阅览室照明控制系统设计.docx
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阅览室照明控制系统设计
中国石油大学（华东）现代远程教育
毕业设计（论文）
题目：
阅览室照明控制系统设计
学习中心：
重庆信息工程专修学院奥鹏学习中心年级专业：
0409级电气工程及自动化
学生姓名：
王雅学号：
02
指导教师：
韩亚军职称：
讲师
导师单位：
重庆信息工程专修学院
中国石油大学（华东）远程与继续教育学院
论文完成时间：
年月日
中国石油大学（华东）现代远程教育
毕业设计（论文）任务书
发给学员王雅
1．设计论文题目：
阅览室照明控制系统设计
2．学生完成设计论文期限：
年月日至年月日3．设计论文课题要求：
完成阅览室照明的智能控制，通过室内光线的强弱，再根据室内人数的多少，来控制开灯的数目，从而达到节能的目的，减少管理人员的工作量。
4．实验（上机、调研）部分要求内容：
5．文献查阅要求：
.CMOS集成电路原理及应用[M].北京:
光明日报出版社,1987
[2]蔡雅铮.计数器及其逻辑设计[M].北京:
高等教育出版社,1985
[3]黎民.数字计数器的制作与使用[M].香港:
香港万里出版社,1982
[4]朱达斌.模拟集成电路的特性及应用.北京:
航空工业出版社,1994
6．发出日期：
年月日
7．学员完成日期：
2007年12月23日
指导教师签名：
学生签名：
摘要
在阅览室的门上安置一个光电可逆计数器，记录在阅览室内的人数，进一个人计数器加一，出一个人减一，当人数为0的时候，电灯在任何情况下都不会被点亮。
2，在窗口附近，安装一个亮度传感器，测自然光亮度。
当人数大与0时，如果室内光照达到预先设置的值（晴朗的白天），室内的灯全灭。
当室内光强达不到预先设置的值时（夜晚或阴天），判断人数，亮灯个数基数+变数。
本系统通过判断人的进出情况，把自习室当前的人数同过LED数码管动态显示出来。
并综合人数和室内亮度判断亮灯的情况。
学校图书馆的阅览室，自习室以及书库等地是出入人数较多的地方。
因此，这些地方的灯光照明几乎是从上班开始直到下班为止，不管这些地方是否有人，也不管有多少人。
当日照满足照明度要求时，把灯熄灭，一旦自然光照度难以满足人的需要时，不能及时打开灯光，给人的视力带来损害。
显然这种照明方式，从照明的角度上来说是非节能的；从人的角度来看，根本不能满足人的基本的照明要求。
科技以人为本，从人的需求出发：
即在有人活动的地方必须有足够的照度（无论是日照还是人工照度）；没有人的区域，应该熄灭灯光，以节约能源。
关键：
校园智能照明系统光控灯光电可逆计数LED显示屏
i
目录ii
第1章前言1
第2章智能照明控制系统3
2.1智能照明控制系统的优越性3
3
3
实现多种的照明效果3
提高管理水平3
2.2校园照明控制系统的基本组成部分4
照明控制器4
可编程开关4
照度传感器4
2.3图书馆4
第3章光控灯6
3.1工作原理6
3.2制作与使用9
第4章光电可逆计数器11
4.1光电可逆计数器系统的原理11
4.2器件选型12
接收电路12
放大整形电路13
计数器13
译码器14
4.3设计15
电源的制作15
光信号的放大整形电路制作15
十进制计数单元的连接16
与显示器的连接17
第5章LED显示屏及转换18
5.1LED的优点18
5.2LED显示屏18
LED点阵电子显示屏18
系统硬件设计19
显示与控制的设计20
5.3单片机动态显示控制21
5.4PC机控制程序22
第6章结论25
致谢26
参考文献27
第1章前言
新校园的建设也要适应这个网络时代的发展，引入智能化的概念。
在传统的楼宇自控系统中，一般只包括了综合布线、计算机网络、安防、消防、闭路电视监控等子系统。
