活多样化和人口老龄化，需要营造快适、便捷、安全、高效的照明环境和气氛，从而促进了照明控制系统向高效节能和智能化的方向发展。

作为人们所拥有的住宅是一个属于私密生活的活动空间，人的一生至少有三分之一的时间是在住宅中度过的。

在这里，人们可以按照自己的习惯、爱好创造一个舒适、温馨的环境，使劳累的人们可以在自己的天地里放松、调节自己的精神和情趣，以得到更好的休息，从而更有效地工作。

因此，住宅照明在人类生活中起到了十分重要的作用，追求住宅室内照明的实用性和艺术性的统一已成为时尚。

所以住宅室内照明系统设计是今后住宅电器设计的一个主要研究方向。

智能住宅照明系统由照明装置及电器部分组成。

照明装置主要是灯具，照明装置的电器部分包括照明智能控制部分、照明线路及照明配电盘等。

照明的基本功能是创造一个良好的人工视觉环境。

在一般情况下是以“明视条件”为主的功能性照明。

随着微电子技术的不断发展。

单片机的应用越来越广，照明控制技术面临革命性的变革，主要有三大趋势：

电子化。

网络化，集成化。

传统的照明是动力线按需分线，用机械开关通、断电源，这样系统固定后无法再改动，若要实现复杂的控制要求就更难。

而随着大量智能楼寓的推出，管理人员和住户对照明系统提出了许多个性化要求，这就需要有新的照明控制技术的引进。

传统照明的特点是动力线与控制线重叠，不存在控制信息流的概念[1]。

智能照明控制系统与传统照明控制系统相比，在控制方式、照明方式、管理方式以及节能方面等均有不少优点。

首先，在控制方式和照明方式上，传统照明控制采用手动开关，只有开和关，而且只能一路一路地开和关。

而智能照明控制采用调光模块，通过灯光的调光在不同使用场合产生不同的灯光效果，营造不同的舒适的视觉氛围。

在控制上采用低压二次小信号控制，控制方式多、功能强、范围广，自动化程度高。

其次，智能照明控制系统由于使用了自动化照明控制，智能利用光照以及通过网络，只需一台计算机就可对整个大楼的照明实现合理的能源管理自动化，不仅减少了不必要的耗电开支，同时也降低了用户的运行维护费用，在节能方面可比传统照明控制节电20％以上。

另外，在智能照明控制系统中，由于可通过系统人为地设置电压限制，可以避免或降低电网电压以及浪涌电压对灯具的冲击，从而起到保护灯具，延长灯具使用寿命的作用。

第2章设计方案论证

2.1照明控制方式

正确的控制方式是实现舒适照明的有效手段，也是节能的有效措施。

智能照明的控制方式采用翘板开关控制方式、光控装置和智能控制器控制方式三种。

翘板开关主要用于经常开启的卫生间、厨房、浴室部位，智能控制器主要用于除卫生间、厨房、浴室的整套房间的控制[2]。

2.2翘板开关控制方式

翘板开关控制方式是以翘板开关控制一套或几套灯具的控制方式，是采用最多的控制方式。

在卫生间、厨房、浴室门口设置单控开关进行控制。

这种控制方式结构简单，控制方便，但也存在线路繁琐、维护量大、线路损耗多等缺点。

2.3光控装置控制方式

光电控装置采用光电探测器对照明系统进行控制。

光电控制器的选择要注意光线的影响因数，如日照、天气情况，一般采用过光敏电阻。

光敏电阻一般在房屋的四周合理布置，尤其是对室内光线影响较大的地方，要求输出状态相对稳定，工作点漂移值小。

由于采样装置对光线的反映具有一定的延迟性，当光源变化时光控输出出现不稳定性，因此应设计电压稳定、信号输出延迟电路。

延迟电路采用积分电路实现，延迟翻转时问大于输入信号抖动时间，为保证第一次干扰后，延迟电路没有及时放电出现新的干扰，在第一次触发电路翻转后对翻转值进行嵌位，嵌位电平与延迟电路输出信号比较，当嵌位模块的输入电平低于规定值时，反馈比较电路触发电路翻转，输出控制信号控制电源[3]。

