节能照明自动控制系统设计.docx
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节能照明自动控制系统设计
节能照明自动控制系统设计
摘要：
系统针对学校、图书馆等场所出现的照明浪费现象，分析了室内灯光智能控制的原理和实现方法，提出了基于单片机的室内灯光智能控制的设计思路。
该系统以STC12C5A60S2单片机作为控制装置的智能部件，采用热释红外传感器检测人体的存在，采用红外对管检测进出室内的人数，采用光敏电阻构成的电路检测环境光的强度；根据合理开灯的条件，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，完成对室内照明回路的智能控制，避免了用电的大量浪费。
关键词：
节能照明；热释电人体红外；自动控制
TheDesignofEnergySavingLightingControlSystem
Abstract:
Thesystemistoaprodigalphenomenonoftheilluminationbywhichthelocationoftheclassroomandtheschoollibraryappears.Inordertoimprovethesystem,basedoncontrolandcurrentmethodsofhowtokeepcontrol，developingintelligentclassroomlightcontrolsystemanddevelopedthehardwareandsoftwaresystem.Thisclassroomlightintelligentcontrolsystemthetheoryofthelightputforwardmethodsofonthebasisofstc125a60s2isdeveloped,whichmachineofAT89C52isamajorpart,andtheenvironmentofdevelopmentisbetterthanbefore.Thissystemcansatisfythefollowingfunctions,suchascontrollingthecircuitofillumination,testingandprocessingdaylightsignal,testingandprocessingthesignalofhumanbodythatilluminatesthebacktrackexists,reportingtothewarningdevices.Theconditionwhichisthelightrationallytocompleteanintelligentcontroltoacircuitofroomlightinganduseelectricitycamenear,andjudgedasystemassignalingofexistenceofahumanbodyandsignaldistinctionofambientlighttointelligence,andwassavedfromagreatdealofwaste.
Keywords:
Energy-savinglighting；Heatreleaseinfraredsensors；Automaticcontrol
第1章绪论
1.1课题背景
随着时代的发展，人类社会发生了翻天覆地的变化。
但是伴随着变化越来越多的问题接踵而来，而能源问题和环境问题是其中的两个比较重大问题，特别是在如今，解决能源问题和环境问题是国家长期发展的重中之重。
而在众多的能源问题之中，电能的短缺是束缚经济的发展和人民生活的重要问题之一。
现今在许多公共场合，如学校、图书馆等场所，绝大数依赖人工管理，由于数量多，常常会出现只有少数在室内或光线充足的情况下，整个场所的照明灯全开的现象；更有甚者在无人的情况下仍然开启大量的照明灯的现象，这造成了不必要的电能浪费和经济损失。
随着经济的发展和科技的进步，人们对照明灯具节能和科学的管理提出了更高的要求，使得照明控制在智能化的领域的地位越来越重要。
选择合理的照明方案，配置先进的控制系统，不仅体现在节约能源，减低学校运行成本，提高学校的科学管理水准，而且具有极大地经济意义和社会效益。
因此，必须在保证照明质量的前提下，采取措施来遏制公共场所用电的浪费现象，这不仅是为了眼前的经济利益，而是为了建立环境友好型的社会，顺应社会经济发展的低碳革命，必须做出的节能减排的举措。
1.2国内外研究现状
目前国内几种常见的照明控制系统有以下几种:
（1）Dynalite智能照明控制系统
该系统主要由调光模块、开关模块、控制面板、液晶显示触摸屏、智能传感器、编程插日、时钟管理器、手持式编程器和PC监控机等部件组成。
