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类型灯控系统.pptx

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  • 文档编号:8506841
  • 上传时间:2019-06-30
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    灯控系统.pptx
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    1、基于多探测传感器的智能灯控制系统,团队成员:洪峰 刘杨斌 刘其峰指导老师: 行鸿彦 徐伟,电子与信息工程学院,2019/6/30,研究背景,传统楼宇控制系统特点:一般包括综合布线、计算机网络、安防、消防等子系统。现在对商业楼宇提出了更高的要求,即更为智能的控制。 大学校园的控制特点:相对而言,大学校园里的大功率动力和制冷设备比重较少,照明灯具则相对比重更多。依据节能、环保的要求,现代智能灯控系统已经成功应用于学校、厂矿和智能楼宇等场所。传统的智能灯控系统一般是基于声光控制,其可靠性、稳定性和功能有待提高。,研究背景:调研,文德楼灯控系统(单热释电)的缺点 1、检测方式单一2、检测不够灵敏3、检

    2、测精度不高4、检测范围太低5、本身的缺陷(无法检测静态物体) 学科楼无任何智能灯光检测设备,研究背景,意义:选择合理的照明方案,提高现在所用设备的综合性能,配置先进的控制系统,不仅体现在节约能源,降低学校运行费用,提高学校的科学管理水准,而且具有极大的经济意义和社会效益。在一些欧美发达国家,照明系统的智能化控制已成为现代化学校不可分割的组成部分,而且应用范围越来越广。因此,很有必要对学校教室照明进行智能控制管理。研究课题的可延展性:研究具体的节点设计以外,通过设计其网络特性,可与物联网的发展融合,具有良好的扩展性。,研究内容,总体设计思想:本课题主要是针对高校教学楼照明管理中电能浪费的现象,设

    3、计了教学楼智能照明系统,通过智能化控制实现节电目标。教室照明的智能控制主要是从教室照明的要求,控制方式,控制手段入手来实现。针对我国目前大中专院校的教室特点,采用多传感具体检测技术、结合软件实现对不同环境的参数设定,设计实现了教室光照、教室光强、教室内外声音,并通过使用显示仪表实行教学楼照明系统的参数监控。整个控制系统是由一个主控中心、多个分控中心和更多的单元节点组成的多层网络。这种控制系统的设想是能够适应一个相对集中的建筑群中有多个建筑需集散控制的情况。,研究内容,着重于具体节点的设计,具体论述了系统各组成部分包括硬件和软件的结构、功能及实现方法。 基于模拟人眼视觉可见光传感、声传感及红外热

    4、释电(静态、动态双模式)传感实现综合检测与灯控功能,可以大大提高智能灯控系统的可靠性和探测能力,特别适用于学校教室、楼道和其它公共场所,电灯、电扇等电器设备在无人、有人时的光、声及震动的联合控制,以节省电能。,基本目标,要实现的基本目标是:当有光(自然光) 时,不管教室是否有人和声响,都将关闭电源,所有灯具不会点亮。当无光(自然光) 时,若有人或者附近有异常声响时,则在短时间内旋转步进电机,使用红外热释电模块检测是否有人:若无声音,则不开启(动态检测)。经过可调整的时间后定时旋转步进电机,进行检测(静态检测)。本设计将实现一种较高实用价值的智能照明控制系统。,更为完善的大型系统扩展目标,节点:

    5、双步进电机旋转,更准确测量网络:总线结构;上位机-下位机通信功能软件:基于窗口化的功能管理、数据分析软件,方案对比论证,无专人管理,由学生自行控制开启再由值日学生在中午、下午和晚自习后关闭灯具,这种方法对学生的素质依赖程度很大,在某些情况下,对教室灯具用电量是一种极大的浪费。利用定时开关,根据作息时间开启和关闭整个教学楼的照明电源,这种方法虽然能在一定程度上节约用电量,但是不够智能化,在某些需要用电的情况下,如晚上特殊情况下不用上课的时候,完全违背了老师以及学生的用电意愿,所以这种方法也不是人性化。由专人负责,即管理人员根据作息时间和天气情况分层送电,这种方式虽然能从一定程度上节省用电量,但是