2.4智能控制方式

在未来的住宅建设中主要应采用智能控制方式，智能控制方式是对整套房间的照明系统进行集中控制和管理，并可扩展为对整套房问内的家用电器设备进行集中控制和管理。

它的功能包括照明设备组的时间程序控制、照明设备组的联动功能和家用电器设备预留扩展口。

（1）照明设备组的时间程序控制

将整套房间内的照明设备分为若干组别，通过时间区域程序设置菜单，来设定这些照明设备的起停程序。

如卧室灯在早晨定时开启／关闭；客厅（起居厅）灯在晚上定时开启／关闭。

这样，每天照明系统按计算机预先编制好的时问程序，自动的控制各个房间的照明。

（2）照明设备的联动功能

当整套住宅内发生事件时，需要整套系统做出相应的联动配合。

当照明电源出现故障时，对照明电源进行检测，并报警显示故障位置，启动临时照明电源；当某个房间内的灯具不能正常照明时，对照明线路进行检测，并报警显示故障位置。

照明设备控制系统功能如图1所示。

照明设备控制系统的核心是智能控制器，控制器通过控制系统的信号对整套住宅内的线路、灯具进行控制，形成一个BAS子系统。

智能住宅照明与控制设计是未来建筑电气设计的主要发展方向，从以前的单纯住宅照明设计发展成符合人性化的智能建筑设计，使家的感觉更舒适、更温馨。

它与传统住宅相比具有如下优点：

1）达到了以“明视条件”为主的人工视觉环境；

2）光效、色温、显色指数能在智能控制器控制下达到最佳效果；

3）节省电能，智能控制器把不用的灯具自动关闭；

2.5室内照明控制

2.5.1室内照明环境

根据行为习惯布置多控开关以往的照明控制不能充分体现使用者追求方便、舒适、灵活的要求，如今倡导“新电气时代，其宗旨就是充分体现以人为本的设计理念，让控制方式更加符台人的行为模式，因此，在设计室内照明光环境之前，应对住宅家庭成员的构成、各房闾具体位置、具体功能、室内行为模式深人研究[4][5]。

2.5.2灯光的遥控

目前灯光的遥控技术常采用红外线遥控、无线电遥控等，通常把发射控制元件安装在精致小巧的遥控器内，接收器安装在室内便于接收信号的部位。

但使用红外线遥控必须在一定的角度、距离范围内才可以实现其功能，不便于操作，而无线电遥控不受角度与距离的影响（相对于红外线遥控），并且可以穿透一般墙壁进行控制[6]。

在遥控器上增加读码的功能，即不同按键控制不同的灯，并且有调光功能，将大大增加照明光环境控制的自由度。

无线电遥控要充分考虑防雷功能，使雷雨天可以照常使用。

2.5.3室内智能照明系统研究

随着科技的发展，智能技术已经开始进人住宅照明领域。

通过智能照明系统实现对住宅照明光环境的合理控制。

智能照明突出的特点表现在[7]：

1）具有控光功能，对白炽灯、荧光灯灯光源进行控光，可记忆几十个预设置场景，满足会客、家庭聚会、看电视、阅读、娱乐等多种场景的光环境需求，家人外出时可自动模仿、记忆人在家时的照明光环境，具有场景停电记忆功能，可设多个控制回路；

2）具有编程功能，可设置若干个指标控制参数；

3）具有智能探测和遥控功能，通过遥控器自如地控制室内灯光的变化；

4）具有智能时钟管理功能，通过预设程序，按指定的时间控制起居室的照明光环境

2.5.4智能照明控制系统的设计方法和步骤

智能照明控制系统的设计一般都是在灯光设计和照明电气设计部分完成之后来进行的[8]。

第一步：

编制照明回路负载清单。

在这过程中应注意首先每条照明回路的灯具应该为同类型的灯具，这样才便于调光模块的选择和配置。

而且每条照明回路的灯具控制性质应该是相同的，是普通供电或同为应急供电。

其次，应核对每条照明回路的最大负载功率是否在需要选择的调光器允许的额定负载容量之内。

最后，还要对一些照明回路的划分作适当的调整，使其更适合场景配置的需要，使各路灯光可组合构成一个优美的照明艺术环境。

第二步：

按照明回路的性能选择相关的调光器调光器是智能照明控制系统的主要部件，而对于不同类型的灯具应该选用不同适合他们的调光器。

比如对于冷阴极灯（发光、霓虹、充气），这类灯采用电压变压器工作，所以应采用前沿相控调光器。

而对于包括金属卤化物灯在类的各种气体放电灯则应该选用正炫波电压调光器。

第三步：

按照明控制要求选择控制面板和其他相关控制部件。

第四步：

选择附件和集成方式。

第五步：

编制系统设备配置表。

2.5.5单片机遥控控制灯光系统

传统的照明控制已跟不上潮流，失去竞争能力。

例如室内原来采用的灯光控制系统产品，房间的电视、台灯、地灯、鱼缸照明、夜灯、廊灯、吧台灯等开关与床头灯调光开关由于开关较多，想开灯时必须先看清开关下面的标记才能正确开灯，有时为开一盏灯竟把所有的开关都按了一遍，使用时极为不便。

