照明系统开题报告Word格式文档下载.docx

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3.ANMINGSI照明控制:

采用ANMINGSI-anbus总线形式，所有执行器由NMINGSI-anbus总线电缆连接，执行器可执行各控制器发送的执行命令（分布式控制），同时也可以直接由中央控制计算机通过LAN与IP网关相连接进行控制，避免了因局部模块出现故障而失控。

通过LAN,整个智能照明控制系统可与楼宇自动化系统连接达到系统集成的效果。

[2]

4．松下全二线智能照明控制系统:

松下公司的全二线照明系统是用信号的形式在不同地点之间传送命令。

它从集中控制着手，采用CPU作为中央控制单元，用2根24V的信号线实现照明控制。

[3]

5.基于分时多路传输算法的照明控制系统：

这是一种新型的分布式照明控制系统（为楼宇自动化而设计），所有的被调照明控制终端通过双电力线与中央控制单元相连接，同时提供电力和信号给每个分布式终端，数据的传输是通过分时多路传输算法。

使用这种算法的分布式照明控制系统可以达到低成本、节能，并且增强了照明控制系统的可靠性[4]。

6.基于工业无线技术的智能照明控制系统：

是互联网络的典型应用，它使用三点控制技术（three-point-controltechnology）调节灯的亮度、开闭灯并且能够进行故障检测[5]。

7.集成高动态范围成像和DALI的照明控制系统：

使用成本很低的图像传感器、光传感设备以及高动态范围成像技术（HighDynamicRangeimaging,一种计算机图形技术）组成的系统，通过这种技术可以大范围的对亮度进行评估，单个的传感器即可同时估计多个地点照度水平。

校正程序可以从图像中分理处空间照度的数据值，并且提供算法来控制单个灯具已达到不不同位置的不同目标照度。

这种控制系统充分利用了数字技术的特征，包括数字图像处理技术和DALI（DigitalAddressableLightingInterface）技术[6]。

8.基于zigbee的照明控制系统：

zigbee无线传感器网络用来收集环境数据，并传送照明控制信号，环境数据作为模糊控制器的输入变量，并且为模糊照明控制系统建立ruledatabase.这种系统具有使用、经济、节能等优势，并且特别适合于家庭应用[7]。

但目前针对LED的智能照明控制系统主要采用模式设定和手动调节来控制光输出，根据感光变化来动态控制的成熟系统较少，而且整个系统比较庞大，使用维护成本都很高，不利于在简单的家庭应用中推广。

因此研究结构简单、控制方便的小型自适应照明控制系统，可以更好地在小型照明应用场合推广，能够更好地发挥LED照明的节能优势

[1]

。

课题的基本思路

我们的项目中，关于环境自适应的LED调光电路的控制模型如下

系统原理框图

实验的基本思路是，在室内放置多个感光探头TSL2561，采集室内环境中的亮度，将光信号转化为电信号；

输入到控制模块，计算出照度值。

将测得的照度值和设定的初始照度进行比较，通过MICROCHIP（MC）公司的PIC芯片，计算产生合适的PWM调制信号，从而分别调节每个LED灯具的亮度，对照明场所内的不同位置（自然亮度不同的区域）给予不同的亮度补偿，最终使得整个工作区域达到均匀的亮度。

由于在这个照明控制系统中，感光元件周围区域的照度保持高度一致，若将几个感光探头放在室内的工作区域，既可以保证工作区域的照度满足要求，又可以减少电能的损耗，满足智能照明的需求。

而且感光元件的位置可以移动，使得该照明控制系统可以灵活地应用于不同大小的照明场景。

课题的基本内容

1.照明控制系统硬件设计

（1）设计感光电路，使其能够在室内比较准确地取到多个点的照度来表征室内环境的采光照度情况。

将光信号转化为电信号。

照度的计算是由控制芯片完成的。

室内环境的光照信号传递、处理过程的框图如下：

在我们的项目中，考虑使用TSL2561感光芯片，将光照强度信号变成数字信号，传输到单片机进行数字信号处理。

TSL2561感光芯片的数字输出符合标准的I2C总线协议;