但近年来，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管理提出了更高的要求，使得照明控制在智能化领域的地位越来越重要。
而在大学新校区的建设热潮中，各大高校和他们的建设者也意识到了智能照明的重要性。
相对商业楼宇而言，大学校园里的大功率动力和制冷设备比重较少，照明灯具则相对比重更多。
使用照明控制系统，更能体现其在节能与管理方面的优势，提高学校的科学管理水平。
随着经济的发展，我国的智能建筑发展很快，对智能建筑的内涵理解为通过综合配置建筑物内的各功能子系统，以综合布线为基础，以计算机网络为桥梁，全面实现对通讯系统、办公室自动化系统、大楼内设备的综合管理。
为了节能，其照明系统已控制到假设15分钟内一个办公区域的全部员工仅操作电脑，而不出现人员走动，那么，该区域内的照明系统就将其感应为无人工作而自动熄灭灯光。
为此，本文设计了一种节能照明系统，该系统用于图书馆的照明，亦可以用于学校教室等地。
学校图书馆的阅览室，自习室以及书库等地是出入人数较多的地方。
因此，这些地方的灯光照明几乎是从上班开始直到下班为止，不管这些地方是否有人，也不管有多少人。
当日照满足照明度要求时，把灯熄灭，一旦自然光照度难以满足人的需要时，不能及时打开灯光，给人的视力带来损害。
显然这种照明方式，从照明的角度上来说是非节能的；从人的角度来看，根本不能满足人的基本的照明要求。
科技以人为本，从人的需求出发：
即在有人活动的地方必须有足够的照度（无论是日照还是人工照度）；没有人的区域，应该熄灭灯光，以节约能源。
根据满足人的基本照明的要求，必须有两种传感器：
一是探测人体活动区域的传感器，一是照度传感器。
为了让灯光控制自动化，必须进行联动，使用微处理。
第2章智能照明控制系统
2.1智能照明控制系统的优越性
节能
节能是照明控制系统的最大优势。
传统的楼宇公共区域照明工作模式，只能是白天开灯，晚上关灯。
而采用了智能照明控制系统后，我们可以根据不同的人流量把不必要的照明关掉，在需要时自动开启。
同时，系统还能充分利用自然光，自动调节室内照度。
控制系统实现了阅览室高效照明工作模式，在保证必要照明的同时，有效减少了灯具的工作时间，节省了不必要的能源开支，也延长了灯的寿命。
提高效率
良好的工作环境是提高工作效率的一个必要条件。
合理地选用光源、灯具及性能优越的照明控制系统，都能提高照明质量。
智能照明控制系统具有开关和调光两种控制方法，可以有效地控制照明场所的平均照度值，从而提高照度均匀性。
同时，系统能根据不同的时间段，人们的不同需要，自动调节照度。
实现多种的照明效果
智能照明控制方式可以有效地控制照明场所的平均照度值，从而提高照度均匀性。
同时，系统能根据不同的时间段，人们的不同需要，自动调节照度。
提高管理水平
智能照明控制系统是以自动控制为主、人工控制为辅的系统。
在一般的情况下，不需要有人的参与，照明系统自动实现开关和调光功能。
既大大减少了管理人员的数量，也排除了由于人为因素而出现的不定时开关，影响学校的正常教学、生活秩序的情况出现。
2.2校园照明控制系统的基本组成部分
照明控制器
智能照明控制系统的核心部分，由控制模块电路、驱动模块电路、照明专用自锁继电器组成。
每个照明控制器均可独立工作，也可以由计算机中心控制。
主控中心停止工作或通讯中断不影响控制器的正常运行。
控制器有多种规格，单个控制器最多可控制48个回路。
一个系统内最多可连接500个控制器。
可编程开关
智能的弱电开关，有1~8键等各种规格，开关本身使用24V安全电压，不会有漏电的危险，开关操作时也不会出现打火和拉弧，确保安全。
可编程开关上的每一个按键所控制的回路均由计算机编程设定，单键可控制多个回路，可根据情况变化随意更改组合，使用起来灵活、方便。
