图书馆智能照明控制系统设计.docx
《图书馆智能照明控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《图书馆智能照明控制系统设计.docx（42页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
图书馆智能照明控制系统设计
图书馆照明控制系统设计
摘要：
本文介绍了基于单片机AT89S51的图书馆照明控制系统及其原理，提出了有效的节能控制方法。
该系统采用了当今比较成熟的传感技术和单片机定时控制技术，利用多参数来实现对学校图书馆照明的控制。
系统设计包括硬件设计和软件设计两部分。
该照明控制系统的主控制器是以AT89S51单片机为基础，实现了通信、信号采集、控制等功能。
文中详细地描述了控制电路的设计过程，包括：
环境光照度信号取样电路、人体信号采集电路、继电器驱动电路以及信号处理电路等。
对于软件设计主要有主控制器的数据传输程序设计以及灯光控制、延时控制、A/D转换等程序设计。
工作时,光信号取样电路采集光照强弱、人体信号采集电路采集室内是否有人信息并将信号送到单片机,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,从而实现智能照明控制,以达到节能的目的。
关键词：
智能控制；热释红外；传感器；单片机；定时控制
TheDesignofLightingControlSystemforthelibrary
Abstract:
ThisarticledescribesLibraryBasedonSingle-ChipMicrocomputerat89s51LightingControlSystemanditsprinciples,proposeseffectiveenergy-savingcontrolmethod.Thesystemusesthecurrentsensingtechnologyismorematureandtimingofsinglechipcomputercontroltechnology,usingmultipleparameterstoachievecontroloverlightingintheschoollibrary.
Systemdesignincludeshardwaredesignandsoftwaredesignoftwoparts.TheMasterOfLightingControlSystemisbasedontheat89s51singlechip,enablingcommunication,dataacquisition,control,andotherfunctions.Thetextofthecontrolcircuitaredescribedindetailinthedesignprocess,including:
ambientlightsignalsamplingcircuit,thebody'ssignalacquisitioncircuit,therelaydrivercircuitandsignalprocessingcircuit,andsoon.SoftwareDesignfordatatransferprogram,aswellasthemaincontrollerlightingcontrol,Timercontrol,a/dcontrolprogramdesign.
Work,theopticalsignalSamplingCircuitcapturelight,strongorweak,humanacquisitionofsignalacquisitionCircuitIndoorIfanyone,whetherworkingfortheinformationandsendasignaltotheSCM,single-chipMicrocomputerBasedonthisinformationbycontrollingcircuitforlightingswitches,enablingIntelligentLightingControl,toachieveenergy-savingpurposes.
Keywords:
IntelligentControl;Outside;Sensors;SCM;TimingControl
引言
随着国民经济的快速发展和社会进步，教育在全社会越来越被关注和重视，校园规模也随着受教育者的数量增加而不断扩大。
但由于学校开放型的管理模式，高校的教室在白天室内照度很高的情况下，仍然普遍存在开灯作业；即使室内无人或人数很少的情况下，也是全部开启室内照明，绝不会有师生因为只有少数人而仅开几盏灯。
长明灯比比皆是，人走不熄灯的现象到处存在。
这种有形和无形的浪费，给校方的水电支出带来了沉重的负担。
学校的水电支出约占全校经费支出的1／4-1／5，电费支出占据较重比例。
能源短缺是21世纪国际面临的新课题。
在寻找新的能源之外，节约能源，提高效益也就成为了我们研究的课题。
所以学校如何来节省电力能源也成为了一个迫切需要解决的问题。
从节约资源、对社会贡献、节省高校经费支出和学生的健康等多方面考虑，高校教室照明的节电问题不得不提到重要的议事日程上来。
智能控制技术发展方向主要有基于人工智能技术的智能控制方向、智能控制的模糊控制方向和智能控制的人工神经网络控制方向，在智能控制的人工神经网络控制方向上，基于人工神经网络和模糊逻辑有机结合的神经模糊技术，已成为近年来的一个热门课题。
