教学楼智能照明系统的设计与实现.docx

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教学楼智能照明系统的设计与实现

第27卷　第4期吉林大学学报（信息科学版Vol.27　No.42009年7月JournalofJilinUniversity（InformationScienceEditionJuly2009

文章编号:

167125896（20090420435206

教学楼智能照明系统的设计与实现

凌振宝a,b,邹得宝a,徐　民a

（吉林大学a.仪器科学与电气工程学院;b.地球信息探测仪器教育部重点实验室,长春130026

摘要:

为达到教学楼照明智能、节能的目的,设计了基于C51单片机的教学楼智能照明系统,包括日光强度

测量电路、热释电红外人体测量电路、遥控发送接收电路、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转接电路完成与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。

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:

教室照明;智能控制;节能;单片机

中图分类号:

TP23文献标识码:

A

DesignandRealizationofIntelligentLightingSystemforClassroom

LINGZhen2baoa,b,ZOUDe2baoa,XUMina

（a.CollegeofInstrumentationandElectricalEngneering;

b.KeyLaboratoryofGeo2ExplorationandInstrumentationofEducationMinistry,JilinUniversity,Changchun130026,China

Abstract:

Inordertoachievetheintelligentlightingandenergy2savinginacademicbuildings,theintelligentlightingsystemforclassroomisdesignedbasedonC51single2chip,includingthemeasurementofsunlightinten2sitycircuit,pyroelectricinfraredbodymeasurementcircuits,theremotecontroltotransmitandreceivecircuit,thedigitaladjustableelectronicballast,lampandmatchingsoftware.ThesystemiscontrolledbyC51,throughtheRS2485andRS2232/485communicationinterfacewiththePCadaptercircuittocompletecommunication,re2alizingmonitoringthestateofeveryclassroomandsettingofoperatingparameters.Systemtestingshowsthatitmeetsthedesignspecifications,andmeetsthelightingrequirementsofacademicbuildings.

Keywords:

classroomlighting;intelligentcontrol;energysaving;single2chip

引　言

在校学生近视的发病率偏高主要是由于对教室的照明设备使用不当,以及照明设备的老化,使学生无法在舒适的光环境下学习等原因造成的。

教室照明环境已成为影响学习及教学效率的重要因素之一,引起越来越多的人关注。

随着多媒体教学的不断增多,教室照明不仅要为教学提供所需的基本照度,还应能很好地辅助并推进教学活动,提供与之相适应的灯光环境,提高教学效率。

同时,学校教室长期大量存在的“长明灯”现象,浪费了大量的宝贵能源[1~3]。

现在国内已有的照明控制系统无法完全解决以上问题,且成本较高。

因此,为现代化教学场所配备智能照明控制系统已成为很多学校的迫切要求。

笔者基于系统设计的思想,依据传感器技术、单片机技术以及计算机通信技术,设计实现教学楼智能照明系统。

收稿日期:

2009204220

作者简介:

凌振宝（1966—　,男,河北唐山人,吉林大学副教授,硕士,主要从事传感器与智能仪器研究,（Tel862131********（E2maillingzhenbao@jlu1edu1cn。

1　系统原理

系统以单片机C51为核心[4]

是分布式、总线型的智能照明系统,其组成框图如图1所示。

系统图1　系统组成框图

Fig11Systemblockdiagram

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[5]

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[6~8]

用来控制灯的亮度或亮灭。

2　硬件设计

211　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

[9]

（见图2。

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3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[10]

。

图2　日光强度感应电路

Fig12Sunlightintensitysensorcircuit图3　A/D转换电路原理图

Fig13A/Dconvertercircuitschematic

212　热释电红外人体检测模块设计

热释电红外传感器RE200B包括滤光晶片,其截止波长7~10μm,与人体辐射红外中心线波长9~10μm相对应。

将灯光、太阳光等辐射滤除,以抑制干扰,从而将人体和其他物体区分开;热释电感应源将透过滤光晶片的红外辐射能量的变化转换成电信号,即热电转换;场效应管匹配部分起阻抗变换作用,使输入阻抗高而输出阻抗低

[11,12]

。

RE200B配以菲涅尔光镜,可扩大探测的有效范围和角度。

菲涅尔光镜不仅可以检测空间辐射的红

外光线聚焦到传感器上的能量,还能敏锐地体现这些红外线能量的变化。

菲涅尔光镜通过对光滑的光学镜面作棱状或柱状处理,将检测空间割裂为一系列交替的狭小红外“感应区”和“空白区”,人在其间移动,就会使有些“感应区”内的红外线时有时无,传感器接收到的是相应变化的光脉冲,从而提高了接收灵敏度,使探测距离提高到5~8m