    6、需要专门的人去操控,造成了巨大的人力上的浪费,同时也不够智能化,对于大学这种充满了现代和科技气息的场合来说,这种方式显然已经完全落伍。根据室内的人员情况进行照明控制。在室内出入口安装人数流量计, 对室内的人数进行统计, 当有人时开灯, 没人时关灯。这一方法理论上可实现没人时照明灯自动熄灭的功能, 但由于统计室内人数十分困难, 在人员集中进出时, 甚至根本无法正确统计人数; 由于没有自然光检测装置, 则会出现只要室内有人照明灯就打开的情况, 即使在白天光线充足时也是如此; 当室内仅有一个人时, 由于无法确定使用者的具体位置, 只能打开全部照明灯, 故反而造成更大浪费。根据室内光线情况进行控制。结

    7、合自然光检测,在自然光充足的情况下, 关闭照明灯以达到节能的目的,在光线不足时打开照明灯。依据这一设计思想实现的方案主要有下列问题: 由于不能进行室内是否有人的判断,所以会导致在室内无人但光线不足时打开照明系统; 如果仅使用模拟比较器的方式实现自然光充足与否的判断, 可能在光线充足与否的临界点产生频繁切换, 导致照明灯寿命缩减, 影响照明系统的正常工作。基于时间控制。与上述两种方案相比, 一种更简单的方法是基于时间控制, 即设定在某一段时间内打开照明灯, 其它时间则关闭。这种方法不考虑有无人的情况,也不考虑阴天、晴天光线不同等情况。,检测静态物体方案的进一步论证,基本原理分析:常用的自动照明控

    8、制主要是利用人体经过热释电红外传感器时,所造成的红外线的变化被红外传感器接收到并转换成一定的电信号,而利用该电信号就可实现照明控制。由于热释电红外传感器只能对红外线的变化作出反应,即它只对物体的运动敏感,这就决定了它在走廊楼道的自动照明控制中具有广泛的应用。如何解决?,方法一:在红外探头的前面安置斩波器,即利用红外测温的原理对整个室内探测,通过对温度的判断确定是否有人存在来决定是否照明。这种方法虽然较为简单直接,但存在着一些不足之处,例如加置斩波器后系统体积增大,安装固定不够方便,与人体同温度的物体会造成系统误动,室内有遮蔽物则会影响系统的工作 方法二:该“运动计数”法采用热释电红外传感器中的

    9、“双元型” 器件作为探头,利用后继的信号处理电路对传感器信号进行处理,实现对物体运动方向的判断。虽然有比较清晰的电路设计方案,但考虑到现实生活中多名同学同时进出的情况相当多,所以可行度不高。 方法三:旋转步进电机(可控速、正反转、多模式),按照相应的逻辑判断,执行相应的执行程序,来申请中断,进入服务子程序,实现检测功能。方法简单易行。,确定方案,上述控制方法的综合。目前比较成熟的方案是把上述几种方法结合起来实现, 以弥补上述各自的不足, 从而具备一定的智能水平和实际应用价值。基于动态检测的采用步进电机驱动红外检测模块实现。,市场前景预测,与传统的粗放式的管理状态相比,智能管理系统具有总体拥有成

    10、本低(一次费用较高,但运行维护费用低)、维护方便(单个部件损坏不影响系统的整体性能)、功能丰富(可实现灯光的任意组合)、优异的可扩展性(软件设置即可)、便于系统集成等特点。其主要优越性具体表现有以下几点: 达到良好的节能效果,延长灯具寿命节能是照明控制系统的最大优势。传统的照明工模式,只能是白天开灯,晚上关灯。而采用了智能照明控制系统后,我们可以根据不同场合、不同的人流量,进行时间段、工作模式的细分,把不必要的照明关掉,在需要时自动开启。同时,系统还能充分利用自然光,自动调节室内照度。控制系统实现了不同工作场合的多种照明工作模式,在保证必要照明的同时,有效减少了灯具的工作时间,节省了不必要的能

