一种家用照明智能控制系统设计汇编.docx

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一种家用照明智能控制系统设计汇编

家用照明智能控制系统的设计

作者姓名：

专业名称：

自动化

指导老师：

王洋工程师

摘要

“智能”照明技术随着智能建筑的兴起而迅速发展，成为照明技术发展的又一个重要方向。

针对现有智能照明控制系统的优、缺点，根据人们的行为模式和住宅的光环境决定照明的控制规律，研制住宅智能照明控制系统对智能建筑的发展、提高人们的生活质量具有重要的意义。

论文简要阐述了人类的一般视觉特性，从照明的目的、住宅照度标准、照明方式的确定、光源的选择、灯具的选用等方面研究了住宅照明设计的常用方法。

并提出在进行任何的照明设计时，必须首先分析所进行活动需要的视觉信息，使得照明系统实现视觉需求的光环境，同时节约能源，实现绿色照明。

论文分析了现有常用的几种智能照明控制方式的控制原理，优、缺点，使用场合，以及在使用中应注意的事项；并提出小康住宅智能照明控制系统的系统功能，研究了该系统的软、硬件设计方法，采用AT89C51微处理器作为控制器，用汇编语言编程，并采取有效的抗干扰措施以确保其运行可靠性。

经过调试和试运行，该系统完全能够实现设计的系统功能。

住宅智能照明控制系统随着人们生活水平的提高将会有广阔的应用前景。

关键词：

节能单片机照明控制智能控制

Abstract

“Intelligent”lightingtechniquehasdevelopedrapidly,andhasbecomeoneimportantdevelopmentdirectionoflightingtechniqueasintelligentarchitecturerises.Aimingattheadvantagesanddisadvantagesofexistinglightingcontrolsystems,itisveryessentialtodeveloparesidencelightingsmartcontrolsystemforintelligentarchitecture’sdevelopmentandpeople’slifequalityimprovementaccordingtothecontrollawdeterminedbypeople’sbehaviorpatternandresidenceluminousenvironment.

Thepaperexpatiatescommonhumanvisualcharacteristicsbriefly,investigatescommonmethodsofeasyhomelightingdesignfromtheobjectiveoflighting、residenceilluminationstandard、thechoiceoflightsourcesthechoiceofluminairesetcaspects.Whenapproachinganylightingdesign,theneedsofvisualinformationoftheactivitiesthatwilltakeplaceshouldbeanalyzedfirstsoastolightingsystemcanprovideavisualneededluminousenvironmentsimultaneouslysavingenergytorealizegreenlighting.

Thepaperanalysesthecontrolprincipleofgeneralseveralintelligentlightingcontrolmethods,analysestheiradvantagesdisadvantages,applications,andtheproceedingsshouldbepaidattentiontointheapplications;andbringsforwardtothesystemfunctionofeasyhomelightingintelligentcontrolsystem,studiesdesignwaysofitssoftwareandhardware.ThesystemusesAT89C51micro-controller,programswithassemblerlanguage,useseffectiveanti-jammingmeasurestoensureitoperatesreliably.Throughdebuggingandtestrunning,thesystemcanrealizesystemfunctiondesignedcompletely.

Asthepeople’slivinglevelrises,thehomelightingintelligentcontrolsystemwillhaveawidelyapplicationfuture.

Keywords：

energy-saving,SCM,illuminationcontrol,intelligent

1绪论

1.1智能控制技术的研究概况

智能控制是常规控制的一个延伸和发展，在过去几十年中，常规控制特别是基于状态空间方法的现代理论，在理论上取得了辉煌的进展，并且已经在航空控制等领域得到了成功的应用。

但是，由于严重依赖于控制对对象模拟型的精确性，使得现代控制理论在处理难以建立精确数学模型的一些复杂工业过程和系统时，显示出了严重的不适应性和局限性。

为了解决这类实际控制问题，一方面需要不断地完善现代控制理论，推动鲁棒控制、变结构控制和自适应控制等理论和方法的研究，另一方面需要开辟新的控制思想和控制途径，促使智能控制作为控制领域的一个新的分支不断发展。