[11,12]

。

信号调理单元采用红外热释电处理芯片BISS0001,配以少量外接元器件构成。

BISS0001是由运算

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放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电

路,结构新颖,性能可靠,调节范围宽,性价比较高[13]

其电路如图4所示

。

图4　热释电红外人体检测电路

Fig14Pyroelectricinfraredhumandetectioncircuit

213　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[14]

。

214　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[4]

。

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所示

。

图5　单片机的485接口电路图

Fig15Single2chip485interfacecircuit

但PC机不具备485接口,故采取两标准相结合的方案,即PC机通过232/485转接设备接入485总

线网络,转换电路[10]

如图6所示。

RS2485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合,抗共模干扰能力增强,即抗噪声干扰性好。

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在100kbit/s的传输速率下,可达到最大的通信距离约为1219m。

如果需传输更长的距离,需增加485中继器。

RS2485总线一般最大支持32个节点,如果使用特制的485芯片,可达到128个或256个节点,最大的可支持到400个节点。

RS2485驱动芯片采用MAX481,该芯片内部集成了一个驱动器和一个接收

器,性能满足系统需要,且易于获取,价格便宜[10]

。

图6　RS232/485转换电路Fig16RS232/485converter

3　软件设计

智能照明系统软件程序部分主要分为无线遥控开关模块、液晶显示及与上位机通信模块[15]

、中断

模块、检测延时模块和调光模块,其流程图如图7所示

。

图7　程序流程图Fig17Processflowchart

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当开始、初始化完成后,荧光灯全功率运行,初始化的标准照度设定是1000lx。

主程序是个while的无限循环,包括液晶显示及与上位机通信模块、调光模块、常开荧光灯函数LightOn和关闭荧光灯函数LightOff。

主程序先判断是否有无线遥控置位,如有则调用函数LightOn或LightOff。

液晶显示模块的功能函数为液晶显示函数Display,在检测1s后显示当前照度及人员情况。

中断模块用两个Timer定时器,TimerA产生1s定时,当TimerA计时时间到时,中断工作读取预设定的照度值E1;调用A/D照度转换函数ReadADC,读取当前照度值E2;调用液晶显示函数Display显示E1及E2。

如果外部照度大于预设照度,则设置High-E,调用函数LightOff关闭荧光灯;反之,当第一次检测到照度差值小于100时,调用检测延时模块的延时函数N-Delay,计数值count加1。

当count值为5时,即连续5次（5s确认照度差值大于100,设置需调光E:

Adjust-E,并存储5次的差值。

调用光模块函数Adjust:

检测Adjust-E时,将储存的5次差值取平均值Average,增减100后开启TimerB定时器,中断时置位控制数字电子镇流器进行调光,直到Average值在100以内,完成调光。

4　系统测试

测试实验条件:

保持日光强度检测模块固定不变,热释电红外人体检测模块监测区域内有人,无遥控按键强制开关灯,预设照度为1000lx。

实验测量的数据如表1所示。

由表1测试数据可知,在预设照度为1000lx的情况下,当前照度不小于1000lx时,单片机控制荧光灯处于熄灭状态。

当前照度小于1000lx时,调光后的误差小于100lx。

无线遥控按键强制开关灯的状态,遥控器距离灯20m处测试反应灵敏,通过多次实验,遥控器有效距离不小于25m。

热释电红外模块测试:

将热释电传感器固定在离地面3m处的教室棚顶,其敏感区域是以传感器在地面投影为中心、半径为4m的近似圆域。

与上位机通信测试:

通信正常,能设置系统工作参数,实时显示当前教室荧光灯工作状态、教室日光强度及人员情况。

在一天中不同时间的测试结果仍然与实际情况吻合。

表1　测试数据

Tab11Testingdata

调光等级

预设照度E1/lx

当前照度E2/lx调光后照度E3/lx照度误差E/lx

+015

1000

89

1042

+42

+412

　　可见,通过对系统不同功能进行测试,系统工作正常,与设定值相比调光误差为±510%,测试效果良好,满足实用的要求。

5　结　语

基于C51单片机的教学楼智能照明系统,能完成对教学楼内各种教室及楼道照明的智能控制,精度在要求指标范围内,并可与上位机进行通信,通过上位机集中设置、监控每个灯的工作状态。

与国内已有同类照明系统（C2BUS智能照明系统相比,节能比例高出约15%,并初步实现了智能化。

只需在原有线路上稍加改造,即可达到节约电能、健康照明、辅助教学的目的。

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