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电气自动化智能电网专业毕业设计论文
电气自动化智能电网专业毕业设计论文
题目名称：
智能家居客厅调光灯设计与实践
第一章绪论
.1智能家居系统的概念介绍
智能家居是人们的一种居住环境，其以住宅为平台安装有智能家居系统，实现家庭生活更加安全，节能，智能，便利和舒适。
以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、智能家居-系统设计方案安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。
又称智能住宅，在国外常用SmartHome表示
.1.2智能家居系统的便利性
智能家居最基本的目标是为人们提供一个舒适、安全、方便和高效的生活环境。
对智能家居产品来说，最重要的是以实用为核心，摒弃掉那些华而不实，只能充作摆设的功能，产品以实用性、易用性和人性化为主。
我们认为在设计智能家居系统时，应根据用户对智能家居功能的需求，整合以下最实用最基本的家居控制功能：
包括智能家电控制、智能灯光控制、电动窗帘控制、防盗报警、门禁对讲、煤气泄露等，同时还可以拓展诸如三表抄送、视频点播等服务增值功能。
对很多个性化
智能家居的控制方式很丰富多样，比如：
本地控制、遥控控制、集中控制、手机远程控制、感应控制、网络控制、定时控制等等，其本意是让人们摆脱繁琐的事务，提高效率，如果操作过程和程序设置过于繁琐，容易让用户产生排斥心理。
所以在对智能家居的设计时一定要充分考虑到用户体验，注重操作的便利化和直观性，最好能采用图形图像化的控制界面，让操作所见即所得。
.1.3智能家居的意义
智能家居本身是一个涵盖面很广泛的概念，我所研究的课题具体集中在智能
家居中智能照明这部分。
其它部分比如网络接入、家电控制的工作由于知识面原
因暂不涉及。
照明总线虽然只是智能家居的子系统，但在节约用电中却占据着重
要地位，相较于其它价格昂贵的智能家电产品，智能照明系统符合我国国情，并且有着更容易进入市场的价格优势和节约用电的推广意义。
与传统的照明系统相比，智能照明系统还具有操作安全（一般采用24V低压
而非220V高压）、安装简单、维护方便、功能丰富（可实现灯光的任意组合）、可扩展性好（使用软件设置）、便于系统集成（配有通讯单元）等优点。
。
DALI支持单个荧光灯的调光控制和自设定场景的调光控制、对每种调光控制都提供了自动和手动两种调光方式，操作简单，应用广泛。
第二章智能家居系统设计内容
2.1QS-IHomE-II系统介绍
QS-iHome-II智能电子产品系统为一套标准两室两厅智能家居电子产品实施项目的配置，包含了七大家庭控制中心（门庭控制中心、客厅控制中心、厨房餐厅控制中心、卫生间过道控制中心、主卧室控制中心、次卧室控制中心、阳台控制中心）；以及一套智能家居管理软件。
七大家庭控制中心通过以太网与家庭信息互联处理中心联系，达到家庭安全防护系统、网络服务系统和家庭自动化系统组成的家庭综合服务与管理集成系统的目的，从而实现全面的安全防护、便利的通讯网络以及舒适的居住环境的家庭住宅。
网络拓扑图如下图所示
。
2.1.1QS-IHomE-II客厅系统控制
客厅控制中心包含智能家居控制器、RS485扩展模块、触摸屏、带云台的高清网络摄像头、多功能面板、智能调光开关、智能光强及温湿度计、智能插座、空调、电视机、红外多功能转发器、烟火灾探测器及红外探测器。
触摸屏通过485与智能家居控制器通讯，可实现遥控、遥信、遥调及情景模式的设定；智能调光开关调节白炽灯的亮度、也可通过485总线与智能家居控制器通讯，通过情景模式智能调节白炽灯的亮度；高清摄像头、烟火灾探测器、红外探测器配合组成安防系统；智能光强及温湿度计显示采集客厅温湿度及光照度，并通过485总线传递给智能家居控制器；智能插座控制和采集电视机、空调的电源和电量信息，可合理分配用电负荷；智能红外多功能转发器可学习、存贮、接收和转发电视机、空调的遥控器红外信号。
客厅控制系统示意图：
2.1.2QS-IHomE-II各智能产品介绍
（1）HomE-STm32智能家居控制器
（2）HomE-RS485RS485扩展模块
（3）HomE-ADc
ADc转换模块
（4）HomE-SockET智能插座模块
（5）HomE-LIGHT多功能面板
（6）HomE-mETER
智能电度表
（7）HomE-AcDImmER交流调光灯
（8）HomE-INFRARED红外转发器
（9）HomE-moT
窗帘窗户模块
（10）HomE-TEmP
光强温湿度计
（11）HomE-INFR
热释电模块
第三章Pwm调光系统的选择与应用
3.1Pwm调光背景简介
