教室自动照明控制系统设计方案.docx

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教室自动照明控制系

统设计方案

1绪论

1.1课题背景及目的

目前，国外对照明系统灯光的自动控制已经开始采用，但是我国教室灯光的智能控制并没有普及。

虽然小部分发达地区开始沿用新的控制技术，但是，多数地方依然是传统式的人工管理，或者照明控制智能化程度不高。

随着各类大、中专院校的扩招，教室的扩建，教室照明的需求也越来越多，教室用电管理不善,造成学校电能巨大浪费，经济损失，这种的浪费与当今节约能源的理念相违背。

再者，随着现代自动化程度不断提高，计算机技术的普及，照明灯光的管理也在朝着自动化、智能化方向发展。

但是，过于精细的控制设备在教室的使用显得成本高，维护难，于是，本设计的目的是开发简便、实用的教室灯光自动控制系统，以实现最基本的功能，比如人员检测以及室光照强度的检测与调节，最大限度的实现电能的节约以及管理的便捷化。

1.2国外研究状况及发展趋势

1.2.1国外学校教室照明的现状

照明行业是20世纪80年代首先由美国兴起并得以迅速发展的，90年代后期，由于现代计算机技术、自动控制技术、现代通信技术、现代信息处理技术在世界围的广泛应用，进入了信息时代并对各行各业都带来了巨大的影响，照明行业也随之发生了巨大的革新，提出了照明自动化的要求[1]

目前，社会对高等教育的关注度越来越高，学校规模日益扩大，教室的数量也随着大幅度增加，为使师生有舒适的教学和学习的环境，校方在力所能及的围，相应增加了教室的面积，然后，随着教室数量的增加，照明设备的需求量也越来越大，但由于大学管理模式的开放型，师生节能意识的薄弱性，学校教室在白天周围环境光线强度足够的情况下，仍然普遍存在开灯上课或自习；即使室无人或人数较少的情况下，也全部开启照明灯，晚上许多教室即使仅有几个学生在教室自习，但室照明灯也全部开启，很少有师生因为只有少数人而仅开几盏灯，长明灯比比皆是，人走灯不熄的现象普遍存在。

这种有形和无形的浪费，给学校的电力支出带来了沉重的负担。

虽然在部分大中城市中的部分院校已经有了比较实用的智能照明系统，但是，在许多中小城市中，教室智能照明系统并没有得到广泛的应用，所造成的电能浪费依然是相当巨大的。

目前市场上使用较多的是一种利用门与光双重控制的自动照明开关，以往光控开关只能触发一次，一旦延时电路开始工作，控制开关就不再起作用，这样当延时时间定的不合适或者使用时间发生改变时，就得等到延时电路工作结束后，才能重新开始定时，因而会出现中途断电。

这些问题在目前的技术中已经得到基本解决，这种新型的自动照明开关增加了脉冲检测器能在延时期间多次触发，使其从零开始计时，这样计时开始设定的时间不准或需要变更设定时间时，都可在不中断运行的情况下自动进行调整，节能效果更加明显[2]，在一定程度上解决了以往教室照明系统的一些不良现象。

根据国家相关标准，学校教室照明强度白天不得低于350LUX,晚上不得低于150LUX,同时，从保护视力的角度出发，在低于150LUX和高于600LUX照度下长时看书，有损于眼睛的健康⑶，而我国大部分高校的教室照度都高于标准,加之人对照明设备的不规使用，造成了不必要的支出和能源浪费，从节约资源、节省高校经费支出、教学楼管理的便捷化等多种方面考虑，使用简便、高效的自动照明系统成为校园节能的重要且主要的措施之一，也是将来教室照明系统应用的趋势。

1.2.2自动照明系统发展趋势

随着高等院校的扩招，教室的需求量激增，教室管理人员需要实时监控照明设备的正常工作，传统技术无法达到这种要求，难以适应最新技术发展的需要，在自动照明系统中，不仅要求照明设计的参数应当达标，还要达到教室中明亮、舒适的要求以方便师生更好地教学、自习。

