关于热释电红外传感器教室灯光控制设计的论.docx
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关于热释电红外传感器教室灯光控制设计的论
热释电红外传感器教室灯光控制
设计者：
郑开银
摘要
本研究针对教室灯光的控制方法，尤其是教室灯光的智能控制方面的发展现状，分析了教室灯光智能控制的原理和实现方法，提出了基于单片机的教室灯光智能控制系统的设计思路，并在此基础上开发了智能控制系统的硬件装置和相应软件。
该系统以AT89C52单片机作为控制装置的智能部件，采用热释红外人体传感器检测人体的存在，采用光敏三极管构成的电路检测环境光的强度；根据教室合理开灯的条件，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，完成对教室照明回路的智能控制，避免了教室用电的大量浪费。
单片机软件采用汇编语言编制，采用模块化结构设计、条理清晰、通用性好，便于改进和扩充。
该系统具有体积小，控制方便，可靠性高，专用性强，性价比合理等优点，可以满足各类大、中专院校教室灯光控制的要求，很大程度的达到节能目的。
第一章
1.1意义
对一些照明时间较长、照明设备较多的场所（如学校教室、商场等），其照明系统的使用浪费现象屡见不鲜。
由于缺乏科学管理和管理人员的责任心不强，有时在借助外界环境能正常工作和夜晚室内空无一人时，整个房间内也是灯火通明。
这样下来，无形中所浪费的电能是非常惊人的。
据测算，这种现象的耗电占其单位所有耗电的40％左右。
因此，有必要在保证照明质量的前提下，实施照明节能措施。
这不仅可以节约能源，而且会产生明显的经济效益。
随着社会经济和科学技术的发展，人们的生活水平也不断提高，导致用电负荷的加剧，又由于世界性的能源危机，能源缺乏已成为世界所面临的严峻问题。
而此问题对我国来说尤为严重。
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，而教室照明的管理不到位，往往造成电能的巨大浪费，这样，提高教室用电效率就成为首要考虑的问题。
目前对灯光的智能控制，国内外已经开始采用，但队教室灯光的控制，尤其是我国教室灯光的智能控制尤为缺乏和不完善，依然是传统式的人工管理。
各类大中专院校不断扩招，教室不断扩建，教室的用电负荷不断加大，教室用电管理不善，造成学校电能浪费，经济损失。
这种的浪费与当今的节约能源理念相违背。
再者，现代自动化程度不断提高，计算机技术的普及，灯光的管理也在朝着自动化、智能化方向发展。
例如楼道灯光的自动控制等等。
所有这些使得教室灯光控制也应该朝着智能的方向发展。
于是，开发简便、实用的教室灯光自动控制系统便具有重要的现实意义。
1.2国内外教室灯光控制器研究的现状及其存在的问题
“电能是清洁、优质的二次能源。
从能源转化效率来看，节约1度电能相当于节约3倍左右数量的一次能源。
{TodayHot}节电对节能降耗的意义重大。
”陆延昌委员对中国目前电能消费现状声明忧虑。
关电脑时不关显示器，开空调时不关窗户，打印机不用也常开，人走灯不灭……这些办公室里的费电现象，陆延昌委员看在眼里，急在心头：
如果不提高人们的节约意识，没有强有力的具体保证措施，“十一五”规划草案中提出的节能目标很难实现。
陆延昌介绍说，“十五”期间，中国高耗电行业呈盲目发展态势，工艺落后、技术落后的企业产能占行业总产能比重偏高；商业和居民生活用电增长迅速，已成为晚上高峰负荷主要影响因素，但非节电型家电比重仍然较大；全社会节约观念淡薄，在生产和社会生活中，很难看出节约是重要国策的地位和作用。
“２０１０年单位国内生产总值能源消耗比‘十五’期末降低２０%左右”——对照“十一五”规划草案提出的这个目标，陆延昌提出建议：
节能节电应作为最重要的一项内容纳入正在修订的能源法和电力法等法律体系中；将“发展发展第三产业、优化发展{HotTag}第二产业、稳步发展第一产业”作为中国实现“十一五”降低单位产值能耗目标的重要战略思想；各级政府制定五年节能节电规划和年度节能节电计划；运用市场与行政相结合的手段进行节电管理，制定优惠政策鼓励节电技术、设备的研发、创新和成果转化。
节约用电对发展国民经济有重要意义。
电能是由一次能源转换而成的二次能源。
耗电量的减少可以使发电、输电、变电、配电所需要的设备容量减少，节约能源方面的投资节电是一项电源开发工程。
节约用电还可以使用户费用支出减少，降低生产成本，促进生产工艺和设备的改造，促进新技术的发展和企业管理水平的提高。
节约用电的措施包括采用有效的节电技术和加强节电管理两方面。
节电技术主要有：