随着LED背光的节能、环保、高性能等优势的凸显，LcD屏的背光逐渐从ccFL向LED切换，目前公司的液晶屏也逐渐从ccFL背光得型号向LED背光的型号切换。
两种背光的模式最大的不同在于驱动方式，ccFL背光的屏的背光驱动需要逆变器提供高压，而LED背光的驱动方式相对简单，只需要恒定的低压直流电源即可。
但是无论是逆变器也好，还是LED背光驱动电路也好，都会用到一种Pwm调光技术，对背光的亮度大小进行调节。
这里汇总学习一下Pwm调节的原理。
脉宽调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换及LED照明等许多领域中。
通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。
此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了Pwm控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。
简而言之，Pwm是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。
Pwm信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有，要么完全无。
电压或电流源是以一种通或断的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。
通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。
只要带宽足够，任何模拟值都可以使用Pwm进行编码。
3.1.1Pwm调光比概念
.占空比，是英文“Pulsewidthmodulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处处理的数字输出来对模拟技术进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中
（2）单片机中的Pwm指的是此单片机有部分I/o口具有输出Pwm信号的功能。
比如说部分单片机的I/o口可以输出时钟信号，时钟信号的脉宽和占空皮可调，可以根据实际需要调整寄存器位来设定。
（3）基本思想就是利用单片机具有的Pwm端口，在不改变Pwm方波周期的前提下，通过软件的方法调整单片机的Pwm控制寄存器来调整Pwm的占空比，从而控制充电电流。
以此来调整亮度
（4）Pwm调光：
脉宽调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换及LED照明等许多领域中。
通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗
Pwm调光原理图
3.2.2调光信号数字/模拟转换电路
从微控制器输出的调光值，需要先转换为以5V为基准电压的，256等级的电压信号，才能用于对灯具的调光操作，使用D/A转换器解决这个问题。
D/A转换器可以直接和微控制器的I/o输出端口连接，它把从微控制器来的数
字量B转换为某一基准的模拟量，以实现对被控器件的操作。
D/A转换器的输出
模拟量能随输入数字量正比变换，输出模拟量Vout能直接反映数字量B的大小，
满足式（5-10）关系：
式（5-11）中，VR为常量，由参考电压VREF决定；B为数字量，常为一个二
进制数。
数字量B的位数通常为8位和12位等，由具体D/A转换芯片型号决定。
B为n位时的通式为5-11，其中bn-1为B的最高位，b0为它的最低位。
D/A转换器的原理为按权展开，然后相加。
它把输入数字量中每位都按其权
值分别转换为模拟量，并通过运算放大器求和相加，其内部具有“求和网络”以
实现按权值分别进行D/A转换。
3.2.3Pwm脉冲比较输出电路的分析
Pwm脉冲比较输出电路的作用是将以不同电压幅值表示的调光信号转换为
幅值相同但是持续时间和占空比不同的脉冲信号，这种脉冲信号可直接用于卤素
灯调光，也可以通过电子镇流器对荧光灯进行调光。
系统使用了Pwm比较输出芯片SG3524，SG3524是一种通用型Pwm控制芯片，用于电机控制与开关电源。
SG3524的内部结构如图5.9示，包括电压基准源VREF，误差放大器EA，可外设频率的振荡器oSc，脉冲调制比较器c，触发器，两个输出晶体管VA和AB、，限流比较器cL和输出关断电路等。
它采用16引脚标准DIP封装。
输入电压VIN为8-40V，电流小于10mA。
在电容cT上产生的锯齿波信号与误差放大器输出的误差信号经过Pwm比较器比较，产生脉宽调制信号。