基于传统照明工作效率低、照明管理困难、耗能巨大的特点，以及目前市场上自动照明所能实现的基本控制功能，在将来，自动照明系统必将成为全面实现校园节电的一个重大举措，虽然目前自动照明系统在全国消费市场中还没有形成一定的规模性，但大部分智能照明厂家还在极力引导消费者，在渠道的建设上也一直在探索着适合这个行业的模式，接近现实需求的产品在不断增加，产品的功能定位和稳定性均已取得长足的进展。

未来普及的自动照明系统所能具有的独特功能：

1）全自动声控系统。

自动照明系统中，不仅仅具有自动调光的功能，还可以在需要的时候利用声音控制灯具的开闭，用不同的指令控制不同的场景状态，做到全自动功能。

2）全自动调光。

智能照明控制系统可采用全自动状态工作。

系统有若干个基本状态，这些状态会按预先设定的时间相互自动切换，并将照度自动调整到最适宜的水平。

3）光环境场景智能转换。

智能照明控制系统可预先设置不同的场景模块，需要时只要在相应的控制面板上进行操作即可调入所需的场景。

用户还可以通过可编程控制面板对场景进行实时调节以适应不同要求。

4）运行中节能。

智能照明控制系统能对大多数灯具进行智能调光，给需要的地方、在需要的时间以充分的照明。

及时关掉不需要的灯具，充分利用自然光，其运行节能效果充分。

6）延长光源寿命。

智能照明控制系统采用软启动的方式，能控制电网冲击电压和浪涌电压，使灯丝免受热冲击，从而使光源寿命延长2-4倍，对于大量使用光源和安装困难的区域更具有特殊的意义。

总之，智能化与照明技术的结合，构筑了充分的技术平台，将节能、低耗、长寿命、运行节约、以人为本等绿色和可持续照明的理念充分演绎⑷。

1.3研究容及论文构成

本文介绍了将自动照明控制技术运用到高校教室的一个设计，以达到节约能耗、延长设备使用寿命、方便教学楼管理的目的，在本设计中，要实现的功能主要有：

采用热释红外人体传感器人员是否出现在指定区域的检测、采用光照度传感器检测周围环境光照强度等，并且根据所检测到的模拟量数据，转化为数字信号，输入到STC89C52单片机进行相应的控制，最后，通过LED灯模拟所在条件下教室照明灯开闭状况，并在1062液晶显示器中显示相应的状态。

本文大致分为绪论、系统设计方案论证、硬件设计、软件设计四大部分。

通过对目前自动照明系统的研究现状及其发展趋势的分析，针对本课题进行系统各个部分的方案论证后，确定好设计方案，进行软硬件设计，最终达到设计所需功能，完成任务。

2系统设计方案论证

2.1总体设计

本控制系统需要实现基本的功能包括对检测区域人员有无的自动检测、周围环境光照强度的自动检测及调节、在特殊情况下通过按键对系统的手动控制，以及在照明模块输出控制结果，在显示模块中显示相应的状态等。

系统设计分为硬件设计与软件设计两大部分，根据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件与软件分开进行设计。

硬件设计部分包括电路原理图的绘制、元器件的合理选择，硬件设计分模块进行，划分为控制模块、人员检测模块、光强检测模块、电源模块、按键模块、照明模块、显示模块七个部分来进行硬件电路的设计。

软件设计时，在总体设计中完成系统总框图和各模块的功能设计后，制定详细的工作计划，然后进行具体的设计，包括每个模块的流程图，选择适当的语言和工具进行编程和代码设计等，最后将软件与硬件结合起来进行调试，达到最终所需功能要求。

系统设计总框图如图2.1,电源模块给整个系统供电，由人员检测模块和光强检测模块进行数据采集，采集到的模拟信号经模数转换后输入到控制模块进行信号处理，然后输出到照明模块和显示模块显示相应的状态。