使用高效节能灯；改造风机和泵类设备；加速电子调压与调速技术和微电子技术的推广和应用；推广蓄冷调荷节电技术；回收生产工艺过程中的余热、余压、余气用于发电，提高能源利用率；采用转移高峰电力的措施；推广电炉钢节电技术；采用金属热处理和低温烘烤节电技术共10项重点节电技术措施。
节电管理主要有：
提高认识、更新观念，增强全民的节电意识；积极筹集节电基金，拓展节电资金渠道；加强并不断完善用电定额管理；加强节电的宏观管理；制定、推行有利于节电的政策；加强领导，充实节电队伍；组织节电教育和技术培训等。
为"十一五"规划十大重点节能项目之一，绿色照明工程未来五年间将在全国推广1.5亿只节能灯，节电290亿度。
这是记者从日前召开的绿色照明工程新闻发布会上获悉的。
据悉，这1.5亿只节能灯将主要在公用设施、宾馆、商厦、写字楼、体育场馆、居民住宅中推广，成本约22亿元。
上海、河北等一些地方采取政府对节能灯大宗采购每只补贴3至4元的方式进行推广。
"从普通白炽灯到高效节能灯，这中间增加的购买成本，国家正在抓紧研究有可操作性的财政、税收等激励政策，很快就会出台。
"国家发展和改革委员会有关负责人说，"节能灯节能不节钱的现象已经有了根本性转变。
"最新国家监督抽查显示，紧凑型荧光灯的产品合格率已由1998年不足50％提高到了95.1％，平均寿命提高了4000小时。
数据显示，我国电光源产品结构正逐步向节能型转变。
荧光灯与普通白炽灯的比例由1995年的1：
6.25上升到目前的1：
1.5。
我国紧凑型荧光灯的产量占到全球的90％。
目前，我国照明用电约占社会总用电量的12％，采用高效照明产品替代传统的低效照明产品可节电60％至80％。
目前，我国照明用电约占社会总用电量的12%，采用高效照明产品代替传统的低效照明产品可节电60%到80%。
如今，北京正在大力推行绿色照明工程，已推出上百万只绿色照明光源和部分节能电器，据测算年节约用电可达3442万千瓦时，节约电费2519.7万元。
政府已经在商厦、学校、医院等更换了24万只节能灯具。
在奥运工程的建设上，也大量运用节能技术，北京的奥运厂馆“水立方”，通过采用大量的节能灯具，装备新技术，通过增强透光性白天可节约照明能耗50%。
办公室的灯大白天也都开着，虽然外边阳光明媚。
教室里哪怕只有几个学生也都灯火通明；双休日公司里电脑、复印机、传真机、饮水机都开着，或处于待机状态，更听说有的电脑半年没关过机。
而国外比较重视节约用电，从政府到市民都有极强的节电意识，也有一些节省能源的好方法。
在布鲁塞尔的市中心，很难发现巨型的霓虹灯。
即使在圣诞节期间，点缀大街小巷的彩灯也都是由瓦数很小的灯泡组成的。
一些比利时人离开家的时候，不仅关灯，还关暖气，为的是省钱节电。
英国图书馆在桌子上安放阅读灯，由读者自行开关。
卖灯具的商店都独立安装开关，想要哪个，随时打开。
英国在提高能效方面有一系列的立法保障和政策引导。
每年拿出5000万英镑的“能源效率基金”，鼓励企业节约能源。
通过折扣补偿节电设备购置费，按节电效益对用户补贴等措施，以促进节约措施的实施。
日本的火车卧铺车厢在床头安装强弱两挡灯，分别供阅读和照明使用。
有些电力浪费是由于设备老化或不合理。
进行改造肯定要花钱，但对于节约能源是长远举措。
日本政府资源能源厅每年财政预算的四成用于节能和新能源工作。
可喜的是，大家已经意识到节约用电的重要性，很多企业和个人开始安装节能灯或改造设备，但还远远不够。
富裕和节俭并不是矛盾的概念，富裕更不是挥霍的代名词。
我们不能将节约挂在嘴边，而要落实到生活中的方方面面。
应当用科学发展观指导有序用电工作，大力开展节能节电宣传，推广应用节电新技术，加强商场、宾馆、饭店、写字楼、银行、娱乐场所的空调管理。
从身边做起，从小事做起：
“节约用电、人走关灯”。
目前国内各类院校中，由于同学们的自觉节能意识薄弱，在光线足够强时也开灯，课上完离开教室后灯亮着的现象普遍存在；而且，节能规划为欠缺，教室的灯光控制由管理人员手工代替，教室极多，管理人员忙不过来，这样就造成不必要的点能浪费和经济损失。
就我校为例，初步统计大小教室大约安装了共有5400盏灯，以每天仅亮灯8小时来计算，一年中扣除假期后，教室灯的耗电量约为52.25万度，学校在教室用电的经费上就支出约为30.46万元人民币。
而以每天浪费2个小时用电来计算，一年大约要浪费13.06万度的电量，占教室照明用电经费的四分之一。
我省各类大中专院校及其中小学总共有600多所，若都像我校一样每年浪费13.06万度电的话，我省就会浪费近7900万度的电。
导致电能的极大浪费。
再者，每所院校不断的扩招，教室不断的扩建，若再没有改进教室的用电管理设备，那么用电负荷可想而知，浪费的电能就更惊人.