SG3524有两种输出方式：
一种是单端Pwm输出方式，VA和AB并联，输出频率与振荡器频率相同，占空比变化范围为0%一90%；另一种是推挽输出方式，VA和AB轮流导通，输出脉冲频率为u/2，占空比变化范围为0%-45%。
图1.4中D/A转换后幅值随调光值变化的电压信号被加在图1.5中误差比较器的IN+端。
图1.5中运算比较器Lm324的3端与卤素灯和电阻串联，可以检测流过卤素灯的电流（l.67A），因此在Lm324的1端输出5V的电压信号，加载在图1.5中IN-端。
误差比较器对这两个电平值进行比较，通过振荡器和逻辑电路在图1.5的12和13脚输出Pwm调光脉冲。
经过驱动电路对卤素灯或者经镇流器对荧光灯进行调光。
SG3524的振荡器频率由6脚外接定时电阻RT和7脚外接定时cT电容决定。
满足式（5-13）：
F=1.20/（RT*cT）式
（5-13）
图1.4SG3524的内部结构图
图1.5Pwm比较输出电路
第四章调光灯硬件模块
4.1调光原理构造
4.1.1调光灯电源部分构造
电源部分使用交流220V供电，其作为调光灯调光供电输出，同时经过变压、整流、稳压、滤波后给数字逻辑电路供电：
（1）交流220V经过兵字变压器T2-02变压得到交流9V；
（2）使用整流桥DB207进行整流
（3）经稳压芯片Lm2576-5V稳压，并经电容滤波得到直流+5V
（4）经稳压芯片AmS1117-3.3V稳压，并经电容滤波得到直流+3.3V
（5）使用Lc滤波，实现STm32芯片数字供电和模拟供电的隔离
电源图：
4.1.2微处理器部分
微处理器使用的是STm32F103VE芯片，其作为交流调光灯调光控制中心，主要是对脉冲编码电位器的输入识别，调整Pwm占空比输出，同时经过RS485与其他设备进行通信。
STm32F103VE有以下特点：
（1）基于ARmcortex-m3内核；
（2）最高工作频率72mHz
（3）片上集成512kB的FLASH存储器
低功耗，12通道DmA控制器，2个12位的us级的A/D转换器，2通道12位D/A转换器，高达80个的快速I/o端口，多达11个定时器，多达13个通信接口；
4.1.3Pmw控制输出部分
Pwm控制输出部分，其又可分+15V稳压和Pwm调节两部分；+15V由交流220V半波整流后，经电阻限流，使用1N4744稳压得到；从STm32核心芯片发来的Pwm波，通过光耦TLP250进行隔离，控制moSFET管IRF840的通断，DB207整流桥保证了IRF840的2脚电压高于3脚。
4.1.4脉冲编码电位器编码输出
脉冲编码电位器，作波形如上所示；通过PA1脚下降沿中断，稍作延时，判断PA2脚的高低电平，即可识别脉冲编码电位器是顺时针旋转还是逆时针旋转；
第五章调光软件设计应用
5.1STm32处理器应用
5.1.1STm32处理器简单介绍
STm32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARmcortex-m3内核。
按性能分成两个不同的系列：
STm32F103“增强型”系列和STm32F101“基本型”系列。
增强型系列时钟频率达到72mHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36mHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。
两个系列都内置32k到512k的闪存，不同的是SRAm的最大容量和外设接口的组合。
时钟频率72mHz时，从闪存执行代码，STm32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/mHz
STm32F103xx增强型系列使用高性能的ARm/cortex-m3/32位的RISc内核，工作频率为72mHz，内置高速存储器，丰富的增强I/o端口和联接到两条APB总线的外设。
所有型号的器件都包含2个12位的ADc、3个通用16位定时器和一个Pwm定时器，还包含标准和先进的通信接口：
多达2个I2c和SPI、3个USART、一个USB和一个cAN。
STm32F103xx增强型系列工作于-40℃至+105℃的温度范围，供电电压2.0V至3.6V，一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。
完整的STm32F103xx增强型系列产品包括从36脚至100脚的五种不同封装形式；根据不同的封装形式，器件中的外设配置不尽相同。
下面给出了该系列产品中所有外设的基本介绍。
这些丰富的外设配置，使得STm32F103xx增强型微控制器适合于多种应用场合
5.1.2STm32F103开发板的参数设置
