智能照明实验系统设计原理方案毕业设计.docx

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智能照明实验系统设计原理方案毕业设计

摘要

智能照明控制技术随着楼宇智能建筑的崛起而蓬勃发展，日渐成为照明技术发展的一个重要方向。

针对智能照明控制技术系统的特点，智能照明控制技术在国内外的发展情况，以及现阶段各种不同的系统进行比较，本文简要地介绍了智能照明控制系统在当代的一些概况。

本文简要阐述了照明的意义、目的和方式，一般传统灯具的种类，灯具的选择。

然后重点介绍了智能照明控制系统的功能作用和构成。

通过系统的各个部分的深入介绍和讨论，详细介绍了数字化可寻址调光接口（简称DALI）智能照明控制系统的结构以及工作原理。

本文基于DALI协议设计了一个DALI智能照明控制系统展示平台和一个学生实验平台。

详细分析了该平台的功能、意义，以及各部分的工作原理。

展示平台系统方面，详细介绍了系统各个部分的组成，结构和功能。

该系统能够进行DALI系统多种的场景变换，根据时间自动进行工作状态转换。

该系统实现了智能调光功能，对大多数灯具（包括白炽灯、日光灯，配以特殊镇流器的钠灯、水银灯、霓虹灯等）能够根据周围空间光线的强弱进行智能调光，从而能够充分利用自然光实现节能的目的，另外，该系统通过对灯具的色温和色彩的调节，从而达到多种色彩变化的效果。

学生实验平台方面，该系统使用DALI器件构造了一个简单的DALI系统，让学生自己动手操作，亲身体验了智能照明控制系统所能造出的光照变化效果。

DALI智能照明控制技术作为一种新兴的技术，在日后一定有更广大的应用前景。

关键词：

DALI，智能照明，照明平台，照明实验，灯具

Abstract

Intelligentlightingcontroltechnologywillbeanimportanttrendinlightingtechnologydevelopmentgradually,sinceitdevelopswiththeriseofintelligentbuildings.Thisarticlebrieflyintroducesthegeneralsituationofintelligentlightingcontroltechnologyinallusiontoitscharacteristic,domesticandoverseasdevelopmentandcomparisonofdifferentsystemsatthepresentstage.

Thisarticleexpoundsthesignificance,intentionandmeansoflightingandthetypesandchoicesoftraditionallamp.Itthenemphasizesfunctionandcompositionofintelligentlightingcontrolsystem.ItdetailedlyintroducestheconfigurationandprincipleofDigitalAddressableDimmingInterface（DALI）bymeansofpresentationofthesystem.

BasedonDALIprotocol,thisarticledesignsademonstrationplatformofintelligentlightingcontroltechnologyandapupillaryexperimentalplatform.Onthepartofdemonstrationplatform,itdescribesitssignificance,functionandprinciple.ThisplatformsystemcanmakemanifoldscenechangesofDALIsystemandconversionoffunctionalmodeautomaticallyaccordingtotime.Thissystemachievesthefunctionofadjustinglights.Itcanmakemostoflamps（incandescent,fluorescent,SodiumlampandNeonlights）adjustlightsaccordingtointensityoflightthusitcanachieveenergyconservationbymakinguseoflightadequately.Inaddition,thissystemcanadjustthecolortemperatureandcolorationoflampstherebyitcanachievethechangeablepurposesofdifferentcolors.PupillaryexperimentalplatformisaplatformsystemofsimpleDALIsystem.Studentcancontrolitbythemselvesandexperiencetheeffectoflightingchangingfromintelligentlightingcontrolsystem.

Asaburgeoningtechnology,DALIintelligentlightingcontroltechnologywillhasanextendedforegroundofapplicationinthefuture.

Keywords:

DALI,intelligentLighting,lightingdisplay,lightingexperiment,lamps

1绪论

1.1智能照明的概述

随着科技和经济的高速发展，人民生活水平的不断提高，人们对照明的需求也与日俱增。

现代建筑中的照明给人们的工作、学习、生活提供了良好的视觉环境，利用灯具造型和光色协调营造出的环境也带给人舒适的视觉享受。

另外，人们开始追求照明和其他相关设备、系统的整体控制效果，追求照明的控制节能。

但是，传统的照明系统由于其简单的电气结构和单一的控制方式已远远不能满足人民对现代建筑照明的需求。

相比之下，智能照明技术能够充分利用自然光，实现照明管理智能化，对改善工作环境、提高工作效率、减轻供电压力、减少维护费用均具有明显的经济效益和社会效益。

因此，现代智能照明系统的应用已日益受到人们的关注和研究[1]。

1.2智能照明技术的概述

1.2.1国内外智能照明的发展概况

随着智能建筑的出现，使得建筑要求和设计方案都跟以往的传统建筑有很多很多的差异。

照明作为建筑中必不可少的部分，随着世界各国对智能照明的研究和开发，大量的智能照明技术的出现和发展，智能照明一定会成为新世纪照明技术发展的一个主要方向。

预计在21世纪，智能照明技术在建筑和照明中的应用将会进一步的扩大。

面对这一发展趋势，开发了不少智能照明设计，如智能照明、智能空调、智能通讯、智能防盗报警监控等设备和系统，包括在照明方面的计算机硬件和软件。

此外计算机在照明设计和测试方面也得到广泛应用。

奥地利锐高公司开发的DSI技术以及其推动的DALI数字照明技术，澳大利亚邦奇公司开发的Dynalie智能照明控制系统，日本的智能照明建筑特别是现代办公室的智能照明技术等很多方面都非常的值得我们去研究和借鉴[2]。

1.2.2智能照明的特点

智能照明控制系统一般都具有一下功能：

按照照明场所所需要的照明需求的变化，自动调整灯光的亮度和开关，以此达到节能的目的，也延长了照明灯具的使用寿命；通过使用计算机或者其他控制机器进行控制以达到逻辑控制照明，创造出缤纷的灯光组合效果，创造出各种环境气氛；由于计算机的使用，使智能照明能够使用远程控制和监测，照明系统也可以单独跟互联网连接，实现集中控制，远程控制。

1、良好的节能效果

采用智能照明系统最主要的目的就是为了节约能源。

智能照明控制系统使用各种不同的计算机编程或者控制机器的设置，对不同时间不同环境的光照度进行精确合理的分配，实现了节能的目的。

这种自动调节照度的方式，充分利用了自然光，当自然光不足或者夜晚时候才把灯打开或者调节到相适应的亮度，减少了能源的浪费也保证了所需要的光照度，节能效果十分明显。

另外，智能照明系统中对荧光灯等进行调光控制，由于荧光灯一般使用有源滤波可调光电子镇流器，降低了谐波分量，提高了功率因素，降低了无功功率的损耗，也有助于能量的节约[3]。

2、延长了光源的寿命

智能照明控制系统能够有效的抑制电网中的浪涌电流，同时还具备了电压限定等功能呢，避免了过电压和欠电压对光源的伤害。

无论是热辐射光源，还是气体放电光源，电网电压的波动都是光源损坏的一个重要原因，因此，有效的抑制了电网电压的波动可以延长光源的寿命。

另外，采用软启动和软关段技术，避免了冲击电流对光源的损害。

采用上述方法，光源的寿命通常可以延长数倍甚至数十倍。

延长了光源寿命不仅可以节约大量的资金，而且还能够减少更换灯具的工作量，可以降低照明系统的运行费用，管理维护也变得简单。

3、改善工作环境，提高工作效率

智能照明控制系统采用计算机数字控制和调光模块控制面板控制，可以有效的控制各处灯具的光照度，以达到平衡室内整体的光照度，从而提高了光照度的均匀性。

同时，因为在系统中引入了可调光电子镇流器，可以把电流的频率大幅提高，（40KHz～70KHz），克服了传统荧光灯低频所产生的频闪对人产生的不舒适、头晕目眩、眼睛疲劳等感觉[4]。

4、可实现多种照明效果

通过使用智能照明控制系统，灯具组合能够产生多种照明的效果，可以使建筑物更加生动，艺术性更强，给人丰富的视觉效果和美感。

按照建筑物内外不同的建筑用途和使用范围，按照不同的时间，不同的用途，不同的效果，相应地预设场景模式，可以达到更丰富更人性化的艺术效果。

5、管理维护方便

智能照明控制系统对照明的控制方式是以模块式的主动控制为主，手动控制为辅的一种控制模式，而预设的场景参数则以数字形式存储在计算机或者控制模块的内存里面，这些控制信息的设置和更改都是非常方便和容易的。

因此，建筑物的照明管理和设备维护将变得更加简单和方便[2]。

1.2.3各种智能照明系统的介绍

从20世纪90年代以来，出现的照明控制系统都是基于现场总线技术而发展过来的。

照明控制按是否开放可分为两类：

封闭协议和开放协议。

封闭协议有C-Bus和Dynet等；开放协议有EIB、DALI、X-10和HBS等。

上述总线协议，除了X-10协议以外，都采用电源线和控制总线分离的结构。

1、C-Bus协议

C-Bus即Clipsalbus的简称，是Clipsal公司的封闭总线协议，采用两线制双绞线，即一对线上既有提供总线设备工作电源（15～36V/DC），又传输总线设备信息，总线设备之间直接通讯，无须通过中央控制器。