基于以上种种原因，提高教室用电效率就成为学校节能的重要且主要的措施之一，因此节能技术的重要手段之一就是教室灯光自动控制系统的设计无疑就成为其中一项重要课题。
1.3本课题研究的内容和目标
1.3.1研究内容
本课题的研究内容有如下几点：
1.了解教室照明光强的标准;
2.调研教室灯光照明需求以及环境光强弱与开、关灯的关系;
3.研究人体存在探测技术，探测角度与范围；
4.研究传感器在教室分布、按放问题，是否一灯一个传感器或多灯公用传感器等；
5.研究确定人体传感器的有关参数；
6.研究灯光控制器电源问题；
7.研究控制器参数值设定的要求及方案；
8.研究人工设置参数、掉电保存参数的问题；
9.研究使用遥控控制灯光控制器技术‘
10.研究与现有教室照明相兼容，不易被偷盗、被仿制，易于维护、维修等控制技术；
11.研究报警等附加功能问题。
1.3.2研究目标
研究的教室灯光控制系统能用于现有教室照明系统的改造，实现对照明系统的人性化智能管理，提高用电效率；实现自动、手动灯光控制相兼容，以降低成本；通过反复试验和改进，最终达到可靠性、实用性、推广性较好的目标。
1.4本课题拟解决的关键问题
本课题拟通过试验研究教室灯光的各种控制方案解决如下关键问题：
1.照明回路的控制回路与控制器本身的节能问题；
2.传感器与教室灯配合安装的问题；
3.环境光参数输入采集问题；
4.人存在传感器参数输入采集问题；
5.开、关灯的自动与手动兼容措施。
第二章
2.教室灯光控制器简介及控制方案的分析
2.1教室灯光控制器简介
教室灯光控制器可实现有效的教室灯光智能控制。
其输入参数主要是人体存在信号和环境光信号等的外界因素，环境光的强度达到一定值时不开灯，环境光强度在一定阀值以下且有人存在时开灯，理论和实验证明用这种方式来对教室灯进行智能控制可以实现上述目标。
教室灯光控制器一般安装在教室内避开电灯直射的位置，且人体传感器安置时应使人体活动方向与人体传感器中两个热释电元连线方向垂直，这样可使人体存在信号采集更加灵敏、可靠，同时还要尽可能避免外界风直接吹向人体传感器。
2.2系统控制方案的分析
所研制的控制器以自然光强度和人体存在作为控制器的主要输入参数。
可以实现自动与手动控制相兼容。
在自然环境光较强光线足够时，无论人是否存在，都不开灯；在自然环境光较弱时，有人存在且超过一定时间，控制器自动打开电灯，直到人离开后再延时一定时间后关灯。
本文所研究的教室灯光控制器主要是由硬件和软件两大部分组成。
硬件部分是前提，是整个系统执行的基础，它主要为软件提供程序运行的平台。
而软件部分，是对硬件端口所体现的信号，加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到控制器自动与手动相结合的教室照明智能控制。
1系统结构和工作原理
系统结构图如图1所示。
本系统主要由光照检测电路、热释电红外线传感器及处理电路、单片机系统及控制电路组成。
工作时，光照检测电路和热释电红外线传感器采集光照强弱、室人是否有人等信息送到单片机，单片机根据这些信息通过控制电路对照明设备进行开关操作，从而实现照明控制，以达到节能的目的。
2系统硬件设计
按图1构成的系统硬件电路如图2所示。
为了使系统功能更加完善，在该系统中可以增加时间显示电路，用于显示当前的时间。
由于该部分硬件与软件均已成熟，在此不做详细介绍。
2.1中心控制模块
目前较为流行的单片机有AVR和51单片机，从系统设计的功能需求及成本考虑，51单片机性价比更高。
AT89C52是拥有2个外部中断、2个16位定时器、2个可编程串行UART的单片机。
中心控制模块采用AT89C52单片机已完全满足设计需要，实现整个系统控制。
2.2光照检测电路
如图2所示，当外界环境光照强时，光敏电阻R13阻值较小，则A点电平较低；当外界环境光照弱时，光敏电阻R13阻值较大，则A点电平较高，将此电平送到单片机，由程序控制是否实现照明。
2.3热释电传感器及处理电路
2.3.1热释电红外线传感器
热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号。