模拟增益和数字输出时间可编程控制;

1.25mm×

1.75mm超小封装,在低功耗模式下,功耗仅为0.75mW;

自动抑制50Hz/60Hz的光照波动[8]。

引脚如下图所示：

TSL256X内部结构图

（2）LED主电路

为了使LED灯方便被控制电路控制，我们需要选择合适的LED调光电路。

对于灯的调光，一般可以通过以下几种方式：

a通过调节和灯串连的可变电阻或者可变电感的方式。

缺点是电阻会消耗很大的能量，因此效率不高。

b利用可变的变压器给灯供电，调节可变电压器的输出从而调节灯的输出。

缺点是变压器的个头和重量都很大。

c在电路中利用可控硅来调节供电电流，小而且便宜。

缺点是很难实现数控调光；

d在电路中利用电感线圈和灯串连，通过增加电流频率增加电感感抗，减小灯输出。

频率调光的效率比较高，也可以进行数字控制。

ePWM调光方式，通常应用于直流电源中对钨丝灯泡等线性负载的调光。

它具有电路简单、成本低廉，调节精度高灯优点[9]。

考虑到我们的项目需要对LED灯进行比较精确的控制，因此我们选择PWM调光方式。

对LED供电的可调光电路的主电路图，我们用protel软件编辑如下图所示，采用凌特公司的高亮度LED驱动芯片LT3491芯片[10]，对LED灯进行驱动，驱动芯片的PWM信号由控制电路的芯片来提供。

输入电压由市电经过滤波，整流，降压，功率因素校正得到。

（3）LED控制电路，将感光探头得到的光照度和设定的初始光照度进行比较处理，在MICROCHIP（MC）芯片中产生PWM信号，控制LED主电路的开关管，从而对LED灯具进行调光控制。

：

由于至少要接受4个感光探头的信号和输出4个PWM信号，所以我们选用MICROCHIP公司的高性能的单片机PIC18F87J11系列[10]，它内部有5个PWM控制模块，4个PWM输出通道，外部有64个引脚，采用8位或是16位接口，足够满足我们的控制电路需求。

（4）硬件连接

感光芯片TSL2561可以通过I2C总线访问，所以硬件接口电路非常简单。

我们选用的MC微型处理器带有I2C总线控制器，只需要将该总线的时钟线和数据线直接与TSL2561的I2C总线的SCL和SDA分别相连；

但在编程时需要通过I2C总线的时序来访问TSL2561，INT引脚接微型控制器的外部中断。

由于我们的项目中有多个感光探头，电路连接时需将各个探头的电信号通过各自的数据传输线连到PIC芯片的I/O接口上，为简单说明起见，下图仅显示1个探头与控制芯片硬件连接情况。

微型控制器与感光芯片TSL的连接图

2．照明控制系统的软件设计

（1）对于感光芯片，我们需要对其编辑程序语言，给芯片初始化后，定义一些参数，如控制字，积分时间，增益灯，使芯片可以稳定地检测环境中的照度，并且将照度值以一定的数据形式传输到计算比较控制模块的单片机中。

SL256X感光芯片软件设计流程图

（2）在控制电路中，输入初始的照度值。

编辑算法，使得控制芯片对初始信号和采集信号进行比较，就算输出PWM信号，由于我们是用一个模块接收多个感光探头的信号和控制多个LED灯具，所以在这个步骤中，需要大量地测量环境照度，并且调试程序中的参数，从而最终使得该模块的功能达到预期要求，即控制模块可以根据感光探头的信号调整LED灯具的亮度，使得工作区域的照度基本达到设定的初始照度。

课题创新点

传统光源的自适应照明调光系统，是以灯具中的电流或是电压为反馈信号的，可以使灯具工作在稳定的电流或是电压环境下，但是很少能够对光源所处的环境的照明情况的变化而做出调整。