“智能建筑”是综合计算机、信息通信等方面最先进的技术，使建筑物内的电力、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。
人工智能技术在建筑与照明中的应用趋势不断扩大。
正如英国的Glasgow市报指出：
Glasgow正在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。
在智能建筑中的智能照明、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。
此外计算机在照明设计和测试方面也得到广泛应用。
澳大利亚邦奇开发的Dynalie智能照明控制系统，美国的智能照明建筑，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。
智能照明控制系统是指用计算机技术并辅助以其它手段，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它使用费用。
智能照明控制系统于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。
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的信号，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。
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，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。
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。
但是，国内外智能照明系统的研究存在着如下问题：
（1）现有国外智能照明系统主要控制照度这个数量指标，国外的研究主要集中于办公室照明，以节能为主要目的，但据照明科技最新研究成果表明，非定量指标（如舒适性和艺术性等）对室内照明光环境质量影响更大。
（2）国内一些智能照明控制系统能够实现集中控制和集中显示，具有一定的智能性，但其只能控制房间中的一个灯或一组灯的开、关，不能实现场景控制，也不能对灯光的亮度进行调节，不能产生多种照明效果。
（3）针对住宅照明光环境研制的智能照明控制系统产品很少，还有很大的开发前景。
目前常用的节电方式为手工控制，声控型，太阳能灯等。
手工方式操作起来不灵活，费时费力。
声控型往往判断不准确，不需要的时候也也会经常亮。
太阳能设备投资比较大，且容易受光照强度的影响。
因此市场上迫切需要一种操作方便、价格低廉、便于大面积推广的新型节能方案。
图书馆是学校师生学习的主要场所，这就决定学校图书馆的场地面积比较大，灯光控制比较复杂，如果单单依靠手动，不仅大大浪费了人力还会造成极大的浪费，于是开发出一种智能的照明系统便具有现实的意义，首先图书馆可以起到一个很好的示范效应，其次图书馆作为科研的重要阵地，也起到实验的作用，通过不断的实验改进，进而开发出一种适合大面积推广的系统，实现有规模的节能的目的。
第一章图书馆照明控制系统的提出及控制方案的分析
1.1图书馆照明控制系统的提出
学校图书馆的阅览室、自习室以及书库等地是出入人数较多的地方。
因此，这些地方的灯光照明几乎是从上班开始直到下班为止，不管这些地方是否有人，也不管有多少人，当日照满足照明度要求时，把灯熄灭，一旦自然光照度难以满足人的需要时，不能及时打开灯光，给人的视力带来损害。
显然这种照明方式，从照明的角度上来说是非节能的；从人的角度来看，根本不能满足人的基本的照明要求。
科技以人为本，从人的需求出发：
即在有人活动的地方必须有足够的照度（不论是日光照明还是人工照明）；没有人的区域，应该熄灭灯光，以节约能源。
图书馆照明控制系统可实现有效的室内灯光智能控制。
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室内灯进行智能控制可以实现上述目标。
1.2图书馆照明控制系统方案的分析
1.2.1图书馆照度标准
图书馆照度标准根据我国《民用建筑照明设计标准》（GBJ133-90）的设计要求，针对图书馆各类阅览室、研究室、视听室、休息室、走廊、楼梯等场所的照度制定了不同的标准要求，作为照明设计的数据参照。
1.2.2阅览室的照度要求
图书馆一般阅览室、少年儿童阅览室的照度水平应该设置在150Lx（低），200Lx（中），300Lx（高）；如果是属于老年读者阅览室，其照度标准应该适当提高到200Lx（低），300Lx（中），500Lx（高）。
如表1.1所示。
表1.1阅览室照度标准
房间名称
参考平面及其高度
照度标准值（Lx）
一般阅览室，少年儿童阅览室
0.75m水平面
150-200-300
老年读者阅读室
0.75m水平面
200-300-500
1.2.3书库的照度要求
图书馆书库的照度应设置为150Lx（低）,200Lx（中）,300Lx（高），距地面0.25m处书架上的垂直照度应设置为30Lx（低）,50Lx（中）,75Lx（高）为宜。
见表1.2所示。
表1.2书库照度标准
房间名称
参考平面及其高度
照度标准值（Lx）
书库
地面
150-200-300
书库
0.25m水平面
30-50-75
1.2.4其他地方照度要求
图书馆休息室、陈列室、视听室及一些公共场所的照度标准见表1.3所示。