热释电传感器具有成本低、不需要用红外线或电磁波等发射源、灵敏度高、可流动安装等特点。
实际使用时，在热释电传感器前需安装菲涅尔透镜，这样可大大提高接收灵敏度，增加检测距离及范围。
实验证明，热释电红外传感器若不加菲涅尔透镜，则其检测距离仅为2m左右；而配上菲涅尔透镜后，其检测距离可增加到10m以上。
由于热释电传感器输出的信号变化缓慢、幅值小（小于1mV），不能直接作为照明系统的控制信号，因此传感器的输出信号必须经过一个专门的信号处理电路，使得传感器输出信号的不规则波形转变成适合于单片机处理的数字信号。
根据以上要求，人体热释电检测电路组成框图如图3所示。
2.3.2信号处理电路
本设计采用BIS0001来完成对热释电传感器输出信号的处理。
BIS0001是一款具有较高性能的热释电传感器信号处理集成电路，它主要由运算放大器、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。
由BIS0001构成的信号处理电路如图4所
示。
图4中，热释电传感器S极输出信号送入BIS0001的14脚，经内部第一级运算放大器放大后，由C3耦合从12脚输入至内部第二级运算放大器放大，再经电压比较器构成的鉴幅器处理后，检出有效触发信号去启动延迟时间定时器，最后从12脚输出信号（Vo）送入单片机进行照明控制。
实验所得，当传感器检测室内有人时，
；无人时
。
BIS0001的1脚接高电平，使芯片处于可重复触发工作方式。
输出Vo（高电平）的延迟时间Tx由外部R8和C7的大小调整；触发封锁时间Ti由外部R9和C6的大小调整。
2.4控制电路
2.4.1延时时间选择电路
系统在AT89C52的P1中设置了延时时间选择电路，其目的是在环境光照较弱时，照明设备延时一段时间后自动熄灭。
电路通过P1.0～P1.3设置4个延时时间，当P1.0～P3.0无开关闭合时，系统按初始值进行延时；当P1.0～P1.3有开关闭合时，程序从P1.3～P1.0进行检测，若检测到某一端口为低电平时，则系统按当前端口设置的值进行延时。
设置时间关系值如表1所示。
2.4.2输出控制电路
单片机对光照检测电路和传感器处理电路输出的信号进行检测，输出控制信号由单片机的P2.0输出。
在室内环境光照较强或光较弱但室内又无人时，P2.0输出高电平，此时三极管V1截止，继电器J1不工作，则接在220V上的照明设备不亮。
在室内光照较弱且传感器检测室内有人时，则P2.0输出低电平，此时三极管V1导通，继电器J1工作，则220V交流电通过继电器加到照明设备上，照明设备正常点亮。
3系统软件设计
软件部分的主要任务是完成对光照检测电路和对热释电传感器信号处理电路的输出信号进行处理。
在光照较强时，系统继续对光照检测电路的输出状态进行检测。
光照较弱时，系统对信号处理电路的输出状态Vo进行检测。
若室内有人时Vo为高电平，系统控制照明设备点亮并按设定的时间进行延时。
在延时时间内再一次检测到有人时，则系统又按设定的时间进行延时；若在延时时间内检测到室内无人时，则系统控制照明设备熄灭并重新对信号处理电路的输出状态Vo进行检测。
基于上述分析，系统软件设计流程如图5所示。
ORG0000H
MOVP3,#00H
MOVP2,#00H
SETBC
LP1:
MOVA,#60
LP2:
ANLC,P3.2
ANLC,P3.3
JNBC,LP2
SETBP2.0
JNBA,LP1
DELAY:
MOVR6,#10
DE1:
MOVR5,#200
DE2:
MOVR4,#248
DJNZR4,$
DJNZR5,DE2
DJNZR6,DE1
DECA
RET
END
4结语
本次设计的智能照明控制系统，适用于学校、商场等大面积室内场所的照明控制，可以有效地对照明设备进行自动控制，达到科学管理与节能的目的。
实验证明，该系统结构简单、安装方便、工作稳定、可靠性高。
若在该系统中增加报警装置，也可实现自动报警功能。
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