现在大多数都采用微动开关轻触式集中控制面板。

虽然较以前直观，但是开关多且固定仍不是十分方便。

本人采用AT89C51单片机将原来固定的机械式开关改用遥控控制，这样一个遥控器就可以控制整个房间的灯光开启，电源控制箱可以放在床头柜内；遥控器在放置在床头柜上，可以任意移动[9]。

第3章系统工作原理及电路分析

3.1系统功能描述

3.1.1改善工作环境，提高工作效率

传统照明系统中。

配有传统镇流器的日光灯以100Hz的频率闪动，这种频闪使工作人员头脑发胀、眼睛疲劳，降低了工作效率。

而智能照明系统中的可调光电子镇流器则工作在很高频率（40～70kHz）不仅克服了频闪，而且消除了起辉时的亮度不稳定，在为人们提供健康、舒适环境的同时，也提高了工作效率[10]。

3.1.2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）进行智能调光。

当室外光较强时，室内照度自动调暗；室外光较弱时，室内照度则自动调亮，使室内的照度始终保持在恒定值附近，从而能够充分利用自然光实现节能的目的。

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[11]。

3.1.3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，不仅使大楼的管理者能将其高素质的管理意识运用于照明控制系统中去，而且将大大减少大楼的运行维护费用，并带来较大的投资回报。

3.2电源电路

由于本系统电源电路提供给对电源要求较高的模块供电，所以采用了变压器降压经整流滤波后由集成稳压器7805稳压后给整个系统提供+5V电压的方式。

电路图如图3-1所示，其中IN-AC为9V交流变压器输入端，D1、D2、D3、D4构成桥式整流电路，经C3（3300μF）大滤波电容滤波后送入集成稳压器7805输入端，由输出端输出后再由C4（1000μF）滤波后整个系统供电。

在此电源电路中，C1、C2为交流高频耦合电容，防止交流高频信号经电源电路串入系统，对系统构

成干扰。

R1和D5的LED组成电源指示电路，显示电路是否工作[12]。

图3-1电源电路

由于7805普遍采用TO-220封装，其Vi-Vo≥2V。

所以选用较为常见的交流9V变压器，7805上的压降Vi-Vo=5V，在它的可承受范围之内。

其封装形式如下图3-2所示。

图3-27805封装

3.3时钟电路

单片机必须在时钟的驱动下才进行工作。

单片机内部有一个高增益的反相放大器，用于构成振荡器。

反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，分别是单片机的4脚和5脚。

在XTAL1和XTAL2两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。

如图3-3所示，电容C5和C6通常取30pF左右，对振荡频率有微调作用。

振荡频率范围一般是1.2MHz－12MHz。

较为常见的多取为6MHz和12MHz。

本系统中取12MHz[13]。

3.4复位电路

在MCS系列的单片机中，最为常见的和常用的复位电路便是如图4所示的复位电路，它能有效有实现上电自动复位和手动复位。

RST引脚是复位信号的输入端，复位信号为高电平有效，其有效时间就持续24个振荡周期以上才能完成复位操作，若使用12MHz的晶振，则需持续2μs以上才能完成复位操作。

图3-4中，在通电瞬间，由于RC的充电过程，在RST端出现一定宽度的正脉冲，只要该正脉冲保持10ms以上，就能使单片机自动复位。

在12MHz时钟时，通常C7可取22μF，R2可取1kΩ，这时就能可靠的上电自动复位和手动复位。

但是，对于AT89C51，由于在RST端内部有一个下拉电阻，帮可将外部电阻去掉，而将外接电容减小至10μF，这里为确保无误，电阻没有

去掉，而换为8.2kΩ。

图3-3时钟电路图

图3-4复位电路

3.5遥控发射电路

如图3-5所示，为该系统遥控发射器电原理图，其中P1口作为键盘扫描端口，具有16个操作键，可分别控制单片机发出16种不同脉冲，执行16种操作。

第9脚为单片机的复位脚，采用RC上电复位电路；15脚作为红外线遥控码的输出口，用于输出38kHz载波编码。

脉冲经9013放大然后由红外发射管输出；18、19脚接12MHz晶振。

P1.4—P1.7需接上拉电阻[14]。

图3-5遥控发射电路图

3.6遥控接收电路

如图3-6所示，为该系统遥控接收电路原理图，其中单片机的P1.0—P1.2口作为数码管的二进制数据输出，显示数字为“0—7”，“0”表示最暗，“7”表示最亮，采用带锁存功能的七段译码电路74HC4511集成块译码显示数值。