STm32开发板核心芯片由下图1.9展示
图1.9芯片引脚图
5.1.3调光灯驱动电路
白炽灯驱动电路如图1.9示,使用了两种驱动方式,一种是采用PNP型复合晶体管2SB950驱动,另一种是采用moSFET开关复合管m功INo6驱动。
mLDIN06是一款内夹断限流、N沟道逻辑功率moSFET管,SB950是一款PNP复合达林顿管,主要用于功率放大和开关电路。
图1.9Pwm比较输出电路
图1.10白炽灯调光驱动电路
图1.9中SG3524的12和13脚输出的Pwm脉冲与图1.10中SwDIP一2拨盘开关连接,该拨盘开关的1、2脚分别对应了两路卤素灯调光电路。
一路接入2SB9520,从2SB952o的3脚输出和Pwm脉冲对应的高频开关信号,通过电感电容滤波对卤素灯调光;另一路通过moSFET开关复合管mLDIN06输出高频开关信号,控制卤素灯调光。
从图1.10电路中输出的Pwm脉冲除了可以控制卤素灯外,还能通过电子镇
流器对荧光灯进行控制和调光。
下面对采用Phi1iPs芯片UBAZo14芯片设计的荧光灯镇流器进行剖析。
UBAXX是飞利浦公司专为TS、T8、TIZ、510、PLc、PLL等型号荧光灯设计的荧光灯驱动器专用芯片。
允许输入电压为210~277V,启动电压可达6ooV一IVk,电路输入直流电压可高达4o0v,由交流电源经过整流和滤波得到工利用UBAZo14控制36w的TDL灯的电路原理图如图1.11。
下面对其工作原理进行分析:
系统通电之后,经电阻Rl、灯丝和R10的电流对UBAXX脚7外部电容c15充电。
当c15上的电压充电至1V3时,UBAXX内部压控振荡器开始振荡,由TRI和TRZ两只moS场效应管组成的功放级产生高频信号输出。
输出信号经c6祸合、Dl整流及c15滤波,加到7脚,为UBAZo14提供工作电压和电流。
一旦Vdd≥9.VI,振荡器就停止振荡。
在振荡器启动时的频率最高可达Iok0Hz,迅速衰减到预热频率fp。
灯丝预热所需要的时间由UBAXX脚1外部电容c12和脚4上的电阻R12共同决定。
在内部计数器读出7个脉冲之后,计时器输出一个点火脉冲,同时振荡器频率偏移,约在0.265之内,L1和c22组成的cL串联电路发生谐振,在c22两端产生一个高于IVk的高压脉冲,使灯管击穿而点燃。
灯一旦引燃,振荡器停留在最低频率蛛n上。
该频率由R12和电容c14决定。
在UBAZo14的管脚13和灯之间连接灯电压监测电路。
若灯点火失败或者灯电路出现故障时,UBAXX的13管脚上的电压将升高至1.V5,振荡器停止振荡,功率开关管TRI和TZR截止。
UBAXX脚16用于控制电流,即电阻R14上的电流信号。
UBAXX脚8用作检测预热电流,UBAXX的12管脚上的电阻R16用于检测半桥输出特性汇。
5.1.3智能控制开关
节能省电其实一直是日常生活中一个亟待解决的问题，但在通过遥控器和调
光开关实现灯光调控之前，人们一直没有找到一个既能解决实际问题，在价格方
面又能接受的适当方法。
所谓灯光调节，其实就是根据家中某一区域的使用功能、
不同的时间、室外光亮度等来控制照明。
其中最重要的一点就是可进行预设，即
具有将照明亮度转变为以系列程序设置的功能，这也是我们称之为智能的原因。
这些设置也称为场景，因为它本身就是根据人们对于不同场景的灯光需求来设置
的，它可由调控器系统自动调用。
灯光调节的方式借助各种不同的“预设置”控制方式和控制元件，对不同时间不同环境的光照度进行精确设置和合理管理，实现节能。
可调光技术使家中整个照明系统可以按照经济有效的最佳方式来准确运作，能够最大限度的节约能源，与传统的照明控制方式相比较，可以节约电能20％～30％。
由于人眼对光强的感受是非线性的，因此，就有可能将亮度级别降低10％以上，而人却觉察不到亮度的变化。
这样，就可以节省将近10％的电能。
如果将调光级别降低50％，则可以节省近40％的电能。
调光开关可将灯渐调到预设级别，这在第一次开灯时尤其重要。
将灯渐调到设定级别，也称为“软启动”，可以极大的延长灯泡的使用寿命。
据试验，使用降低10％亮度的调光级别可以将灯的使用寿命延长2倍，而使用降低50％亮度的调光级别可以将灯的使用寿命延长20倍左右。
客厅的灯光调至较为适合家人朋友聚会时的状态，能够满足聚会气氛的需要。
客厅内灯光调至看电视或读书场景时，顶灯、壁灯灯光变弱。
在有了智能开关后，遥控器就可直接对所需照明发出指令，免去重新布线的
麻烦。
就算单个照明灯具或开关损坏，系统也不受影响。
各个智能开关能独立分
辨来自不同遥控器的繁复讯号，不会随意激活，提高了灯光控制系统的可靠性。
智能灯光控制系统中的智能开关既可以用传统的手动方式控制灯光，又可以