图2.1系统设计总框图

2.2主要功能模块设计方案

2.2.1控制模块方案设计

本设计的主控制器采用STC89C52单片机。

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

其特点是外围电路简单，价格低廉、高可靠性，虽然此款单片机的工作频率相对较低，但本设计对频率要求不高，能够满足本设计的要求。

另外此款单片机有32个I/。

端口，方便了设计的需要，满足本设计要求。

2.2.2人员检测模块方案设计

对于人员的检测，常用的方法有两种，一种是用红外对管检测进出教室人员的数量，从而判断教室有无人员，另一种是用热释电人体红外传感器，直接对教室有无人员进行检测，下面是两种方案的比较：

方案一：

采用红外对管对进出教室人数进行检测。

每个门口装有两对装置,进出人数检测分开检测，两个传感器分别设为A、B,当A检测到人的信号时，我们当做是进教室，当B检测到人的信号时，我们当做是出教室，因为人无论是进还是出，都会先被一个传感器检测到，再被另一个检测到，只是有一定的时间差，于是，如果一个传感器先检测到人以后，发出一个信号，然后对这个信号进行延时，当延时到一定程度时，可以把这个引号引回来，用来锁住另一个传感器产生的信号，这样就能使电路自动判断人是进教室还是出教室，用进教室的人数减去出教室的人数，计算出教室里的现有人数n,若n〉0.则说明教室里有人，开灯；反之无人，关灯。

方案二：

被动红外探测器可以探测到波长为10um左右的红外线，从而进行相应工作。

众所周知，人体恒温为37°左右，会发出特定波长10um左右的红外线，所以正好可以被红外探测器所检测到。

红外感应源采用热释电元件，这种元件在接受到人体红外辐射温度变化时就会失去点和平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生信号，以控制灯具的点亮，所以我们采用热释电人体红外传感器检测室有无人员，有人即开灯，无人关灯。

由于热释电红外传感器本身检测围过于狭小，所以，配合菲涅尔透镜可将检测围扩大至十多米远。

由于方案一比方案二实现起来复杂得多，方案二更能简便、快捷的检测到人体的存在，所以在解决人员检测的问题时，我选用热释电人体红外传感器。

在教室里面，因为热释电红外传感器检测围有限，就算安装上菲涅尔透镜，也不能保证教室的每个地方都能检测到人体的存在，所以，必须在教室里分区域各自安装传感器，分别控制各自区域的照明灯。

在此设计中，我们只模拟教室的一个区域的人员检测。

2.2.3光照强度检测模块方案设计

光照强度的检测一般用的是光照传感器，但是传感器的种类性能不一，我们要选择效果好，价格低廉的传感器，下面就直接采用光敏电阻与现成的光照度传感器两种方案进行对比：

方案一：

利用光敏电阻在光强度的影响下阻值会发生一定的变化，从而引起其两端电压的变化，把光照强度分为一、二、三、四等。

根据光照强度的不同使光敏电阻阻值变化引起两段的电压不同，从而使输入电压比较器正端的值不同，再与负端电压相比较，达到正端电压大于负端电压的情况时，即能让二极管正常发光。

通过二极管发光的个数来判断光照强度。

方案二：

采用光照度传感器，将光照强度转换为电流信号，再经过运算放大器转换为电压信号输出，可以选用市场上已有成形的光照度变送器，检测到输入光强后，根据输出不同的电压等级控制不同数量的灯，从而控制室的光照强度。

由于市场上已有成形的比较稳定的光照度变送器，精度高，所以本设计采用方案二中的光照度变送器

2.2.4电源模块方案设计

方案一：

采用干电池。

用干电池方便稳定，但是电压会随着使用慢慢降低,使用时间也受到限制，需要经常更换电池或给电池充电。

方案二：

采用稳压电源。

由于教室一般采用220V交流电，所以可以自行设计制作电源，输入220V交流电，输出5V直流电，大大增加了稳定性，延长了使用时间，所以本设计中采用此种方案。

3系统硬件设计

3.1控制器电路设计

本控制系统采用STC89C52单片机作为微控制器。

该单片机指令代码完全兼容传统8051单片机，STC89C52单片机工作电压为5.5V-3.4V,工作频率围0-80MHZ,程序存储器flash容量为8KB,随机存储器RAM空间为512字节，完全满足自动照明系统的要求⑶。

3.1.1STC