现在，随着智能控制在众多工程领域里的成功应用，它已经成为控制理论和技术领域中最富于魅力和最具有应用性的分支之一，受到了控制工程师们的广泛关注。

1.2国内外智能照明发展概况

“智能建筑”是综合计算机、信息通信等方面最先进的技术，使建筑内的电力、空调、照明、防灾、防盗、运输设备等，实现建筑物综合管理自动化、远程通信和办公自动化的有效运作，并使这三种功能结合起来的建筑。

随着智能建筑，特别是智能办公大厦的出现，使建筑要求与设计方法跟传统的办公楼比，大为不同。

照明作为建筑不可缺少的部分，随着国际上“智能建筑”的大量出现，与之配套的智能照明技术也迅速地发展，并成为二十一世纪照明技术发展的一个重要方向。

预计21世纪，人工智能技术在建筑与照明中的应用趋势将会进一步扩大。

正如英国的Glasgow市报指出：

“Glasgow正成为一个研究和发展太空时代智能建筑的国际组织的神经中枢。

在智能建筑的智能照明、供热、空调、通讯及办公设备将全部由电子计算机进行控制与管理。

”

面对这一发展趋势，开发了不少智能照明设计，如智能灯具、智能照明控制与管理系统，包括在照明方面的计算机硬件和软件。

此外计算机子照明设计和测试方面也得到广泛的应用。

澳大利亚邦奇开发的Dynalie智能照明控制系统，日本的智能照明建筑，特别是现代化办公室的智能照明技术等都值得我们研究与借鉴。

1.2.1智能照明控制系统的优点

智能照明控制系统是指用计算机技术并辅助以其他手段，对电力照明实行自动控制，提供合适照明光环境的同时降低照明系统电能消耗和其他使用费用。

智能照明控制系统与手动照明控制系统相比有很多优点，包括创造环境气氛，改善工作环境、提高工作效率，良好的节能效果，延长光源寿命，管理维护方便等。

1.2.2智能照明控制系统的组成

智能照明控制系统主要由输入装置、处理器和执行器三个部分组成。

输入装置可以不断检测周围环境的照度水平，可以探测到某个区域是否有人移动，以及输入人们的控制指令，并把相应的信号传送给处理器。

输入装置包括传感器、定时装置和控制面板或遥控器。

处理器接受输入装置信号，经过信息处理，判断、分析，输出控制信号。

执行器与灯具直接连接，控制灯光回路的闭合或断开和调节灯光到相应的水平，包括手动开关。

1.2.3现有智能照明控制系统的分析

澳大利亚邦奇开发的Dynalite分布式智能照明控制系统的特点是模块化结构和分布式控制，通常可以由调光模块、场景切换控制面板、液晶显示触摸屏、智能探头、编程插口、时钟管理器、手持式编程器和PC监控器等部件组成，将上述各种部件具备独立功能的模块用一条双绞数据通信总线（BR485）将它们连接起来组成一个Dynet控制网络。

Dynalite分布式智能照明控制系统将控制功能分散给系统中每一个模块（如：

调光模块、场景切换控制面板、智能探头），各功能模块之间通过网络总线直接相互通信，当系统中某个模块出现故障时不会影响其它模块，可靠性高。

澳大利亚奇胜场景照明控制系统，可以对同一个场所中最多18个灯区（照明回路）供电和调节亮度。

用户可以调节和预设每个灯区的亮度以适应最多5种场景，只需按一下按键就可以为你的活动选择满意的照明环境。

美国LC&D智能照明控制系统是一套由计算机微处理器控制的低压继电器配电盘组成，按照客户对室内外照明的具体要求，设定照明控制的时间、区域、方法来控制每一个独立的回路，也有手动开关直接控制。