LED作为新兴光源，针对它的高效驱动控制电路还有很多研究的空间，而已有LED的调光电路中主要是对自身节温、亮度衰减进行测量并进行修正的自适应电路，但是对环境亮度的自适应电路很少。

我们的项目试图探究LED环境亮度自适应电路，从而使得照明系统趋向于智能化，即通过巧妙、精细的电路，可以使得LED灯具在不同亮度的室内环境下发出不同亮度的光，最后使得使用者的工作区域（如写字台周围，会议桌周围等）的照度总可以达到使用者设定的照度值，用比较少的电能最大限度地满足使用者的光照需求，达到照明系统节能和智能的效果。

举一个形象的例子来讲:

在一间阅览室内的有四盏LED灯，分别对应一支传感器（如下图所示同色相对应），传感器不固定可移动，他们都由控制中枢进行控制。

如上图所示，由于阅览室内门窗的存在，使得整个阅览室内的亮度分布有梯度变化（黄色背景的渐变），在远离门窗的区域，亮度比较低；

而在靠近门窗的区域则比较高。

如上图所示，将四支传感器分别放置在会议桌（灰色框所圈中的工作区域）的四个角上，传感器所感应到的桌上的自然亮度也呈现同样的梯度趋势。

因为传感器与每个LED灯是互相对应的，我们可以对每只传感器所感应到的亮度进行接收、处理，然后像LED发出不同的驱动信号，使单纯LED在桌上产生的亮度的变化是像下图这样的

那么将上述两者作用叠加，就可以在会议桌上产生理想的并且是较为均匀的亮度，如下图所示：

这种调光方式比起一般的一致调光方式来讲更实用，并且我们使用下面的设计，使得系统的灵活性大大增加：

如果现在要举行的小型会议只需要占用大桌的一小部分（如下图多边形区域所示），那么我们只需要在这一小片区域得到理想且均匀的亮度，而不是在整个会议桌上。

所以，我们将传感器放在我们需要区域的边界上，传感器传回中枢这一小片区域的亮度信息（每支传感器的信息可能是不同的）。

中枢控制进行处理后，对每个传感器对应的LED灯发出大小不同的驱动信号，使得LED灯点亮后，在下图区域中产生同样理想均匀的照度。

有一种极端的情况是，如果我们只需要大桌的一角而LED灯分散在房间四处，那么距离较远的几盏灯甚至可以通过单片机的控制来关断，或者我们只使用距离较近的灯的传感器传回亮度信号来执行控制，其余传感器和灯可以人工关断，已达到灯的高利用率。

综上，我们可以看出，只要利用传感器不同的组合、排列，加上控制中枢程序的准确性，我们可以在任意我们需要的范围内产生合适的亮度。

这是我们所设计的LED照明系统的最大创新点。

这样的一整个LED自适应系统，不仅与以往所设计的“以一概全”的LED统一亮度调节截然不同，而且可以满足人们灵活变换活动区域的需要。

对于不影响工作生活的亮度梯度范围，可以不做处理，又可以在一定程度上做到节能。

课题难点

（1）一般的室内照明环境中，靠近窗台门口的区域的自然光取光效果要比室内的其他区域好，使得室内的很多区域的照度不完全相同。

因此如何在室内用较少的光敏元件来较全面、准确地反应整个室内的照明情况是有难度的。

我们的项目侧重于布置感光探头和其对应LED的位置，从而最大限度地满足主要工作区域的照度需求。

将感光探头安置在特定的工作区域，如办公书桌、窗台、门口等，然后通过增减探头数目和位置以及大量的照度测试实验，来确定比较合适的感光元件的个数和安置位置等。

（2）在采集各区域的光照强度时，我们采用感光探头测得光照度，通过一定的通信协议传输到控制系统的单片机中进行计算处理。

由于有多个感光探头，而这些感光探头的照度的计算均需在控制芯片的控制下进行，因此我们需要对各个探头的光信号采集时间，电信号发射时间以及先后顺序等做探究和调试，确保我们的照明控制系统可以稳定地工作。