C-Bus的传输协议为CSMA/CD，可设成线形、星形或树形拓扑结构但不支持环形结构[5]。

2、Dynet协议

Dynet协议是Dynalite公司面向照明系统的封闭控制总线协议。

Dynet协议采用4线制两队双绞线，即一对双绞线提供DC12V总线设备工作电源，另一对双绞线用于传输总线的设备信息。

Dynet是一种基于RS485四线制的传输协议，只支持线形网络拓扑结构。

C-Bus和Dynet进入我国比较早，已经有了一定的成绩。

3、EIB总线协议

欧洲安装总线EIB（EuropeanInstalLingBus）是在欧洲占据主导地位的楼宇/家庭自动化标准。

EIB协议是由中立的，非盈利组织EIBA统一管理，任何愿意遵循EIB协议的制造厂商均可申请并通过EIB认证后生产出EIB产品。

1999年，EIB进入中国，目前EIB在中国设置有两个培训中心，30多家代理集成商。

厦门国际会展中心、上海新国际博览中心等多个大型建筑均使用EIB协议构造智能照明控制系统。

鉴于其优异表现，该协议已被美国消费电子制造商协会（CEMA）列为EIA766标准[5]。

4、X-10和HBS

X-10采用电源线载波技术，在北美取得了巨大的商业成绩。

该协议产品无须另外布置控制线，易用和价廉，是它的最大卖点

HBS是日系企业推出的家庭网络协议。

2001年4月7日，日本松下公司基于HBS的WR31202也采用两线制主从结果，通过控制面板设置地址，大大提高了产品的易用性。

封闭协议与技术发展的潮流不符，研究和开发智能照明控制系统时，原则上应遵循某种开放协议，鉴于需求的多样性，应按需选择相应的开放协议，以满足不同的需求[6]。

1.3智能照明系统的研究意义

智能照明控制系统的研究不仅仅为了目前国际上先进的研究课题，代表着提高住宅照明光环境质量和住宅价值，节约能源和保护环境，这也是实现人居环境可持续发展的关键技术之一，并具有广泛的应用前景。

具体的研究意义如下：

1、提高住宅照明光环境质量。

在建筑物的照明光环境设计中除了要充分考虑视觉环境、照度强弱、亮度分布、视觉舒适、眩光控制、显隐色性、照明装置的外观等外，还要考虑到人体对不同季节不同时间对光的需求的不同所产生的生理和心理变化所作出的调整，具体的情况采用不同的光源和光照强度。

2、体现以人为本的照明控制思想，根据人们的行为习惯和住宅的光环境决定照明的控制特点，创造出一个人性化、艺术化、舒适、高雅的家庭光环境。

舒适的照明光环境令人心情愉快，工作效率提高；而优良的智能照明控制系统不仅能实现舒适的照明光环境，而且节能、维护方便，真正实现绿色照明。

3、它是构成智能建筑的一个重要组成部分。

智能照明控制系统可以独立运行，实现对光环境的合理控制，同时具有连接功能以及具有可扩展性，可把建筑物智能照明系统作为智能建筑的子系统，并与建筑物内电气器具控制系统共同构成建筑智能化网络系统[2]。