国内外生产的真善美智能照明系统具有集中控制、多点操作、集中显示、停电自锁、免打扰、遥控功能等智能功能，使家居生活更加方便和舒适。

1.3本文研究的主要内容

第1章介绍了智能控制技术的发展概况、智能照明发展概况、研究意义、主要研究内容。

第2章研究了系统总体方案设计及硬件选型，并分析它们的控制原理，优、缺点、使用的场合，以及在使用中的注意事项。

第3章主要探讨了系统内的工作原理及其电路，分析其工作状态。

第4章主程序的设计及相关程序的编写，还有相关程序流程图的制作过程。

第6章则为小结，总结论文与展望其论文的发展。

1.4小结

本章首先简要阐述了智能控制控制技术的研究概况和国内外智能照明发展概况，就课题来源作了必要说明，最后对本文主要研究内容作了简要概括。

2系统的总体设计方案及硬件选型

在过去的20年，计算机深刻地影响着人类生活大多数领域的发展。

建筑物也不例外，尤其是智能建筑，处处体现着使用计算机所带来的先进性、舒适性、节能性。

智能微处理器的使用，结合现代自动控制技术，使得建筑设备具有自动运行控制、故障诊断、自适应等功能。

智能照明控制器的使用提供了更大的灵活性，可以对灯光进行更有效的管理。

它们使得创造一个美学意义上令人愉悦的光学环境成为可能，同时又节省能源[2]。

2.1系统的总体设计方案

系统的结构主要由四部分组成：

（1）单片机控制系统

（2）信号采集处理系统（3）LCD显示系统（4）电灯电源驱动系统，达到控制照明灯具的目的。

其结构图如下：

外接的传感器（人体释热红外线传感器和光敏三极管）将信号传送给单片机后，由单片机控制灯的开关和显示系统。

系统在单片机下通过时钟定时控制、手动遥控控制、无线电源控制、区域场景控制、照度检测控制、活动区域探测、照明与窗帘的联动控制，从而实现家用照明系统的智能控制。

2.1.1定时控制

定时控制是一种常用的控制方式，分为计时器和实时时钟两种。

计时器由手动操作，一旦被驱动，打开灯光并保持一段时间，时间的长短是预设的。

计数时间到就关闭灯光，如要打开灯光需重新驱动定时器。

一般的计时器可定时5分钟到两个小时。

人离开后可自动关闭灯光，可节约能源，但如人停留的时间超过定时时间，需再次驱动，可能会造成灯光频繁的开关。

计时器大多用在人只作短暂停留的场合或者正常工作时间以外偶尔有人逗留的区域。

实时时钟控制是根据预先的时间设定来进行控制，根据时间打开、关闭灯光或调节灯光到某一设定的水平。

有机械实时时钟和电子可编程实时时钟两类。

机械实时时钟简单易用，价格相对便宜，但只可设定一个时间。

电子可编程实时时钟则可设定很多不同的灯光区域和时间。

采用实时时钟管理灯光方便，可节约能源，但较为刻板，有时需设手动开关。

2.1.2手动遥控器控制

通过遥控器，实现在正常状态下对各区域内用于正常工作状态的照明灯具的手动控制和区域场景控制。

1）红外遥控开关，由红外编码发射及红外接收译码控制两部分组成。

电路有一对红外发射及接收头、编码及译码专用集成电路和控制电路三部分。

当按下遥控键后，编码器工作，TX选出串行编码信号通过红外发射头发出红外信号，经目标反射后，经红外接收头接收，送入译码器输入端。

当译码与编码一致时，译码器输出端输出相应的高低电平信号去驱动控制电路工作，产生使光源开关的开或闭的动作。

2）无线电远控开关

由无线电编码发射部分及无线电接收译码控制两部分组成。

电路有振荡发射电路、接收电路、编码及译码专用集成电路和控制电路四部分。

当按下遥控键后，编码器工作，TX送出串行编码信号控制振荡电路工作，产生调制射频信号，由天线辐射出去。

信号经目标反射后，经接收电路接收，送入译码器输入端。

当译码与编码一致时，译码器输出端输出相应的高低电平信号去驱动控制电路工作，产生使光源开关的开或闭的动作。

无线遥控开关能够全方向探测，不受墙壁、门窗等障碍物的影响，有效控制半径30m，其灵敏度受发射及接收电路的影响。

就目前现有技术而言，遥控开关大多采用可控硅或继电器作为开关器件。

可控硅的抗干扰和抗过载能力很差，不适宜控制感性和容性负载，可靠性差，长时间工作容易损坏。

