1、第一章 绪论1第 1 章 绪论1.1 引言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，国内外己经开始采用，但对教室灯光的控制，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
2、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 课题的来源、意义及研究目的世界各地发电的主要原料是煤炭、石油和天然气，而丹麦在能源利用方面的成功经验提供了很好的借鉴。从 1974 年以来，尽管丹麦国民收入增长了50%，丹麦总的能源消费量并没有增加。丹麦是 OECD 成员国中能源消耗量和国民收入比值最小的国家。他们不断地提供一些节能供热系统，例如丹麦热电同供热电厂
3、(CHP)，而且，他们尽可能的有效利用资源。这样，他们的能源使用总效率达到了 90%。丹麦政府很重视住房空间用电的节能，并设立了对新建房屋节能的诸多要求。数据显示，居民入住有节能装置的房子时，他们要支付比没有节能方案房屋高出 8%的费用。其节能项目经验在欧盟国家中广为流传。还有，欧司朗一斯维尼亚公司不断的推出新型高输出的荧光灯，节约 6%的总系统功率，并具有更高的光通和平均光通量。飞利浦照明公司推出的陶瓷金卤灯代替过去的卤钨灯，可节能 60%的电能。种种迹象表明世界各国都在采取不同方式来节约能源，节约电能。中国经济持续多年的高速发展让能源问题日益突出。虽然我国能源总储量不低，但由于我国人口众多
4、，所以人均储量少，单位产值的能耗是发达国家的3-10 倍。能源问题已成为制约我国国民经济发展的关键问题。从环境和自然资源角度出发，能源问题也是我国长期可持续发展战略中一个关键因素。此外，能源问题不仅关系经济发展和环境生态，在特定情况下还会对社会稳定有很大影响。鉴于能源问题的重要性，我国在绿色照明工程新闻发布，绿色照明工程未来五年间将在公用设施、宾馆、商厦、居民住所等全国建筑物中推广 1.5 亿只节能灯，节电 290 亿度电。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，使我国的电光源产品结构逐步向节电型转变，荧光灯与普通白炽灯的比
5、例由 1995 年的l:6.25 前的 l: 1. 5。吉林建筑大学电子信息科学与技术专业毕业设计2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，己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。政府己经在商厦、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%。我们党在 2000 年 10 月 11
6、 日党第十五届中央委员会第五次会议通过的中共中央关于制定国民经济和社会发展第十个五年计划的建议中明确指出:“加强基础设施建设是今后五年至十年一项十分重要的任务。 ”其中提到的基础设施建设就包括了能源建设。 建议还强调了能源建设要发挥资源优势，优化能源结构，提高利用效率。面临如此紧迫的能源问题，我们应该把着眼点放在“高效加强环境保”利用“清洁”能源。由此可见，节能照明用电，对节能具有重要的意义。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，护洁课上完离开教室后灯还亮着的现象普遍存在;而且，节能规划极为欠缺，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
7、样就造成不必要的电能浪费和经济损失。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得支出约为 30.46 万元人民币。而以每天浪费 2 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 600百多所，若都象我校一样每年浪费 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
8、的电能就更、凉人了。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关自动控制系统的设计无疑就成为其中一项重要课题。1.3 研究工作的主要内容及章节安排1.3.1 本课题的研究内容: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.研究传感器教室分布、安放问题，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；第一章 绪论38.研究人工设置参数、掉电保存参数的问题；1
9、.3.2 本课题教室灯光控制方案: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；吉林建筑大学电子信息科学与技术专业毕业设计4第 2 章 系统的设计方案2.1 系统的总体设计结构及功能2.1.1 系统结构该系统以 AT89S52 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。整体系统由人体传感器感应
10、信号，再送入单片机进行处理，再由单片机控制控制教室灯光。同时将环境亮度检测、人工控制、报警控制等功能加入到系统中。2.1.2 系统功能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 系统的设计参数
11、2.2.1 室内照明标准学校照明的目的就是创造一个良好的环境，为学校教育的视觉工作提供保障，满足学生和教师的视觉作业要求，保护视力，提高教学和学习效率。标准如表 1-1 所示：第二章 系统的设计方案5表 11 学校照明标准房间或场所照度值(lx)眩光值(UGR)显色指数(Ra)参考平面及其高度均匀度照度功率密度(W/)普通教室 300 16 80 课桌面 0.7 9实验室 300 16 80 试验桌面 0.7 9多媒体教室 300 16 80 0.75m 水平面 0.7 9因此通过对光感模块的参数设定，使其满足室内光照强度要求，当室内光照照度较低时，即低于 300lx 时，光感模块做出反应并将
12、信号传递给单片机，从而达到节能目的。2.2.2 人体感应参数标准1.工作电压：DC 5V 至 20V2.静态功耗：65 微安3.电平输出：高 3.3V，低 0V4.延时时间：可调(0.3 秒18 秒)5.封锁时间：0.2 秒6.感应范围：小于 120 度锥角，7 米以内7.工作温度：-15 至+70 度2.3 系统的设计方案本电路具有对教室内的人数进行统计和对光照情况进行鉴定的功能，并对灯光进行实时控制，达到方便和节约能源的目的。电路有两种控制方式：自动控制状态和强制执行状态。自动控制状态：电路上点复位后自动处于自动控制状态，当环境光照充足时且教室光照强度大于设定值时，不管有没有人，灯都不亮。