    11、源开支,也延长了灯具的寿命。 改善工作环境,提高工作效率.良好的工作环境是提高工作效率的一个必要条件。合理地选用光源、灯具及性能优越的照明控制系统,都能提高照明质量。智能照明控制系统具有开关和调光两种控制方法,可以有效地控制各种照明场所的平均照度值,从而提高照度均匀性。同时,系统能根据不同的时间段,人们的不同需要,自动调节照度。 实现多种的照明效果多种照明控制方式,可以使同一建筑物具备多种艺术效果,为建筑增色不少。现代建筑物中,照明不单纯地为满足人们视觉上的明暗效果,更应具备多种的控制方案,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。一栋建筑物中,室外景观照明、泛光照明可以预设为春

    12、夏秋冬四季变化,周末节假日场景,大型庆典场景;会客厅、会议室等可以预设会议、投影、会间休息等不同场景。在传统的人工控制方式下,难以实现如此多种多样的照明效果。 提高管理水平智能照明控制系统是以自动控制为主、人工控制为辅的系统。在一般的情况下,不需要有人的参与,照明系统自动实现开关和调光功能。既大大减少了管理人员的数量,也排除了由于人为因素而出现的不定时开关,影响学校的正常教学、生活秩序的情况出现。 较好的投资收益效果虽然智能照明系统最基本的功能是开关,似乎与传统的照明系统并无二致。但后者以自动控制为主、人工控制为辅,而智能照明控制系统减少灯具使用时间和管理费用的同时,能有效节约能源。根据一般办

    13、公大楼的运营经验,节能效果能达到40%以上,一般的商场、酒店、地铁站等节能效果也能达到25%一30%;学校在这方面还没有得到具体的统计数据,但根据分析,效果还是令人满意的。由于我国以前的粗放型经济的增长方式己经导致资源匾乏,这种一味地靠资源和牺牲环境来换取GDP的增长的外延扩展方式己经走到尽头,所以调整产业结构,在照明行业推广智能照明系统具有重要的意义。 基于可见光探测、声响探测、红外探测三套传感系统和软件控制技术,是一种改善型的节能控制器的设计方案。在相同的性能指标下,此改善型设计并不会造成成本的大幅增加,具有广阔的应用前景。现代照明系统在建筑能耗中所占的比例日益增大, 实现照明系统的节能迫

    14、在眉睫。在学校教室、车站候车室、医院等场所里,传统的照明系统还有很多,在不同程度上存在不够完善或者无法实现等问题,造成了能源的极大浪费。本设计在节能上拥有较大的优势,在功能上有明显增加,适应于低碳经济的发展方向,具有较广泛的市场前景。,总体思路,本系统设计采用多探测传感器原件,在原有传统灯光控制系统的基础上,通过软硬件的联合控制实现更为合理、更为精确的设计。系统首先检测可见光测量模块,并通过光-流-压转换后,经过A/D转化为数字量并通过液晶显示。通过程序设定的阈值,可以设计是否经过下面的判断。若是电压较小,说明了亮度不够,则继续判断声音。若是声音较大,则在短时间内多次调用步进电机正反转功能模块

    15、,检测是否有红外光线;否则,则每隔十五分钟定时检测。因为在实际过程中,设置声光的阈值都缺乏直观性,所以使用液晶电压显示进行判断。如果感觉不合适,还可以通过软件调整,无须更换硬件电路。 每个教室安装的智能终端是以单片机AT89S52为核心的数据采集和处理装置,它直接与各种FO设备(如温度传感器、可见光传感器、继电器、红外传感器、蜂鸣器等)相连,通过这些FO接口,MCU实时采集它们发送的数据,经计算并保存在内部存储器内,根据内部总线管理。每个教室控制器都是由电源模块、通讯模块和若干个智能终端模块组成。智能终端模块采用了积木式的组合结构,可以根据不同的需要选用不同的智能终端模块进行组合,同时为了便于