照度传感器
核心部件是光电耦合器，通过感应外部自然光源的照度来调节室内照明的亮度，实现智能探测和智能调节的功能。
2.3图书馆
大学城某学校图书馆，共六层，每层均分为A、B、C三个大区。
首层是计算机中心、书库，并有一个150座位报告厅；二至五层是图书阅览室，六层的A、B区是阅览室，C区是资料库。
大阅览室照明使用三管日光灯，阅览区平均照度300lux，藏书区照度200lux。
照明控制方式采用开关控制方式，根据区域和隔灯方式划分回路。
每个阅览室设一个照明控制器，与照明配电箱一起安放在服务台旁，以便管理。
门口安装可编程开关，开关控制的回路由编程确定，其中每个开关均设定其中一键控制整个阅览室灯具。
书库和计算机中心考虑到书籍保护和计算机使用的要求，照度相对较低，控制方法与大阅览室相同。
第3章光控灯
光控灯应用范围很广，如自动路灯，走廊灯……图3-1就是一个简单实用的光控灯电路，利用光敏电阻Rp感光效应（光越强阻值越小）控制Q1Q2的导通与截止，实现灯（此处用LED，当然读者也可以用小灯泡，也能加可控硅或继电器去驱动日光灯）的亮灭自动开关。
图3-1光控灯图
3.1工作原理
当有光照射到光敏电阻时，其阻值减小（几十K左右），Q1基极电压被拉低而截止，Q2基极电压升高Q2截止，LED灭；反之光敏电阻没有光照时，其阻值增大（几M），Q1基极电压升高并使其导通，Q2基极电压降低，Q2饱和导通，LED得电发光。
光控灯工作时间的控制，如图3-2，3-3在一定的光亮度下发光，差分放大电路具有很大的灵敏度，其发射极电流为1uA，此后接BCY58X作进一步的放大。
图3-2工作原理图
图3-3亮灯时间和电流关系图
光控灯开关的电路如图3--4虚线框内所示。
VS是普通单向晶闸管，其触发信号由电阻器R和光敏电阻器RL对220V交流电的分压（忽略电灯丝电阻）得到。
VD是普通二极管，主要用于防止RL两端反向电压对VS控制极的损坏。
白天，环境自然光线较强，RL呈低阻值（≤2kΩ，RL两端交流电压小于VD和VS控制极的导通电压（约0.65V＋0.65V1.3V），VS处于阻断状态，电灯H不亮；夜晚，环境自然光线变暗，RL呈高阻值（＞1MΩ），VS从RL两端获得足够触发电压而导通，H通电自动点亮。
由于每次夜幕降临电灯点亮时，灯的亮度是随着外界自然光线的减弱而逐渐由暗变最亮的，故避免了使用普通机械开关时，每次开灯瞬间比正常时大10倍以上的强电流对灯丝的冲击，有效防止了灯丝的过电流速损；另外，H工作时加在它两端的是半波脉冲电压，实测直流平均电压约99V，灯泡实际功率仅为标称功率的30%左右，这不仅节电，而且还能有效防止因夜深电网电压升高而造成的灯丝过电压速损，使得灯泡使用寿命大大延长。
笔者单位厕所里的照明电灯，在使用本开关之前，每月要更换2－3只白炽灯泡，现在使用本开关一年多时间，尚未更换过一只灯泡。
该开关在白天自身耗电甚微，实测总电流＜22μA。
图3-4光控灯开关图
VS选用MCR100-8（1A、600V）或BT169D（1A、400V）型普通塑封单向晶闸管，要求控制极（也叫门极）触发电流Ig＜20μA。
VD用1N4004型硅整流二极管。
RL用MG45-12型非密封光敏电阻器，其它亮阻≤2kΩ、暗阻≥1MΩ的光敏电阻器也可代用。
R采用RTX-1/8W型碳膜电阻器。
注意事项:
1.尽量按电路图中元件位置按从左到右自上而下的顺序插接这样可以减少误连和错连，同时也方便调试和检查.从一开始我们就养成良好的习惯.
2.本电路中用到特殊器件----光敏电阻Rp用之前可先用万用表测试其在受光时的电阻和背光时的电阻因为光敏电阻对光异常敏感所以使用本机时要避开日光灯当然是指晚上了直接照射否则本电路将失控.