表1.3图书馆照度标准
类型
参考平面及其高度
标准照度值（Lx）
低
中
高
研究室，美工室
0.75m水平面
150
200
300
陈列室，阅览室
0.75m水平面
75
100
150
出纳厅
0.75m水平面
75
100
150
休息室
0.75m水平面
30
50
75
电梯间
0.75m水平面
50
75
100
走廊
地面
15
20
30
楼梯间
地面
20
30
50
盥洗间
0.75m水平面
30
50
75
1.3图书馆照明设计的基本方法
图书馆的照明设计包括了灯具类型的选择、灯具安装高度的确定、工作面的照明方式等内容，不同的参数选择直接影响到照明效果的优劣。
同时，需要根据既定的设计方案计算照度负荷，了解电能的消耗情况。
1.3.1灯具的选择
常用的灯具有以下几种方式的分类:
（1）按安装方式分类:
一般可分为嵌顶灯、吸顶灯、吊灯、壁灯、活动灯具、建筑照明等六种。
（2）按光源类型分类:
可分为白炽灯（紧凑型荧光灯归为这一类）、荧光灯、高压气体放电灯、低压卤钨灯等。
（3）按使用场所分类:
可分为民用灯、建筑灯、工矿灯、车用灯、船用灯、舞台灯等。
（4）按配光曲线的形状分类:
国际照明委员CIE，根据灯具向下和向上投射光通量的百分比，将灯具分为以下五种类型:
①直接照明型:
灯具向下投射的光通量占总光通量的90%-100%，上射光通量为0%-10%。
②半直接照明型:
灯具向下投射的光通量占总光通量的60%-90%，向上投射的光通量只有10%-40%。
③均匀漫射型:
灯具向下投射的光通量与向上投射的光通量差不多相等，各为40％－60%之间。
④半间接照明型:
灯具向上投射的光通量占总光通量的60%—90%，向下投射的光通量只有10%-40%。
⑤间接照明型:
灯具向上投射的光通量占总通量的90%-100%，而向下投射的光通量极少仅为0%-100%。
（5）按灯具的结构特点分类:
①开启型:
其光源与外界空间相通，如一般的配照灯、广照型灯和深照型灯等。
②闭合型:
其光源被透明灯罩包含，但内外空气仍能流通，如圆球灯、双罩型灯和吸顶灯等。
③密闭型:
其光源被透明灯罩密封，内外空气不能对流，防潮灯、防水防尘灯等。
④增安型:
其光源被高强度透明灯罩密封，且灯具能承受足够的压力，能安全地使用在有爆炸危险介质的场所。
⑤隔爆型:
其光源被高强度透明灯罩封闭，当气体在灯罩内部爆炸时，高温气体经过隔爆间隙被充分冷却，从而不致引起外部爆炸性气体爆炸。
因此隔爆灯具也能安全地使用在有爆炸危险介质的场所。
对于图书馆的阅览室一般可选用开启型或闭合型的各种吊灯或吸顶灯；门厅、走廊等处一般选用闭合型的各种吊灯或吸顶灯。
1.3.2灯具安装位置的确定
一般，图书馆照明灯具的安装位置可以根据照明区域的不同需求确定，通常阅览室的灯具可以采用以下三种布置方案:
（1）均匀布置
灯具在整个房间内均匀分布，灯具的分布位置与需要照明的具体位置无关，如图1.1所示。
图1.1灯具的均匀布置
（2）分区布置
这种灯具的布置与需要照明的具体位置有关。
根据阅览区域和非阅览区域的照明要求不同，力求使阅览区域内能获得最有利的光照，如图1.2所示。
图1.2灯具的分区布置
（3）混合照明的灯具布置
混合照明方式是利用两种不同的光源对照明区域进行加强（如图1.3所示），不仅可以满足照明强度的需要，并且可以消除阴影。
为了使工作面上获得较均匀的照度，应使灯具距离与灯在工作面上的悬挂高度之比（称为“距高比”）不要超过各类灯具所规定的最大距高比。
图1.3混光照明的灯具布置
1.3.3灯具安装高度的确定
图书馆室内的灯具既不宜悬挂过高，也不宜悬挂过低。
悬挂过高，会使照度降低，不经济，维护检修也不方便；悬挂过低，容易被人碰撞，不安全，而且可能产生眩光，影响视力。
最高的悬挂高度与室空间比（RCR）以及配光的种类有关，其标准应不高于表1.4所列数据。
表1.4灯具安装高度要求
室空间比
配光种类
选用灯具的最大允许距离比L/H
1-3
宽配光
1.5-2.5
3-6
中配光
0.8-1.5
6-10
窄配光
0.5-1.0
室空间比RCR=5h（L+H）/（L.W）,其中，L表示房间长度，W为宽度。
1.4图书馆智能照明控制系统设计
1.4.1图书馆照明设计任务
根据以上的图书馆照明设计基本方法，以图书馆自习室的照明为设计基础，提出如下设计任务：
图书馆自习室是对照度要求较高的场所，需要营造舒适安静的气氛。
根据自习室的照度标准:
要求距离水平面0.75m处的工作面其照度达到150-200-300Lx的标准，对照明设计的要求如下:
（1）要求工作面的照度不低于300Lx；
（2）调研图书馆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）研究传感器在图书馆分布、安放问题，是否一灯一个传感器或多灯公用传感器等；
（5）研究确定热释电传感器的有关参数；
（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）研究与现有教室照明相兼容，易替代，不易被偷盗、被仿制，易于维护、维修等控制技术；
本课题拟通过试验研究图书馆照明的各种控制方案解决如下关键问题：
（1）照明回路的控制与控制器本身的节能问题；
（2）传感器与图书馆灯配合安装的问题；
（3）环境光参数输入采集问题；
（4）热释电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；