    16、现场对用电设备进行开关操作。,硬件设计,硬件电路比较复杂,主要由以下几个模块组成,分别为:单片机总控制模块,微弱声音放大检测模块、可见光检测模块、步进电机及红外光检测模块、数模转换模块、液晶显示模块等几部分组成。,系统框图,各电路模块的设计,7.1 各模块电路设计 6 7.1.1 微弱声音放大及检测模块 7 7.1.2可见光检测模块 8 7.1.3模数转换模块 10 7.1.4红外热释电模块 10 7.1.5液晶显示模块 11 7.1.6步进电机模块 11 7.1.7系统电源模块 12 7.2 系统电路原理图 12,微弱声音放大及检测模块,从麦克风接收到信号后由9013经过初次放大之后,再经过

    17、集成放大器LM324的两级放大。为了使交流转化为直流。有两种转换方案:其一是使用类似于高频电路中检波电路,即时电压经过二极管及RC的电路,后经过验证,此方案效果不好。其二是通过研究万用表交直流转换的电路,选用了专用的整流芯片AD736.当被测交流电压超过200mVRMS时,必须在AD736前加一级分压器,以将被测电压衰减到200mV以内。经过实际的测试,我们采用了1k和30k两个电阻分压,使信号降低到规定的值以下。经过交直流转换的电路之后,V0相对比较微弱,再经过LM324进行放大。最后的输出能够达到理想的状态。,可见光检测模块,可见光检测模块由两种可供选择的方案。其一是使用光敏电阻和三极管放

    18、大电路的相应电路实现。根据光敏电阻阻值的变化,调节三极管进入切换状态区(类似于红外水龙头的控制)。但这样的电路线性度较差,不能达到教室对灯光的要求。所以我们采用LX1970作为本模块的核心芯片。LX1970是能实现人眼仿真的集成化可见光亮度传感器。内含型光电二极管、高增益放大器和两个互补式电流输出端。该光电二极管阵列的光谱特性及灵敏度都与人眼十分相似,因而能代替人眼去感受环境亮度的明暗程度,并将接收到的可见光转换成电流信号。发光波长为,电流灵敏度为,暗电流为。非线性误差小,重复性好。两个互补输出端的电流不对称度仅为,可任选一端作为输出。外围电路简单,价格低廉,使用方便。无须使用滤光片即可有效衰

    19、减紫外光及红外光。微功耗,低压供电。采用电源,电源电流可低至(典型值)。经过考虑整体供电的方便性,对LX1970采用5v电压供电。利用src输出光-流转换的结果, 为了方便后续电路的使用,考虑其特性,加20K电阻实现流压转换。Lx1970性能稳定,灵敏度极高,为了方便控制,对其加一个10uF的电容,减缓其变化,以使主控系统更好地发挥功能。,模数转换模块,采用philips公司的PCF8591芯片作为核心元件.PCF8591是一种具有I2C总线接口的8位A/D、D/A转换芯片,在与CPU的信息传输过程中仅靠时钟线SCL和数据线SDA就可以实现。PCF8591为单一电源供电(2.56 V)典型值为

    20、5 V,CMOS工艺。PCF8591有4路8位A/D输入,属逐次比较型,内含采样保持电路;1路8位D/A输出,内含有DACPCF8591的A/D转换为逐次比较型,在A/D转换周期中借用DAC及高增益比较器。对PCF8591进行写读操作后便立即启动A/D转换,并读出A/D转换结果。在每个应答信号的后沿触发A/D转换周期,采样模拟电压并读出前一次转换后的结果。A/D转换中,一旦A/D采样周期被触发,所选择通道的采样电压便保存在采样、保持电路中,并转换成8位进制码(单端输入)或二进制补码(差分输入)存放在ADC数据寄存器中等待器件读出。如果控制字节中自动增量选择位置1,则一次A/D转换完毕后自动选择

    21、下一通道。读周期中读出的第一个字节为前一个周期的转换结果。上电复位后读出的第一字节为80H。,模数转换模块,红外热释电模块,感应距离7米,感应角度110全自动感应:人进入其感应范围则输出高电平, 人离开感应范围则自动延时关闭高电平,输出低电平。有两种触发方式: a.不可重复触发方式:即感应输出高电平后,延时时间段一结束,输出将自动从高电平变为低电平;b.可重复触发方式:即感应输出高电平后,在延时时间段内,如果有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将高电平变为低电平(感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段,并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点)