动手实践：
从元件库中找出相应元件，按图插好，接上电源，即可实现白天灭晚上亮之功能。
将本机放置到暗处，LED即亮，放置到亮处，LED即灭。
晚上试机效果更明显，关掉日光灯，本机灯亮，打开日光灯，本机灯灭。
本机可作为停电备用灯，当然也可以应用到其它场合，请读者朋友根据需要自行扩展应用领域。
3.2制作与使用
整个光控开关电路可组装在经过改造后的吊式电灯用挂线盒内，如图3--5所示。
焊接时注意，各元件引脚均套上电工用绝缘套管，以免在使用过程中发生短路故障。
RL引脚不要剪得过短，以装好后正好从原吊线出孔凸出为宜；挂线盒原有的接线桩直接用作X1、X2接线桩即成。
此开关只要元器件质量保证，焊接无误，无须调试便可投入使用。
图3-5光控灯开关外形图
该开关适合控制标称功率≤200W的普通照明用钨丝灯泡，它的接线方法与普通机械开关相同，完全符合电工接线规范。
实际安装时，只需把开关的两个接线端X1、X2不分顺序串入电灯相线（火线）一侧回路即行。
但注意开关安装位置要有所讲究，应避开风雨侵蚀和灯光直射处，选择在感受自然光良好的地方固定。
光控电子开关，它的“开”和“关”是靠可控硅的导通和阻断来实现的，而可控硅的导通和阻断又是受自然光的亮度（或人为亮度）的大小所控制的。
该装置适合作为街道、宿舍走廊或其它公共场所照明灯，起到日熄夜亮的控制作用，以节约用电。
工作原理：
电路如上图所示，220V交流电通过灯泡H及整流全桥后，变成直流脉动电压，作为正向偏压，加在可控硅VS及R支路上。
白天，亮度大于一定程度时，光敏二极管D呈现底阻状态≤1KΩ，使三极管V截止，其发射极无电流输出，单向可控硅VS因无触发电流而阻断。
此时流过灯泡H的电流≤2.2mA,灯泡H不能发光。
电阻R1和稳压二极管DW使三极管V偏压不超过6.8V，对三极管起保护作用。
夜晚，亮度小于一定程度时，光敏二极管D呈现高阻状态≥100KΩ，使三极管V正向导通，发射极约有0.8V的电压，使可控硅VS触发导通，灯泡H发光。
RP是清晨或傍晚实现开关转换的亮度选择元件。
安装与调试：
安装时，将装焊好的印制板放入透明塑料盒内并固定好，将它与受控电灯H串联，并让它正对着天幕或房子采光窗前较明亮的空间，避免3米以内夜间灯光的直接照射。
调试宜傍晚时进行，调节RP阻值的大小，使受控电灯H在适当的亮度下始点亮。
第4章光电可逆计数器
光电技术已渗透到许多科学领域,并得到迅猛发展。
具有代表性得是半导体激光器的广泛应用,具有高量子效率的负电子亲和势。
光电阴极的光电倍增管和第3代微光像增强器件的实用化,超大规模的CCD面阵的固体摄像器件已在工业和民用领域都得到了广泛应用,在热成像光电中的红外焦平面技术的应用等等。
本文讨论的光电可逆计数器系统就是一种性能卓越的光电系统。
4.1光电可逆计数器系统的原理
在动态测试中测试元件需正反两个方面移动,利用可逆计数器,对一个方向移动的信号进行加法运算,而对相反方向移动的信号进行减法运算,从而实现了可逆计数器。
光电可逆计数器系统的原理框图。
图4-1光电可逆计数器系统原理框图
1接收电路。
由于现在设计的这个光电可逆计数器系统的目的是对光信号干涉条纹进行计数,所以接收电路主要任务是接收光信号然后转换成电信号,又通过所接负载转换成电压信号输出。
2放大电路。
由于光经光电二极管产生的电信号很弱,不能使后面的波形整形电路及计数器正常工作,所以需要经过放大电路放大到一定程度才可以使后面的电路正常运作。
3波形整形电路。
波形整形电路是通过一个电压比较器将正弦波、三角波等转换成高低电平。
基于计数器工作时钟脉冲需要高低相间的电平,然而,经过光电二极管又经放大的电压信号是正弦曲线,所以电压比较器在此的作用非常重要。
4计数器电路。
这是整个装置的核心部分。
它接收来自波形整形电路的脉冲信号经过内部触发器的运作输出4位二进制数。
若产生进位溢出则输入到下一个计数单元,从而又产生一个高位4位二进制数。
5译码器电路。
将计数器输出的二进制数译成7段显示码信号。
6显示器电路。
接收七段显示码信号触动数码管各端显示出所计脉冲个数的数字。