所设计的控制系统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，控制器自动打开照明设备，直到人离开后再延时一定时间后关灯。
同时，还要按作息时间来控制，夜晚超过21点，若还有人存在，则关闭自动控制器的运行，改用机械开关来手动控制，以解决因特殊情况下，自动控制器的人性化运行。
1.5系统控制模块的硬件设计方案论证
1.5.1图书馆照明设计方案-传统照明控制方式
传统照明为达到照明效果，照明为分级控制，房间内灯具一般是用跷板开关放于门口控制，对于面积较大的房间灯具较多时，采用双联、三联，四联开关或多个开关，也有采用照明配电箱放于门口，直接用配电箱内的断路器控制的，其原理接线图见图1.4。
图1.4面板开关控制原理图
对于上述面板开关控制，面板开关所控灯具数量有限，大开间房间灯具较多，由于控制点集中，带来的必然是控制不灵活，平面布线复杂，故障率高。
如果采用照明配电箱放于房间门口，直接用配电箱内的断路器控制灯具回路，存在以下两个问题：
（1）影响室内美观，照明配电箱体积较大时，还会影响图书馆房间的使用功能，如书架的排列等；
（2）有些区域会违反国家规范要求，如《图书馆建筑设计规范》》（JGJ38—99）要求，书库配电箱应放在书库外，对于书库来说，就不允许把照明配电箱放于房间口，直接用配电箱内的断路器控制灯具回路。
1.5.2图书馆照明设计方案-智能照明控制方式
传统照明控制方式主要以手动控制为主，依靠供电回路中的手动开关来控制回路的通断，实现灯具的开关控制。
这种传统方式相对简单、有效、直观，但它过多依赖手工操作。
整个系统相对分散，无法实现有效地管理，其适时性和自动化程度太低。
而针对现代学校图书馆的照明，对照明的要求不再是简单意义上的“能看见”。
所以，随着网络技术的发展，提出了智能的概念。
本系统所设计的智能照明控制系统是以单片机主控模块为核心，其它外围电路主要包括：
系统供电模块、硬件时钟模块、复位模块、环境光检测模块、人体存在检测模块，其结构框图如图1.5所示。
图1.5系统结构框图
（1）光照检测方式的选择
采用光敏二极管作为光传感器件，光敏二极管除了具有光敏电阻能将光信号转换成电信号的功能外，还有的优点是线性好，响应速度快，对宽范围波长的光具有较高的灵敏度，噪声低，小型轻量以及耐振动与冲击等；缺点是输出电流小。
（2）人体检测方式的选择
采用热释电红外传感器及其处理电路进行检测。
集成电路BISS0001是一款具有较高性能的传感器信号处理集成电路。
它能自动控制快速开启各类自动门、蜂鸣器、白炽灯和电风扇等装置，特别适用于自动灯光、照明以及报警系统。
采集电路主要由光照检测电路、热释电红外传感器及处理电路构成，可分别实现对光照强弱和室内有无人的信息的采集。
（3）继电器驱动控制电路
结合实际情况即设计的局限性，本设计用LED灯代表照明灯。
因此控制电路由LED灯、电磁继电器构成。
输出的控制信号可以控制LED灯的亮灭，电磁继电器的通电与断电，从而完成本设计的目的。
第二章图书馆照明控制系统模块分析
2.1AT89S51单片机的结构
AT89S51是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含4kb的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM）,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,功能强大的AT89S51单片机可提供许多较复杂系统控制应用场合。
图2.1AT89S51单片机外部结构图
AT89S51有40个引脚,32个外部双向输入/输出（I/O）端口,同时内含2个外中断口,3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,2个读写口线,AT89S51可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
2.1.1AT89S51主要引脚功能
（1）P0口
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口P0写“1”时,可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。
（2）P1口
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
（3）P2口
P2是一个带有内部上拉电阻的8位准双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。
Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。
（4）P3口
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。
P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，参见表2.1。
表2.1P3口第二功能
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
（外中断0）
P3.3
（外中断1）
P3.4
T0（定时/计数器0）
P3.5
T1（定时/计数器1）
P3.6
（外部数据存储器写选通）
P3.7
（外部数据存储器读选通）
（5）RST
当振荡器工作时，RST引脚出现
升级会员 