采用DyNet网络连接，DyNet是一个分布式智能化网络，使用RS-485通讯协议。
（2）C-Bus智能照明控制系统
C-Bus系统是1994年由澳大利亚奇胜电气公司开发的，现已广泛用于很多国家和地区。
C-Bus系统是一个二线制的总线型式的智能控制系统，主要用于对照明系统的控制。
也可用于消防等系统中的联动控制。
（3）ABBi-busEIB智能安装系统
EIB智能系统由总线、总线电源、智能传感器（光线传感器、模糊开关、时间控制器、移动传感器）、智能开关驱动器和其他智能元件（逻辑模块总线祸合器）构成。
它是典型的现场总线系统，每个元件就是一个节点，这些节点连接在一根2芯双绞线介质的总线上，不分主从隶属关系实现相互之间的通讯从而实现控制和被控制。
1.3论文的主要工作
本文分析了国内外智能照明控制系统的研究现状和产品现状，在查阅和消化大量资料的基础上，结合自身研究的实际情况实现了利用STC12C5A60S2单片机和热释电人体红外传感器模块搭建照明控制系统的方案，在充分理解热释电人体红外模块和MCU的基础上，对具体的硬件和软件设计原理进行具体而详细的分析，并使用上位机记录相关信息。
本文主要进行以下的研究：
（1）提出系统的总体设计方案并对其进行研究与论证。
（2）系统的硬件电路设计与制作。
（3）软件设计主要有MCU对采集信号的处理和判断、TFT彩屏的驱动、上位机程序的编写。
第2章系统总体方案的论证与设计
2.1整体系统方案的设计
本设计主要研究的内容是设计一套节能照明控制系统，同时通过STC12C5A60S2单片机来管理整个系统的工作，单片机主要功能为人数的统计、控制电灯的开关，TFT彩屏的显示、上位机的通讯等。
热释电人体红外模块主要是由热释电人体红外传感器采集人体存在信号，在由BISS00001集成电路将采集到的信号转换为高低电平。
系统由人数统计模块、光照检测模块和灯控模块辅助构成。
总体设计方案框图2-1如下：
图2-1系统整体设计图
2.2硬件方案的选择
2.2.1MCU的选择
MCU的选择有以下二种方案：
方案一：
采用STC89C52。
52单片机价格便宜，应用广泛，有很多的资料可以借鉴，适合初学者制作低成本的系统。
方案二：
采用宏晶STC12C5A60S2单片机作为控制器的方案。
该系列单片机是一款16位精简指令集、超低功耗的混合型单片机。
它的I/O资源丰富，中断资源丰富，且内置了在线仿真编程接口和集成A/D电路。
分析以上两种方案，由于52单片机设计较为繁琐，I/O口较少，而STC12C5A60S2有40个可用I/O，又考虑到STC12C5A60S2具有低功耗等优点，加上集成A/D电路，故选择第二种方案——STC12C5A60S2为下位机MCU。
2.2.2灯光控制方案分析
本电路具有对教室内的人数进行统计和对光照情况进行鉴定的功能，并对灯光进行实时控制，达到方便和节约能源的目的。
电路有两种控制方式：
自动控制状态和强制执行状态。
自动控制状态：
电路上点复位后自动处于自动控制状态，当环境光照充足时且教室光照强度大于设定值时，不管有没有人，灯都不亮。
若教室光照强度小于设定值，控制会根据人数多少来确定灯的开关，如果有人进入教室，红外传感器感应到后把信号经过隔离缓冲送到CPU且数码显示电路显示人数为1，同样再有人进出则显示器上数字自动加减1。
强制执行状态：
在电路正常工作的情况下，按下强制开关可以通过人对教室灯进行强行控制，再通过按下此按钮也可以恢复到自动控制状态。
2.2.3显示模块的选择
目前市面上的显示模块非常之多，如12864，1602等传统的显示模块，TFT类型的液晶显示屏在手机的广泛应用，TFT液晶显示屏的技术也很快应用到了普通的电子产品中，本设计主要有以下两种方案可供选择：
方案一：
单色液晶显示，显示黑白图案，虽然控制简单但是画面单调。
方案二：
TFT-LCD真彩液晶显示，分辨率高、亮度好、对比度高、层次感强、颜色鲜艳、视觉效果好、符合主流电子产品设计。
结合本系统设计的实际应用，为使显示画面更加直观大方、生动形象,选择方案二，本设计最终选择的是晶门科技的TFT-LCD液晶显示屏，此外该液晶屏还具有低功耗等特点。
2.3软件设计方案选择
在本设计中，STC12C5A60S2单片机程序设计可以使用汇编语言和使用C语言，由于汇编语言有一定的局限性，因此本设计采用C语言作为程序设计语言，C语言是国内外广泛使用的一种计算机语言，C语言功能丰富、表达能力强、使用灵活方便、应用面广、目标程序效率高、可移植性好，既具有高级语言的优点，又具有低级语言的许多特点。
许多以前只能有汇编语言处理的问题目前也可以由C语言来处理，也能够充分发挥STC12C5A60S2单片机的功能，提高软件开发、执行效率，增加程序可读性、可靠性和可以执行性。