而继电器工作时线圈有一定功耗，易发热不适宜长时间工作，继电器的触点也不能长期工作在过载状态。

同时这些采用可控硅或继电器的电子开关，一旦出现故障将使受控电器不再受控，电器处于长期通电或断电状态很不安全。

安全性、可靠性、稳定性这些问题成为各种电子化开关成为各厂家努力寻找解决的目标。

大约80%的家庭拥有三个以上遥控器，过多的遥控器使人产生不方便感，而多种功能合一的遥控开关集多种遥控功能于一身。

首先它是无线遥控开关，可以控制家中的照明，窗帘，空调等系统；同时它也是红外遥控开关，内置了许多品牌的电视，音响，VCD等红外控制指令集。

还可以学习两种红外线遥控器的控制功能，用于起居室或高级家庭影院。

将计算机、电话、视听设备、安全监控设备、厨房设备、电灯、窗帘等受控设备的红外遥控码进行学习和对所有设备模拟控制，然后集中在一个无线液晶屏上，通过液晶屏上的中文菜单选择点击，只要拿着这只全能摇控器，可以遥控家里的任何一个角落的设备。

2.1.3照度检测控制

为了充分利用日光，节约能源，通过照度检测器检测窗户外边的自然光照度，根据日光系数计算出室内某一点的水平照度，由计算得出的水平照度开启相应的灯光并调节到相应的亮度，使该区域内的照度不会随日照等外界因素的变化而改变，始终维持在照度预设值左右。

这种控制方式主要使用在办公室照明场合，因为办公时间主要在白天，天空亮度很高，近窗处的日光照度就可能符合视觉作业的要求。

这种照度平衡型昼间人工照明的控制方式有利于节约电能，能够保证该区域内的照度均匀一致。

Rubinstein[7]等研究表明，在旧金山的电气公司大楼使用光电控制系统，在有日光照明的区域中照明电消耗减少了25～35%。

但是利用昼间照明存在两个方面的问题：

1）建筑设计者需要确定一年中哪些时期日光在室内产生的照度超过日常工作所需的照度；2）工程师安装由日光控制的人工照明系统时需要有一个准确的控制参数以保证有一个舒适的视觉环境。

照明工程师需要每时每刻的局部室内日光水平，建筑设计师需要知道工作时间内局部日光水平的利用率。

至今没有一个天空亮度模式预测室内照度的精确度在20%以内，为了达到这个目标，对天空亮度模式的研究现在和将来都仍然是最基本的[4]。

2.1.4活动区域探测

活动区域探测器安装在房间中，它能检测出某个房间或区域内是否有人走动，并把这个信息反馈到控制器，从而控制相应灯光的打开或熄灭。

控制器可以计算出探测到没有人走动的时间。

每次探测到有人走动，计算重新开始。

一旦探测到有一段时间没有人走动，房间或区域内的灯光将关闭或调暗到节约能源的水平。

如果更长一段时间没有人走动，灯光将完全关闭。

使用活动区域探测器可以节约能源，但必须注意探测器的安装位置，如果安装不当，探测到窗帘或空调风扇的运动信号也会触发探测器，造成不当的开灯、关灯。

活动区域探测器有红外线、紫外线、微波和声音等活动区域探测器，它们常用于图书馆书库、仓库、办公室、会议室、储藏室和盥洗室等处。

住宅的门厅前设置活动区域探测器，主人深夜归来可自动打开门厅灯光，待主人进屋后自动关闭。

2.1.5照明与窗帘的联动控制

电动窗帘控制系统是整个居室照明系统的一个重要功能部分，它把家中的窗帘系统纳入整个智能照明中。

电动窗帘控制系统的核心就是窗帘电机控制器，通过它，就可以用系统中的某些控制手段对窗帘进行控制。

窗帘的开闭可由光线探测器来控制，白天当它感测到足够的亮度，可以自动打开窗帘；当夜幕降临，又可以将窗帘自动关闭。

除此之外，还可以根据喜好自行设计窗帘开关程序，比如开1/2、关1/2；打开1/3位置等。

由于季节不同，同一时间的日光水平不同，控制窗帘开闭的亮度在不同的季节应设置在不同的水平。

窗帘的联动控制可用于智能化小区、居民住宅、写字楼、别墅、宾馆、医院、体育馆、教学楼、实验室、科研场所等处。

2.2系统的硬件选型

2.2.1控制器的选择

电子技术和微型计算机的迅速发展，促进微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用，单片机（单片微型计算机）的应用已经渗透到国民经济的各个部门和领域，它起到了越来越重要的作用。