7控制电路。
对计数器的工作产生置位与复位,复位让计数器的各输入端清除原来的状态为“0”状态。
置位可以对计数器进行预置数[1]。
4.2器件选型
在数字电路的家族中,CMOS系列产品取得了引人注目的发展。
它的功耗小、抗干扰能力强、状态范围大、价格低廉等优异的特性,受到人们的普遍重视。
从电子手表的选择到生产线的自动控制,其应用愈来愈广。
光电可逆计数器主要采用CMOS集成电路设计。
接收电路
其主体就是一个光电探测器,光电探测器有两类,真空光电器件与固体光电器件。
固体光电器件包括:
光敏电阻、光电池、光电二极管、光电三极管等,电路图如图4--2所示。
对于大多数微弱信号的检测,须接放大电路。
所以光电器件与放大电路的组合器件应运产生。
两者的典型连接方式有3种:
电流放大型,电压放大型,阻抗放大型。
图4--2是电压放大型IC变换电路。
图4-2电压放大型IC变换电路
硅光电二极管的正端接在运算放大器的同相端,运算放大器的漏电流比暗电流多,有很高的输入阻抗。
当负载电阻RL取1M8以上时,运行于硅光电池状态下的硅光电二极管处于接近开路状态,可以得到与开路电压成正比例的输出信号,即V0A?
?
V0c.式中AR1+R2?
R1是该电路的放大倍数。
本文选择硅光电二极管,由于干涉条纹宽为1cm,而所设计的探测器窗口需要0.5cm×2cm.所以选硅光电二极管S1337233BR,其暗电流小于25pA.
放大整形电路
Lm393是低功耗的双电压比较器,Lm339是低功耗四电压比较器。
Lm393中有两个比较器且分别独立,可用作两个放大器接光电二极管,Lm339有4个各自独立的电压比较器,其电路简单,用途广泛,其输出级由复合PNP管组成的差分放大器承担。
计数器
CMOS计数器种类繁多,其中,只有CC40192是双时钟可预置数的十进制可逆计数器。
它有以下特点:
a.采用双时钟的逻辑结构,加计数和减计数具有各自的时钟通道,计数方向由时钟进入的通道来确定;
b.计数单元是由与非门组成的T型触发器,由脉冲的下降沿来触发,而对整个计数器来说则是在CPu或CPd的上升沿触发来翻转的;
c.采用8421编码;
d.进位输出QC0和借位输出QB0与时钟脉冲同步,其输出脉冲宽度与CP的低电平宽度相同;
e.清零与置位功能与时钟脉冲CP不同步。
根据CC40192的波形图结合它的功能如表4-1所示。
表4-1 CC40192功能表
作加计数时,CPd端为高电平,时钟脉冲由CPu端输入,在上升沿的作用下,计数器做增量计算。
作减计数时,CPu端为高电平,时钟脉冲由CPd端输入,在上升沿的作用下,计数器做减量计算。
预置数时,只要在预置控制端PE和C0端上加低电平或负脉冲,即可将接在D1～D4上的预置数传送到计数单元的输出端D1～D4.然后PE端恢复高电平时,计数器即可在预置数的基础上作加减计数。
清零时,只要在C0端加上高电平或正脉冲,则各输出端Q1～Q4全部为“0”电位。
为了联级的需要,本电路还设有进位输出端QC0借位输出端QB0,当加计数达到了最大值1001且加计数时钟输入是低电平时,QC0负脉冲,即QC0
4CPu.当减计数达到零20000且减计数时钟脉冲输入是低电平,QB0输出一负脉冲,即QB0
译码器
译码器种类也挺多,我们选用CC14543BCD锁存七段译码鲻驱动器。
它具有四位锁存器,锁存器在选通信号Ld为“1”时输入数据,Ld为“0”时锁存。
消隐端BI为“1”时消隐,消隐时,所有输出端和相位端PH相同[2]。
4.3设计
电源的制作
根据在给器件选择型号时对其参数的了解,整个电路对电源的要求如下：
a.CMOS器件所须单电源电压应在3～18V,双电源电压应在±18V之间;
b.电源供电电流约100mA;
c.电源供电电流变化不大,输出电流的稳定度好于0.1%;
d.电源供电电压稳定,工作电压的容许误差约0.5%.为了满足以上条件,采用18V,2W的变压器,通过3A的全波整流电桥再经过7815稳压管后,输出+15V的电压。
由于受微小电流变化的影响,所以又采用了去耦合电路[3]。
电路图见图4--3.