（3）在计算比较控制电路中，在将设定的初始照度值和通过感光探头计算出的照度值做比较后，怎样设计合理的多个LED灯的PWM控制信号也是这个项目的难点之一。

为了得到比较理想的LED驱动信号，我们需要在大量测量不同的初始照度设定下的环境照度的基础上，分析各种引起照度偏差的因素，进而反复调试程序语言和修改电路，从而得到比较稳定、高效的环境照度自适应的ＬＥＤ照明控制系统。

项目实施计划

1.目前进展：

在申请曦园项目之前，我们已经做了如下的工作：

Ø

进行了大量文献的查阅，并进行相应的归纳整理

与指导老师进行多次交流讨论，在可行性和创新性方面进行了改善

构建了LED自适应调光系统的设计框图

进行了部分主要元器件的初筛，例如：

控制电路采用ATMEL公司的8位单片机Atmega64，感光电路采用TAOS公司的了感光芯片：

TSL2561

了解实验室仪器仪器情况，例如：

烧录器、软件等

项目相关的专业知识准备

2.实施计划：

第一阶段（申请提交┄五月中旬）：

开始更深入一轮的文献查找，分析已有电路的优势与不足

第二阶段（五月下旬┄六月中旬）：

着手进行系统的设计，这一阶段主要针对外围LED的驱动

第三阶段（六月下旬┄七月中旬）：

针对控制电路进行设计并进行初步的变成设计

第三阶段（七月下旬┄八月下旬）：

进行控制器的最终编制及烧录工作

第四阶段（九月上旬┄九月下旬）：

系统各部分的组装

第五阶段（十月上旬┄十月下旬）：

在实际环境（如教室）中进行系统实测，获得系统的性能参数。

并进行中期报告和上年度课题结题报告

第六阶段（十月下旬┄十二月上旬）：

根据系统实测的情况，按照实施计划中阶段计划进行完善。

并进行中期报告的修改，12月中会第二次提交中期报告。

第七阶段（12月中旬┄结题）：

总结归纳整个研究过程，完成结题报告

参考文献：

[1]周伟.EIB智能照明控制系统在地铁中的应用[J].现代城市轨道交通,ModernUrbanTransit,编辑部邮箱2011年01期

[2]庄孝鸿.办公楼应用智能照明控制系统——青海盐湖集团研发中心智能照明控制系统设计[J].建设科技,ConstructionScienceandTechnology,编辑部邮箱2011年04期

[3]华燕.松下全二线FULL-2WAY智能照明控制系统简介及应用[J].工程建设与设计,Construction&

DesignforProject,编辑部邮箱2010年01期

[4]AnovellightingcontrolsystemintegratinghighdynamicrangeimagingandDALI

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Mistrick,RichardG.2Source:

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[5]DesignofintelligentresidentiallightingcontrolsystembasedonZigBeewirelesssensornetworkandfuzzycontroller

Wang,Yaning（SchoolofElectricalandElectronicEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding,China）;

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[6]Designofaremotelightingcontrolsystemusingtimedivisionmultiplextransmission

Jung,Sung-Jae1;

Yun,Sung-Yong1;

Kim,Il-Hwan2Source:

InternationalJournalofAppliedElectromagneticsandMechanics,v18,n1-3,p127-137,2003;

ISSN:

13835416;

Publisher:

IOSPress

[7]Researchanddesignofintelligentlightingcontrolsystembasedonindustrialwirelesstechnology

Wang,Jun（ShenyangUniversityofChemicalTechnology,China）;

Chen,WeiruSource:

KeyEngineeringMaterials,v467-469,p620-624,2011,Materials,MechatronicsandAutomation

[8]姜连祥，汪晓燕．基于光强传感器TSL256x的感测系统设计[J]．单片机与嵌入式系统应用,2006（12）：

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[9]刘木清，周小丽，等.照明自动控制技术[M].北京：

机械工业出版社.2008

[10]周志敏，周纪海，纪爱华．LED驱动电路设计与应用[M].北京：

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[11]MicrochipTechnologyInc.PIC18F87J11系列数据手册[S].2007.2