4511的LE端接89C51的30脚（地址锁存允许控制）；P0.0—P0.7以及P2.2—P2.7作为14个电器的电源控制输出，接口用继电器隔离输出。

P2.0口为调光脉冲输出,输出脉冲由三极管

图3-6遥控接收电路

9012放大后经光电耦合器MOC3021驱动双向可控硅控制负载；P3.0口为交流50Hz同步检测输入。

系统对市电进行变压、整流、并经施密特触发器整形后得到100Hz的方波（周期10ms），作为发送调光脉冲的同步信号，系统采用10ms为一个“单位时间”的长度，灯的亮度越高，则可控硅导通时间的占空比越大；P3.1口为红外遥控码输入，采用集成红外线接收路SFH506-38，此集成元件体积小、抗干扰性好、灵敏度高、并且价格低廉。

它仅有三个脚，分别是电源正极、电源负极以及信号输出端，其工作电压为5V左右，它的主要功能包括放大、选频、解调几大部分，要求输入是已经被调制的信号，经过它的接收放大和解调会在输出端直接输出原始信号至P3.1脚。

这款红外线接收电路接收距离可以达8米左右，完全可以满足室内的遥控距离；P3.2脚为外部中断0输入脚，采用下降沿触发，当有信号时，第一位码的低电平启动中断程序，实时接收数据帧。

第9脚为单片机的复位脚，采用RC上电复位电路；18、19脚接12MHz晶振[15]。

第4章遥控发射及接收控制程序流程图

4.1系统的遥控功能实现方法

4.1.1遥控编码格式

该遥控器采用脉冲个数编码，不同的脉冲个数代表不同的码，最小为2个脉冲，最大为17个脉冲。

为了使接收可靠，第一位码宽为3ms,其余为1ms,遥控数据帧间隔大于10ms,如图7所示。

4.1.2遥控码的发射

当某个操作键按下时，单片机先读出该键值，然后根据键值设定的遥控脉冲个数，再调制成38KHz的方波由红外线发射管发射出去。

P3.5端口的输出调制波如图7所示。

4.1.3数据帧的接收处理

当红外线接收器输出脉冲帧数据时，第一位码的低电平将启动中断程序，实时接收数据帧。

在数据接收时，先对第一位（起始位）码的码宽进行验证。

若第一位低电平码的脉宽小于2ms，将作为错误码处理；否则认为是起始码，累加器A加1。

当间隔位的高电平大于3ms时，结束接收，然后根据累加器A中的脉冲个数，执行相应的输出操作[16]。

4.2遥控发射程序控制流程图

4.3遥控接收程序控制流程图

图4-1遥控发射控制流程图

图4-2遥控接收控制流程图

第5章主要程序分析

5.1键盘扫描程序

本电路采用4×4矩阵式键盘电路，共16个按健开关可发送16种编码指令。

首先将立即数#0F0H送至P1口，再读入P1口值与#0F0H相比较，相等则说明没有键按下，返回。

不相等则表示有键按下，再调用延时消抖程序，确认有键按下。

转至行扫描程序确认按键所在的行，并将R2赋行号初值，然后调用列扫描程序确认按键所在列号。

列号与行号初值相加即得按键号（送寄存器A）。

（如附录一）

5.2键号处理程序

根据寄器A中的键号，首先执行A×3程序，（因为以下所执行的长跳转指令“LJMP”为3字节指令）然后使用散转指令“JMPA，@A+DPTR”跳到相应的程序标号。

各键号相应的程序标号均为一条长跳转指令，各跳转指令均指向与之相应的红外线脉冲赋值程序，最后跳转至脉冲发送程序，发出与键号相对应的脉冲。

（如附录二）

5.338KHz载波及编码脉冲发射程序

本系统所用的红外线接收集成电路SFH506-38的解调中心频率为38KHz,故发射频率也采用38KHz,通过定时器中断程序实现，每次溢出中断时对P3.5取反，输出38KHz载波。