1.4本文主要内容

第一章介绍了智能照明以及智能照明系统发展的概况、各种不同照明系统的特点、研究意义和主要研究的内容。

第二章主要介绍了照明的意义、目的，照明的方式，光源和灯具的选择等内容。

主要介绍了智能照明系统的结构和构成以及其功能，并主要介绍了DALI智能照明控制系统的构成以及各部分的结构。

第三章主要介绍本人基于DALI智能照明控制系统所设计的一个展示系统和一个学生实验系统。

详细介绍了展示系统的各部分组成，各子系统和各模块的功能、展示效果等。

并在原有设计的系统基础上提出一些扩展和发展。

介绍了学生实验系统的意义、结构、功能和扩展。

最后主要阐述了本人对本次毕业设计的一些总结和感想，以及对智能照明系统在未来的预想和展望。

1.5小结

本章首先简要的介绍了智能照明控制技术的概况和各种不同照明系统的特点，分析了论文的研究意义，最后对本文主要研究的内容作出了简单的概括。

2智能照明系统

2.1照明系统

自从人类学会了使用火以后，人们开始懂得了照明，以对抗漫长的黑夜和寒冷的天气。

照明经历了从火、油到电的发展历程。

照明工具也经历了无数的变革，从简单的火把、蜡烛，到后来的油灯、煤油灯。

直到百多年前爱迪生发明了电灯，照明进入了一次全新的变革。

另外，照明从单一的灯具，逐渐形成了简单的照明系统。

由此，照明系统走进了人们的生活里。

2.1.1照明的意义、目的

在《辞海》中“照明”的含义如下：

利用各种光源照亮工作和生活场所或个别物体的措施。

利用太阳和天空光的称“天然采光”；利用人工光源的称“人工照明”。

照明的首要目的是创造良好的可见度和舒适愉快的环境。

可见，“照明”是一种措施，它包含“天然采光”和“人工照明”。

（摘自－－《辞海》）

照明以人为本，应为人的视觉生理需求和视觉心理感受作为照明的出发点，这是照明的宗旨。

照明的目的是人们通过视感觉，认识世界、改造世界，进而为人类生存、生活、劳作服务。

因此，无论是从事照明产品的研究和生产，还是照明工程的设计和安装，都应有“以人为本”的思想理念。

在照明产品、照明设计以及照明工程实施过程中，注重照明的功效性、照明的安全性、照明的舒适性，以此达到人们视觉生理需求和良好的心理感受，营造出有利于人们生活、工作、活动的光环境。

那些单纯追求“亮起来”，忽视照明功效和艺术品位的现象;盲目追求“大气”、“越亮越好”，忽视节能与环境保护，浪费电能造成光污染的现象;忽视或不重视照明功能和照明安全的现象;忽视或不重视照明舒适和光生态环境保护，进而影响人们的身心健康的光污染现象;某些盲目追求“政绩”、“面子”、“形象”工程等等现象，应该坚决克服和纠正。

让我们的照明能提供人们更加健康和提升生活质量的视觉光环境[3]。

2.1.2照明的方式选择

灯具按其安装部位或使用功能而构成的基本形式称为照明方式。

它分为一般照明、分区一般照明、局部照明和混合照明四种。

1、一般照明

为照亮整个场地而均匀设置，使整个场地水平照度基本均匀的一种照明方式称为一般照明。

它不考虑特殊局部需要。

下列情况宜采用单独装设一般照明。

⑴受生产技术条件限制，不适宜装设局部照明或采用混合照明不合理时。

⑵工作位置密度很大，而对光照方向无特殊要求的场所。

一般照明在工厂的车间、办公室、体育馆、教室等广泛采用。

2、分区一般照明

根据需要为提高特定区域照度的一般照明称为分区一般照明。

它根据工作面布置的实际情况，将灯具集中或分区集中均匀布置在工作区上方，使室内不同被照面上产生不同的照度，从而有效地节约电能。

当某一区域需要高于一般照明照度时，可采用分区一般照明。

此种照明常以工作对象为重点，按工作区布置灯具[7]。

3、局部照明

为满足某些部位（仅限于工作面上某个局部）的特殊需要而设置的照明称为局部照明。

其优点是:

⑴按视觉对象的照度需求，给每个必要的对象进行照明，易于单独地控制。

⑵通过给某一对象特别高的照度，有效地突出对象。

它只限于照亮一个有限的工作区，通常采用从最适宜的方向装设台灯、射灯或反射型灯，为了防止眼睛适应亮度的过度变化，应同时采用至少为局部照明照度20%以上的一般照明[7]。