    22、。 具有感应封锁时间(默认设置:2.5S 封锁时间):感应模块在每一次感应输出后(高电平变成低电平),可以紧跟着设置一个封锁时间段,在此时间段内感应器不接受任何感应信号。此功能可以实现“感应输出时间”和“封锁时间”两者的间隔工作,可应用于间隔探测产品;同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。(此时间可设置在零点几秒几十秒钟)。,红外热释电模块,液晶显示模块,步进电机模块 步进电机主要采用ULN2003作为驱动芯片。 步进电机驱动部分原理图,系统电源模块,单片机工作需+5V电压,使用USB接口供电。为了保持系统的可靠性,电源电路使用10和104两个电容。 另外,系统中多次使用-5V电源

    23、,为保持电路的简洁性,使用ICL7660及其外围电路,将+5V电压改变为-5V电压。,系统原理图(部分),设计布局,教室光照强度是控制教室内用电设备开或关的重要因素,也是节约电能的手段之一,下面将研究设计可见光传感器。可见光探测器在教室中的布局考虑到教室内距离窗户远近不同,接受的日光强度不同的特点,为避免可见光探测器受光面小的缺点,应在教室周围进行合理地分布,用于探测自然光的强弱。根据我校主楼教学楼教室中日光灯的分布情况,那么光电探测器在教室中的布局则根据此分布情况进行安置,即在每个区域的远离窗户最远的地方安放一个可见光探测器。每个区域的日光灯则由安置在教室内的按键来控制。此外,相邻两个区域装

    24、置的探测范围都有一定的重叠以确保当有人在两个区域中间学习时能够得到足够的光强。这样,当外界环境中的自然光能满足所需的光照度时,不管教室是否有人,教室灯都不亮,控制教室日光灯的自动熄灭。当教室要作特殊使用时(如多媒体教学),则拉上窗帘,关闭所有的灯具或点亮少许微弱的灯具。当教室光强不够,教室中有一个同学单独处于某一个区域中时,只有他周围的日光灯亮;当再有人来这个教室时他们完全可以选择亮灯的地方坐,若选择其他区域情况类似。这样就完成了教室照明智能控制,起到了节约电能的作用。因教室的走向与太阳光的夹角不同而造成亮暗区位置不同对光电探测装置布局造成的影响。,因教室的走向与太阳光的夹角不同而造成亮暗区位

    25、置不同对光电探测装置布局造成的影响。,软件设计部分:系统主流程图,本课题以教室智能灯控系统设计为重点,根据目前高校的教学楼特点,设计了基于节点的具体模块。有效地对教室里的用电设备、教室的光照强度等进行监控。 完成了如下工作: 1)分析了当前高校用电管理的现状,概述了教室智能照明的优越性。 2)设计了适合学校教学楼的智能照明监测系统主体模块。 3)设计了各信号采集及增强电路。 4) 设计并实现了相应的软件级。 经过智能教室控制系统项目的设计研究工作,使我们对监控系统的组成和实现原理有了深入的了解。丰富了自己电子及单片机应用方面的理论知识,编程也更加熟练,同时也加深了对IIC总线的理解和认识,掌握

    26、了综合性编程的方法。总的来说,感觉实践能力有了大幅度的提高,为今后的工作和学习打下了坚实的基础。 由于时间关系和水平有限,设计中存在一些缺陷和不足,敬请专家批评指正,在此本人对所作的工作还有值得改进的地方和心得体会总结如下: (1)系统本身可以作进一步扩展,使用C+设计相应的窗口化软件,可以进一步提高其可行性。 (2)本项目只是进行了智能教室监测系统的试验验证,其试验只是在实验室中完成,针对一些复杂情况可能还需要进一步提升其性能。本设计要想形成产品进入市场,并在现场安装运行,还需要做大量的工作。,可延展部分,通过安装温度传感器,红外发射-接收电路,可以控制室内的电扇、空调等。 其他已经在前面已介绍过。,获得成果:,实物系统一套 核心期刊论文一篇(已录用) 正在申报专利,谢谢观看!,

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