本设计所使用的程序编写软件为Keil编译软件。
下位机软件设计主要分三部分：
对采集到的信号的处理、灯光的控制、液晶显示驱动程序和自动控制与手动控制之间的切换问题。
液晶显示驱动程序的功能主要有：
初始化LCD、接受显示汉字数据包。
本系统还涉及到对室内人数和开灯状况的储存问题，以方便对教室照明使用情况的统计。
主要记录各个时间段内室内人数和使用照明的情况。
上位机程序设计的软件主要有VisualC++6.0、TurboC和VisualBasic6.0三种，其中TurboC编程主要在DOS环境下完成，由于DOS操作系统系，不能像Windows操作系统一样有API，而是直接操作硬件端口来实现编程，因而使用TurboC来编写上位机应用程序将十分困难，故舍弃使用TurboC编写上位机的方案。
VisualC++是一个功能非常强大的可视化软件开发工具，VisualC++不仅是一个C++编译器，而且是一个基于Windows操作系统的可视化集成开发环境，由于VisualC++含有许多程序开发工具，且VisualC++的程序设计也十分复杂，不适合初学者进行复杂的程序设计，故舍弃使用VisualC++编写上位机的方案。
因此本设计的上位机程序设计部分使用VisualBasic来编写，VisualBasic（简称VB）是Microsoft公司推出的一种Windows应用程序开发工具，它具有简单易学、操作方便、功能强大等特点。
“Visual”指的是开发图形用户界面（GUI）的方法，即可视化，一般不需要编写大量代码，描述界面元素的外观和位置，只把需要的控件放到屏幕上相应的位置即可，很方便的设计图像用户界面。
2.4最终设计方案概述
节能照明控制系统设计使用宏晶公司的STC12C5A60S2单片机作为主要控芯片，热释电人体红外模块选择基于红外线技术的自动控制模块HC-SR501，液晶显示屏选用普中科技公司的TFT液晶显示屏。
软件设计主要使用keil软件编写程序，整个下位机软件设计重点主要在TFT驱动程序，对采集信号的处理和对照明装置的控制。
整个系统方案设计的主要工作流程是通过对光照强度的检测和室内人员情况（包括人数和人员分布位置）的检测，经STC12C5A60S2单片机的处理以达到合理的开灯条件，在将开灯状况和人数传到上位机进行数据记录。
结构框图如图2-2所示：
图2-2系统整体框图
第3章系统硬件设计
本系统选择宏晶公司的STC12C5A60S2单片机作为下位机的主控芯片，主要硬件设计包括STC12C5A60S2的系统板搭建、热释电人体红外模块电路、人数统计电路和光照检测电路等，下面将逐个介绍。
3.1电源电路设计
本系统设计使用输出为DC5V/1A的直流电源适配器作为系统电源，而STC12C5A60S2单片机的工作电压范围为1.8V—3.6V，TFT液晶模块的工作电压范围为1.4V—3.6V。
MAX232芯片一般情况下工作电压给定为5V，最高工作电压可达12V，而HC-SR501人体感应模块的工作电压范围为4.5V—20V,为了保证HC-SR501正常工作将电源给定电压设置为5V，在充分考虑其它外围芯片的供电电压和功耗情况下，将STC12C5A60S2单片机和TFT的工作电压设置为3.3V，使用3.3V稳压芯片AMS1117供电，MAX232和HC-SR501人体感应直接使用输出电压为5V的直流电源适配器供电。
电源电路部分原理图如图3-1所示：
图3-1系统电源电路
3.2STC12C5A60S2最小系统电路设计
该系统采用STC12C5A60S2单片机处理芯片，其是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机速度是普通51单片机的8—12倍，STC单片机还可以通过串口（P3.0和P3.1）直接下载用户程序。
内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，方便了设计的要求。
单片机最小系统主要还有晶振电路、复位电路。
3.2.1复位电路设计
在含有控制器的电路系统中，都必须要有相应的复位电路，这样能够使系统在上电后，很好地复位系统并使系统处于稳定的运行状态。
一般简单的复位电路可以采用RC复位，这种电路的稳定性一般、可靠性较高，但是在超高速和超大系统中最好不要采用RC复位电路，在这种情况下RC复位电路达不到系统复位的效果。
对于STC12C5A60S2单片机而言，通过上电复位和上电清除信号均可以使系统复位，POR信号是器件的复位信号，此信号只有在器件上电时和RST引脚上产生低电平时才会产生，当POR信号产生时必然会产生PUC信号，而PUC信号产生时不会产生POR信号，还有当启动看门狗和看门狗定时器计数满、向看门狗写入错误的安全参数值、向片内Flash写入错误的安全参数时会产生PUC信号[4]。