图4-3 电源电路图
光信号的放大整形电路制作
干涉条纹经过计数器的光电探测器时产生的电信号太微弱,而且不是脉冲信号,即不能按比较器工作也不能对计数器产生计数信号。
所以要经过放大器达到足够大,然后通过电压比较器生成脉冲信号。
但是,放大多少倍呢?
这取决于计数器对脉冲信号大小的要求及微弱电信号的大小。
我们已知干涉条纹在直径为5cm的圆面上的平均光功率为1mW.所选硅光电二极管的响应率为0.6mA?
mW,干涉条纹宽为1cm,设探测器窗口为2cm×0.25cm.所以经光电二极管产生的光信号大小为Ioc0.5×1?
P2.52×0.615LA。
然后接一个RL10k8的负载电阻将电流信号转换为电压信号15LA×10k8150mV.放大50倍后为7.5V左右,而其最大值约为12V,正好符合计数器各项参数的要求[4]。
电路图见图4--4.
图4-4 光信号的放大整形电路
十进制计数单元的连接
十进制计数器连接图见图4--5.由于一个计数单元的容量为9,根本不足以计数用,必须将两个或多个计数单元连接起来,以两个〗为例,如图4-5.CC40192有了进位输出端C0和借位输出端B0,使得两个CC40192的连接十分简单。
只要代表低位的CC40192的C0端和高位的CC40192的CP+端相连,低位的B0输出端和高位的CP-端相连就可以了[4]。
图4-5 十进制计数器连接图
与显示器的连接
与显示器的连接见图4-6.
图4-6 显示器连接图
目前,由于CMOS集成电路具有灵敏度高,工作电压范围大等优点。
应用广泛和成熟的各种计数器都是利用CMOS集成电路块制成的。
光电可逆计数器同样也是以CMOS集成电路为基本组成部分,配合光电探测电、电压放大电路、波形整形电路构成,从而对光信号进行计数。
光电可逆计数器用途很广,最典型的应用是在物理学科中对干涉条纹的计数。
另外,在产品的计数、绕线机圈数的记录以及井底探测都少不了光电可逆计数器,它是高速、高精度实时测量中不可缺少的重要组成部分,实用性强。
第5章LED显示屏及转换
5.1LED的优点
现在的照明应用LED，具有普通照明所需的亮度、效率、使用寿命、色温以及白点稳定性。
由于无需维护因为LED的使用寿命比传统灯泡的要长得多且能耗降低，所以基于LED的照明降低了总体拥有成本:
1.功效超过所有白炽灯和卤素灯具
2.能与甚至最好的CFL紧凑荧光嵌顶灯的性能相媲美
3.与这些灯具相比，需要维修前的寿命要长5到50倍
4.降低光对环境的影响：
不含汞、电站污染小、垃圾处理费用低
5.2LED显示屏
LED点阵电子显示屏是集微电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的大型显示屏系统。
它以其色彩鲜艳，动态范围广，亮度高，寿命长，工作稳定可靠等优点而成为众多显示媒体以及户外作业显示的理想选择。
同时也可广泛应用到军事、车站、宾馆、体育、新闻、金融、证券、广告以及交通运输等许多行业。
LED点阵电子显示屏
目前大多数的LED点阵显示系统自带字库。
其显示和动态效果（主要是显示内容的滚动）的实现主要依靠硬件扫描驱动，该方法虽然比较方便，但显示只能按照预先的
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