4、混合照明

以上各种方法并用。

2.1.3照明光源的选择

⑴白炽灯、卤素灯

将灯丝通电加热到白炽状态，利用热辐射发出可见光的电光源。

所有用电的照明灯具中，白炽灯的效率是最低的，它所消耗的电能只有很小的部分，即12％－18％可转化为光能，而其余部分都以热能的形式散失了。

至于照明时间，这种电灯的使用寿命通常不会超过1000小时。

在这一点上，卤素灯就比一般的白炽灯要长很多。

卤素灯的外形一般都是一个细小的石英玻璃管，和白炽灯相比，其特殊性就在于钨丝可以“自我再生”。

实际上，在这种灯的灯丝和玻璃外壳中充有一些卤族元素，如碘和溴。

当灯丝发热时，钨原子被蒸发向玻璃管壁方向移动。

在它们接近玻璃管时，钨蒸气被“冷却”到大约800℃并和卤素原子结合在一起，形成卤化钨（碘化钨、溴化钨）。

卤化钨向玻璃管中央移动，又落到被腐蚀的灯丝上。

因为卤化钨很不稳定，遇热后就会分解成卤素蒸气和钨，这样钨又在灯丝上沉积下来，弥补了被蒸发的部分。

如此循环，灯丝的使用寿命就会延长很多。

所以，卤素灯的灯丝就可以做的相对较小，灯体也很小巧。

卤素灯一般用在需要光线集中照射的地方，比如用于写字台或居室局部的照明[8]。

⑵荧光灯

荧光灯即低压汞灯，它是利用低气压的汞蒸气在放电过程中辐射紫外线，从而使荧光粉发出可见光的原理发光，因此它属于低气压弧光放电光源。

荧光灯内装有两个灯丝。

灯丝上涂有电子发射材料三元碳酸盐（碳酸钡、碳酸锶和碳酸钙），俗称电子粉。

在交流电压作用下，灯丝交替地作为阴极和阳极。

灯管内壁涂有荧光粉。

管内充有400Pa-500Pa压力的氩气和少量的汞。

通电后，液态汞蒸发成压力为0.8Pa的汞蒸气。

在电场作用下，汞原子不断从原始状态被激发成激发态，继而自发跃迁到基态，并辐射出波长253.7nm和185nm的紫外线（主峰值波长是253.7nm，约占全部辐射能的70-80％；次峰值波长是185nm，约占全部辐射能的10％），以释放多余的能量。

荧光粉吸收紫外线的辐射能后发出可见光。

荧光粉不同，发出的光线也不同，这就是荧光灯可做成白色和各种彩色的缘由。

由于荧光灯所消耗的电能大部分用于产生紫外线，因此，荧光灯的发光效率远比白炽灯和卤钨灯高，是目前最节能的电光源[8]。

⑶LED

LED（LightEmittingDiode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。

LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。

半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。

但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。

当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。

而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

普通照明用的白炽灯和卤钨灯虽价格便宜，但光效低（灯的热效应白白耗电），寿命短，维护工作量大，但若用白光LED作照明，不仅光效高，而且寿命长（连续工作时间100000小时以上），几乎无需维护。

目前，德国Hella公司利用白光LED开发了飞机阅读灯；澳大利亚首都堪培拉的一条街道已用了白光LED作路灯照明；我国的城市交通管理灯也正用白光LED取代早期的交通秩序指示灯。

可以预见不久的将来，白光LED定会进入家庭取代现有的照明灯。

LED光源具有使用低压电源、耗能少、适用性强、稳定性高、响应时间短、对环境无污染、多色发光等的优点，虽然价格较现有照明器材昂贵，仍被认为是它将不可避免地现有照明器件[8]。

⑷其他灯具

沼气灯是把沼气的化学能转变为光能的一种燃烧装置。

它和沼气灶具一样，是广大农村沼气用户重要的沼气用具。

特别是在偏僻、边远无电力供应的地区，用沼气进行照明，其优越性尤为显著。

钠灯是利用钠蒸气放电产生可见光的电光源，钠灯又分低压钠灯和高压钠灯[8,9]。

2.1.4灯具的选用

灯具是附件和灯罩的总称。

灯罩的作用首先是提高光源所发出的光通量的利用率，用灯具效率几表征。

灯罩使光源光通量重新分布，并把它分配在需要的范围内;其次是保护视觉，避免或减轻光源高亮度的刺激;灯罩对光源也起着一定的保护作用;灯具本身对房间而言，可以成为一件很好的装饰品。

灯具有很多种分类方式，其中一种较好的分类方法是根据安装方式分类，可以分为:

暗装灯具、吸顶灯具、悬吊灯具、壁灯具、合灯具等。

1、暗装灯具这种灯具暗装在室内顶棚上，适合于低矮顶棚的房间，可以得到光线的多样性变化。

由于正常视线看不到光源，因此眩光极小，适合于对眩光要求严格限制的场所。

这种灯具光线的利用率不高、经济效果较差。

2、吸顶灯具这种灯具安装在室内顶棚上，多数情况下用于一般照明，使整个房间感到明亮，适合于低矮空间并且要求空间亮度高的场所。

3、悬吊灯具这种灯具是用管子、链子或软线将灯具从顶拥上垂吊下来，灯具的结构可以灵活多变，可在三维空间内组合灯具。

有些灯具可以将开关设在灯具上，使用和安装都很方便。

适用于局部照明或提高照度的分区一般照明。

4、壁灯具这种灯具可根据需要安装在墙壁的不同地方，在墙面上可以得到美丽的光分布艺术效果。

设计安装时可以与室内一般照明统一考虑。

为了避免眩光，壁灯最好采用小功率的光源。

5、台灯具台灯可以随时移动