本设计所使用的复位电路就是指产生POR信号的复位电路，在RST引脚上产生低电平复位系统，此复位电路可以采用RC复位电路，而且实践中RC复位电路也用得最多，对于一般系统使用RC复位电路的复位效果很好，本设计RC复位电路设计如图3-2所示：
图3-2复位电路
3.2.2晶振接口电路
STC12C5A60S2单片机的时钟在常温下内部R/C震荡频率为8MHz-12MHz,如果外部时钟频率在33MHz以上时,建议直接使用外部有源晶振；如果使用内部R/C振荡器时钟（室温情况下5V单片机为:
11MHz～15.5MHz,3V单片机为8MHz～12MHz）,XTAL1和XTAL2脚浮空；如果外部时钟频率在27MHz以上时,使用标称频率就是基本频率的晶体，不要使用三泛音的晶体，否则如参数搭配不当，就有可能振在基频，此时实际频率就只有标称频率的1/3了，或直接使用外部有源晶振,时钟从XTAL1脚输入,XTAL2脚必须浮空。
在综合分析设计需要后采用最采用的内部时钟方式。
内部时钟方式是采用外接晶体和电容组成并联谐振回路。
电容C1，C2的取值对振荡频率输入的稳定性、大小以及振荡电路起振速度有一定的影响，所以就取典型值30pf。
晶振接口电路设计如图3-3所示：
图3-3晶振电路
3.3人数统计模块
人数统计模块是由两对红外对管所构成，分别平行安于门的内外两侧，根据触发的先后顺序来判断人的进出[2]。
当外侧的红外对管先触发，然后里面的红外对管在触发，则是人员进入室内；反之，则为人员从室内出去。
红外对管电路主要由红外发射管、接收管和电压比较器构成。
电路图如图所示，当没有人通过红外对管时接收管导通，比较器正极+输入端输入电压小于-输入端输入电压，则比较器输出低电平；当人经过，遮挡着接收管时，接收管处于截止状态，比较器的+输入端输入电压高于-输入端输入电压，则比较器输出高电平。
电路图如下：
图3-4红外对管人数采集
3.4热释电人体红外模块
3.4.1热释电红外传感器介绍
热释电红外传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。
在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。
由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。
为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10-20米范围内人的行动。
菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。
当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。
人体辐射的红外线中心波长为9-10um，而探测元件的波长灵敏度在0.2-20um范围内几乎稳定不变。
在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7-10um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。
热释红外线传感器内部结构与电路如下图4所示。
热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。
它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有ΔT的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生一微弱电压ΔV。
由于它的输出阻抗极高，所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。
热释电效应所产生的电荷ΔQ会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，ΔT=0，传感器无输出。
当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有信号输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。
热释电红外传感器的结构及内部电路见下图所示。
传感器主要有外壳、滤光片、热释电元件PZT、场效应管FET等组成。
其中，滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。
滤光片为6mm多层膜干涉滤光片，对太阳光和荧光灯光的短波长（约5mm以下）可很好滤除。