单片微型计算机就是将中央处理单元、存储器、定时/计数器和多种接口都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。

因此一块芯片就构成了一台计算机。

它已成为工业控制领域、智能仪器仪表、尖端武器、日常生活中最广泛使用的计算机。

单片机由硬件系统与软件系统组成。

硬件系统是指构成微机系统的实体与装置，通常由运算器、控制器、存储器、输入接口电路和输入设备、输出接口电路和输出设备等组成[1]。

其中运算器和控制器一般做在一个集成芯片上，统称中央处理单元（CentralProcessingUnit）[2]，简称CPU，是微机的核心部件。

CPU配上存放程序和数据的存储器[2]、输入/输出（Input/Output，简称I/O）[2]接口电路以及外部设备即构成单片机的硬件系统。

软件系统是微机系统所使用的各种程序的总称，人们通过它对微机进行控制并与微机系统进行信息交换，使微机按照人的意图完成预定的任务。

软件系统与硬件系统共同构成完整的单片微型计算机系统，两者相辅相成，缺一不可。

2.2.2显示器件的选择

1602采用标准的16脚接口，其中:

第1脚：

VSS为低电源

第2脚：

VDD接5V正电源

第3脚：

V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：

RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。

第6脚：

E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据线。

第15～16脚：

空脚

1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”[6]。

它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。

（说明：

1为高电平、0为低电平）

指令1：

清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置

指令2：

光标复位，光标返回到地址00H

指令3：

光标和显示模式设置I/D：

光标移动方向，高电平右移，低电平左移S:

屏幕上所有文字是否左移或者右移。

高电平表示有效，低电平则无效

指令4：

显示开关控制。

D：

控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C：

控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B：

控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁

指令5：

光标或显示移位S/C：

高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标

指令6：

功能设置命令DL：

高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N：

低电平时为单行显示，高电平时双行显示F:

低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符

指令7：

字符发生器RAM地址设置

指令8：

DDRAM地址设置

指令9：

读忙信号和光标地址BF：

为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。

指令10：

写数据

指令11：

读数据

DM-162液晶显示模块可以和单片机AT89C51直接接口，电路如图2.2所示。

液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。

要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符1602的内部显示地址[6]。

比如第二行第一个字符的地址是40H，那么是否直接写入40H就可以将光标定位在第二行第一个字符的位置呢？

这样不行，因为写入显示地址时要求最高位D7恒定为高电平1所以实际写入的数据应该是：

01000000B（40H）+10000000B（80H）=11000000B（C0H）。

以下是在液晶模块的第二行第一个字符的位置显示字母“A”的程序：

ORG0000H

RSEQUP3.7；确定具体硬件的连接方式

图2.2DM-1629（及162）与AT89C51的连接图

RWEQUP3.6；确定具体硬件的连接方式

EEQUP3.5；确定具体硬件的连接方式

MOVP1，#00000001B；清屏并光标复位

ACALLENABLE；调用写入命令子程序

MOVP1，#00111000B；设置显示模式：

8位2行5x7点阵

ACALLENABLE；调用写入命令子程序

MOVP1，#00001111B；显示器开、光标开、光标允许闪烁

ACALLENABLE；调用写入命令子程序

MOVP1，#00000110B；文字不动，光标自动右移

ACALLENABLE；调用写入命令子程序

MOVP1，#0C0H；写入显示起始地址（第二行第一个位置）

ACALLENABLE；调用写入命令子程序

MOVP1，＃01000001B字母A的代码

SETBRS；RS=1

CLRRW；RW=0;准备写入数据

CLRE；E=0;执行显示命令

ACALLDELAY；判断液晶模块是否忙?

SETBE；E=1；显示完成,程序停车

AJMP$

ENABLE：

CLRRS；写入控制命令的子程序

CLRRW

CLRE