13、若教室光照强度小于设定值，则系统控制工作点亮人体所在区域的灯组。强制执行状态：在电路正常工作的情况下，按下强制开关可以通过人对教室灯进行强行控制，再通过按下此按钮也可以恢复到自动控制状态。系统框图如图 2-1 所示：吉林建筑大学电子信息科学与技术专业毕业设计6图 2-1 系统控制单元结构框图第三章 系统的硬件设计7第 3 章 系统的硬件设计本系统采用 AT89C52 单片机处理芯片，其特点是外围电路简单，价格低廉，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。当教室里面没有人时系统会通过热释电红外感应无人信息，传递给单片机进行处理后使教室里面（即控制区）的灯全
14、部关闭。直当教室有人时系统会通过热释电红外感应到有人信息，并传递给单片机，单片机在根据当前光照强度判断是否点亮人体所在区域灯组。原理图见附录一。3.1 控制核心模块因为 51 单片机的 P0 口驱动电流小，因此需要外加上拉电阻。单片机最小系统主要还有晶振电路以、复位电路、及报警电路。由于蜂鸣器需要的驱动电流较大，单片机 I/O 端口不能直接驱动，所以通过一个三极管进行电流放大。如图 3-1 所示：图 3-1 单片机最小系统3.2 热释电红外传感器3.2.1 热释电红外传感器工作原理自然界中存在的各种物体，如人体、木材、石头、火焰、冰等都会发出不同波长的红外线，利用红外传感器可对其进行检测。根据
15、工作原理，红外传感器分为热型和量子型两类，热型红外传感器也称热释电红外传感器或被动红外传感器。与量子型相比，响应的红外线波长范围较宽，价格便宜，并可在常温下工作。量子型与热型的特点相反，而且要求冷却条件。本系统采用的是热释电红外传感器，人体存在传感器主要采用了红外传感器的原理，它是目前在防吉林建筑大学电子信息科学与技术专业毕业设计8盗报警、火灾检测、自动门、自动水龙头、自动电梯、自动照明等场合，及非接触温度测量等领域应用最广泛的传感器。其原因为:被测对象自身发射红外线，可不必另设光源；大气对 2-2.61Lm,3-51Lm, 8-141Lm 三个被称为“大气窗口”的特定光通量的红外线吸收甚少，
16、可非常容易被检测；中、远红外线不受可见光影响，可不分昼夜进行检测。人体存在传感器的热释电红外探头的工作原理及特性如下:红外感应源采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生由人体存在的信号。为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面覆盖有特殊的菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。人体存在的探测，其传感器包含两个互相串联的热释电元，而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。一旦有人进入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，
17、并被人体存在传感器的热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而输出有人体存在的信号。菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距(感应距离)，从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。有人进入时，移动人体发出的红外线被红外传感器接收，则人体存在被感应，并输出高电平。若人体进入最不敏感移动方向时，则人体传感器所体现的信号就会不理想，有时还会产生误动作，所以要特别注意人体传感器的安装方向。人体传感器 HP-208 是深圳市浩博特电子有限公司研发和生产的基于红外线术的智能产品，它的主要特性如下:感应为全自动方式，人进入感应范围时输出高电平(高 3.3V)
18、，人离开应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平(低 0.3V)，其高低电平利于采集；采用可重复触发方式。即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果二人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时 8，15秒后将高电平变为低电平；人体传感器工作电压宽为 DC3V-DC24V；人体传感器制作成锥面形状，感应范围大，小于 140 度锥角，感应距了为7 米以内；其静态电流小于 50 微安，功耗低；工作温度介于15 度和+70 度之间，适应性强；灵敏度高，可靠性强。第三章 系统的硬件设计93.2.2 热释电红外传感器分析热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。不同
19、的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰，该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化，并将其转换为电信号输出。热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用，因而需要用电阻将其转换为电压形式，该电阻阻抗高达 104M 欧姆，故引入的 N 沟道结型场效应管应接成共漏形式(即源极跟随器)来完成阻抗变换。热释电红外传感器
20、由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。如图 3-2 所示：图 3-2 双探测元热释电红外传感器图 3-2 是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。使用时 D 端接电源正极，G 端接电源负极，S 端为信号输出。该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。对于辐射至传感器的红外辐
21、射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号。信号经过热释电红外传感器之后，产生的波形不能为单片机所接受，中间必须有一个信号调节电路。本系统采用 BISS0001 集成电路可将传感器的信号转换为标准的高低电平。其电路原理图如图 3-3 所示：吉林建筑大学电子信息科学与技术专业毕业设计101234567890BISuRMesKDG人CPF.apV图 3-3 热释电信号调节电路BISS0001 芯片的引脚图，各引脚的定义和功能如下： VDD工作电源正端。范围为 35V。VSS工作电源负端。一般接 0V。I B运算放大器偏置电流设置端。经 RB
22、 接 VSS 端，R B 取值为 1M 左右。1 IN-第一级运放放大器的反相输入端。1 IN+第一级运放放大器的同相输入端。1 OUT第一级运算放大器的输出端。2 IN-第二级运算放大器的反相输出端。2 OUT第二级运算放大器的输出端。VC触发禁止端。当 VCVR 时允许触发。VR 0.2VDD。VRF参考电压及复位输入端。一般接 VDD。接“0”时可使定时器复位。A可重复触发和不可重复触发控制端。当 A=“1”时，允许重复触发，当 A=“0”时，不可重复触发。Vo控制信号输出端。由 Vs 上跳边沿触发使 Vo 从低电平跳变到高电平时为有效触发。在输出延时间 TX 之外和无 Vs 上跳变时 Vo 为低电平状态。RR1RC1输出延迟时间 TX 的调节端。T X49152R 1C1。 RR2 RC 2触发封销时间 TI 的调节端。T X24R 2C 2。