热释电元件PZT将波长在8mm-12mm之间的红外信号的微弱变化转变为电信号，为了只对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅耳滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用[7]。
图3-5热释电红外线传感器的结构及内部电路
热释电红外探头的优缺点：
优点：
本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。
价格低廉。
缺点：
容易受各种热源、光源干扰；被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收；环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。
3.4.2BISS0001芯片介绍
BISS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。
它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。
它不仅能和热释电红外传感器的输出良好地匹配，而且也能和其他多种传感器进行匹配。
它的内部是由运算放大器、电压比较器、与门电路、状态控制器、定时控制器、锁定时间控制器和禁止电路等组成。
BISS0001采用16脚标准型塑料封装结构，封装结构图如下图3-6所示。
管脚说明如下表3-1所示。
图3-7BISS001管脚图
表3-1BISS0001管脚说明
引脚
名称
I/O
功能说明
1
A
I
可重复触发和不可重复触发选择端。
当A为“1”时，允许重复触发；反之，不可重复触。
2
VO
O
控制信号输出端。
由VS的上跳变沿触发，使Vo输出从低电平跳变到高电平时视为有效触发。
在输出延迟时间Tx之外和无VS的上跳变时，Vo保持低电平状态。
3
RR1
--
输出延迟时间Tx的调节端
4
RC1
--
输出延迟时间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
--
工作电源负端
8
VRF
I
参考电压及复位输入端。
通常接VDD，当接“0”时可使定时器复位
9
VC
I
触发禁止端。
当VcVR时允许触发
10
IB
--
运算放大器偏置电流设置端
11
VDD
--
工作电源正端
12
2OUT
O
第二级运算放大器的输出端
13
2IN-
I
第二级运算放大器的反相输入端
14
1IN+
I
第一级运算放大器的同相输入端
15
1IN-
I
第一级运算放大器的反相输入端
16
1OUT
O
第一级运算放大器的输出端
下图3-7中，运算放大器OPl将热释电红外传感器的输出信号作第一级放大，然后由C3耦合给运算放大器01：
2进行第二级放大，再经由电压比较器COPl和ODP2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号vs去启动延迟时间定时器，输出信号VO经晶体管T1放大驱动继电器去接通负载[1]。
图3-7热释红外传感器处理芯片
3.4.3BISS0001工作原理
BISS0001是由运算放大器、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。
当热释电红外传感器接收到人体红外辐射后输出检测信号，然后由14脚输入BISS0001,经地内部电路处理，由2脚输出探测信号（正向脉冲信号）。
输出脉冲信号的宽度由外接电阻R9和电容C6来决定。
当2脚输出控制脉冲后，电子开关被接通，数字编码电路和无线电发射电路由于得到电源而开始工作。
电源变压器为5W/15V，E为12V免维护蓄电池，供停电使用。
S1为锁控电源开关，可根据需要安装在适当处所，用来接通工作电源，无必要时可取消设置。
BISS0001应用线路图如7所示。
图3-8BISS0001的热释电红外开关应用电路图
上图3-8中，运算放大器OP1将热释电红外传感器的输出信号作第一级放大，然后由C3耦合给运算放大器OP2进行第二级放大，再经由电压比较器COP1和COP2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号Vs去启动延迟时间定时器，输出信号Vo。
上图3-8中，R3为光敏电阻，用来检测环境照度。
当作为照明控制时，若环境较明亮，R3的电阻值会降低，使9脚的输入保持为低电平，从而封锁触发信号Vs。
SW1是工作方式选择开关，当SW1与1端连通时，芯片处于可重复触发
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