接受遥控指令实现灯光控制。
能实现以下功能：
轻触式按键控制，带背光方便夜
间使用；可接收遥控指令，实现遥控控制；可灵活设置地址码，组合成功能强大
的情景模式；具有调光功能；具有记忆功能；具有软启功能，即灯光在开/闭的时候以渐亮/渐暗的方式完成。
5.1.4智能开关需求设计与电源
开关功能要求：
开关既可以用传统的手动方式控制灯光的开闭又可以接受遥控指令实现灯光的开闭。
开关既能够接受单路灯光的开闭指令，又能够接受情景模式的开闭指令
开关有记忆功能，即灯光开启时的亮度以上次关闭时的亮度为准。
开关在接收到有效指令后应由蜂鸣器发出提示音
开关有调光功能，可以通过长按开关实现：
在灯光开启的情况下，长按开关灯光渐亮；松开开关再次长按，灯光渐暗
开关定为四路，每一开关有两路可调光；每路负载可达450瓦
射频接收信号解码以及控制指令解码等功能由单片机完成，单片机需用贴
装件。
能开关电源解决方案的选择直接关系到系统控制性能的稳定性和可靠性。
智能开关中需要用到单片机进行控制，故需提供5V电源，最初的考虑是直接从220V交流电取电，采用阻容降压电路，但样品的测试效果不好。
主要有两点原因：
一是阻容降压电路带载能力很弱，在灯光路数较多的情况下不能支撑足够的可控硅和继电器正常工作，二是阻容降压电路由交流电直接降压整流取得，电压纹波和稳定性受交流电影响较大，会降低整个智能开关成品的可靠性。
此外，我们还对比测试了市面上已有的几种采用阻容降压方式的智能开关。
虽然它们都经过了不同形式的处理和改进，但可靠性测试结果表明，凡是采用阻容降压方式供电的开关，在1个月内的损坏率都超过50%，损坏的方式主要是大电容烧毁，原因是带载能力不够。
有鉴于此，为了提高我们的开关的稳定性，最终采用了稳定性和可靠性较高的开关电源模块来供电。
经过测试，该电源模块可以连续工作数百小时以上不出故障，且发热不明显。
专用moDULE模块，将220V直接变为稳定的5v直流，如图2.1所示。
图2.1智能开关的电源
输出控制电路:
结合实际需求，每一智能开关设计4路输出，如图2.2所示。
图2.2智能开关的输出
图中，第一路和第二路（oUT1、oUT2）由可控硅控制输出，是可调光线路，适用于没有变压器的阻性负载，如白炽灯；第三路和第四路（oUT3、oUT4）由继电器控制输出，是不可调光线路，适用于感性负载，如节能灯。
5.2智能家居开发板要求
5.2.1开发板型号选择HomE-STm32
选用了STmicroelectronic公司的HomE-STm32开发板
其特点为:
（1）高达72mHZ系统时钟
（2）512kFlash，64kRAm；
（3）3个12位模数转换器
；
（4）2通道12位D/A转换器；
（5）12通道DmA控制器，多达11个定时器；
（6）多达5个USART接口
（7）多达3个SPI接口
（8）cAN接口串行单线调试（SwD）和jTAG接口；USB2.0全速接口；
基于以上的考虑，采用HomE-STm32开发板来实现近端接入模块的控制器部分，其外形如下图所示：
5.2.2HomE-STm32系统电路的实现
控制电路图如下图所示：
当输出短路时，16V/0.5A自恢复保险丝使蓝色jed亮
当输出电源极性接反时，1N4007二极管保护电路
8路继电器输出控制电路
控制原理：
outputc连到oc1,STm32的Io口输出高电平给InputB，outputc输出低电平使继电器吸合。
8路继电器上电默认状态：
常开
如图下所示：
5.3RS485软件要求
5.3.1RS485通信与功能
RS485标准是由EIA和TIA共同制订和开发的。
RS485作为一种多点差分数据传输的电气规范,已成为业界最广泛应用的标准通信接口之一。
理论上,RS485标准最多接入32个设备,可以工作在半双工或全双工模式下,最大传输距离约为1219米,最大传输速率约为10mbps。
然而通常RS485网络采用平衡双绞线作为传输媒体,平衡双绞线的长度与传输速率成反比,只有在20kbps的传输速率下,才可能达到最大传输距离。
一般15米长的双绞线最大传输速率仅为1mbps。
不过对于速率要求不是很高的控制系统来说已经足够了。
RS485只能代表通讯的物理介质层和链路层，如果要实现数据的双向访问，就必须自己编写通讯应用程序，但这种程序多数都不能符合ISo/oSI的规范，只能实现较单一的功能，适用于单一设备类型，程序不具备通用性。
在RS485设备联成的设备网中，如果设备数量超过2台，就必须使用RS485做通讯介质，RS485网的设备间要想相互通信息只有通过“主（master）”设备中转才能实现，这个主设备通常是Pc，而
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