计算得周期为26.3us,则定时器设定为模式2，初值为（256-13）=0F3H。

利用1ms与3ms延时程序控制定时器的启停，从而控制P3.5发出相应的脉冲。

并根据寄存器A中的脉冲个数确定发送次数。

（如附录三）

5.4遥控接收及处理程序

采用中断接收，经过红外线接收集电路SFH506接收处理后的脉冲信号送至P3.1与P3.2（中断输入脚，采用低电平触发），当接收到第一个低电平时将启动中断程序，实时接收数据帧，接收程序首先采用8us循环计时程序对第一位码（起始码）的码宽进行验证，当计时大于8×255＝2040us时则认为是起始码，开始对输入的脉冲进行计数与校验，将计数值送到累加A中。

脉冲高电位大于设定时间513×6=3072us时则结束接收，然后根据累加器中的脉冲个数，跳转至相应的操作子程序。

2——15个脉冲所对应程序分别控制每盏灯的开关，通过将相应输出端口取反方法，从而控制了灯的亮灭，系统上电时所有输出I/O口均为“1”（高电平）外接晶体管均无输出，当某个按键按下时，程序将相应端口取反，输出为“0”（低电平）外接晶体管放大后，驱动继电器继合亮灯。

再次按下该键时，程序再次将该相应端口取反，输出为“1”关灯，如此便控制了每一路灯的亮、灭。

16、17个脉冲为亮度调整信号，接收到该脉冲信号时，将P1口加“1”（调亮）或减“1”（调暗），然后再调亮度调整程序，亮度调整程序根据P1口的值确定灯的亮度。

（如附录四）

5.5调光程序

系统调光电路采用双向可控硅，利用它的“过零自动关闭”特性，AT89C51只需在每个交流信号的1/2周期（10ms）内控制可控硅打开的时刻，由于交流电过零点时可控硅自动关断，即间接控制了灯光的亮度。

上电时，首先调用调光程序，根据P1口值设定延时值并放在寄存器B中。

再根据P3.0输入的交流同步信号，确定调光脉冲的发送时间，当交流信号过零时调用调光程序，调光程序根据寄存器B中的值确定延时次数（每次延时512us）从而确定调光脉冲的发送时间，延时到P2.0置“0”经过外接晶体管反向放大后经光电耦合器隔离驱动双向可控硅导通的时间，当交流信号再次过零时，双向可控硅自动关闭，再次调用调光程序。

这样便控制了双向可控硅的导通时间，从而达到调光的目的[17]。

（如附录五）

5.6延时子程序

采用循环结构实现513微秒、10微秒、500微秒延时功能。

（如附录六）

第6章结论

上电，测试发送板单片机各IO口电平，P3.5、P1.0、P1.1、P1.2、P1.3均为低电平，其余均为高电平，表明单片机上电复位正常，且程序运行正常。

然后用万用表毫伏档测量红外线发射管两端，同时按各输入键，表针应有左右摆动现像，则表明键扫描程序与红外线发射程序运行正常，且在发射红外线脉冲。

接收电路上电时，数码管显示“7”各继电器及可控硅均无输出。

遥控信号输入脚P3.1应高电平。

则表明单片机上电复位正常，外围电路接线正确。

然后将发射板红外线发射管对准接收电路，按压输入键，同时用万用表测量P3.1脚，应有轻微摆动。

红外脉冲接收正常。

且相应输出继电器应动作，或调光电路应正确动。

如无动作或万用有针无摆动，可以稍为改动发射脉冲频率，将定时器初值改为（0FFH-12）=0F4H对应发射频率为41.7KHz或（0FFH-13）=0F3H对应发射频率为38.5KHz,因为红外线发射与接收电路的中心频率相差1KHz时大都能正常遥控，相差2KHz以上会出现遥控失灵现象。

大多晶振或接收电路都有一定的频率偏差，我们可以调整定时器的初值来稍为改动发射频率或换用12M晶振，直到能够接收为止。

调光程序调试，按调光键，调至显示“0”，此时灯为最暗，应熄灭。

否则可以改变调光程序中寄存器B中的值，加长或减少延时时间，使灯能在最低亮度时能正常熄灭，最高亮度时能达最大亮度。

按本程序中的值，实测数据如下表6-1。

表6-1系统调试实测数据

延时子程序为512us，电源交流电压