图书馆智能照明控制系统毕业设计要点.docx
《图书馆智能照明控制系统毕业设计要点.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毕业设计要点.docx（44页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
图书馆智能照明控制系统毕业设计要点
1绪论
1.1课题研究的意义
随着经济建设的日益发展和社会物质文化水平的不断提高，人们开始追求灯光艺术带来的美的享受，注重照明和其他相关设备、系统的整体控制效果。
照明控制系统的安装便捷性、可靠性和经济性已经成为关注的热点。
智能大厦内需大量的灯光照明设备，传统的控制方法是将被控制的设备用连线引入控制室，这样不仅造成电力电缆铺设过多，增加了投资成本，而且还大大增加了灯回路的辐射干扰，对空间电磁环境造成了污染。
智能照明控制系统为智能办公大厦的照明提供了新途径。
随着微机控制技术的发展，出现了微机型灯光控制系统。
它采用网络控制技术，使得照明灯的电力线路可以不再经过控制室，而直接引入顶棚或马道。
这种控制方法不仅可以方便地控制灯光的亮度，还减少了电力线路及相应设施投资，减少了灯回路的辐射干扰，而且可以使灯回路采用母线方式布线，线路规整，便于安装维修。
但在目前使用的微机型灯光控制系统中，由于网络通信大多采用RS-232、RS-485、20mA电流环等通信方式，因而普遍存在通信距离短、数据传输速度慢、误码率高、可靠性差等问题。
在微机灯光控制系统中引入开放系统互联的通信网络——现场总线可解决上述问题。
本文介绍的基于CAN总线的微机灯光控制系统就是采用现场总线控制技术，构成全分散式微机灯光控制系统，有效地解决了微机型灯光控制系统的不足。
CAN总线所需的完善的通信协议可由CAN控制器芯片和接口芯片实现，大大降低了系统的开发难度、组成成本，缩短了开发周期。
这些是目前CAN总线应用于众多领域、具有强劲的市场竞争力的原因，也是在灯光控制系统中选用CAN网络总线的理由所在。
该系统投资少、功能强、可靠性高、便于扩展，特别适合大型的智能办公大厦对灯光设备的控制需要[1]。
1.2图书馆照明的发展及现状
智能照明控制技术的应用可以追溯到20世纪90年代，当时出现的智能照明控制系统均基于现场总线技术，使照明控制延伸到末端设备。
目前，封闭协议有C-Bus和Dynet;开放协议有EIB、DALI、电力线载波和家庭网络[4]。
90年代智能照明进入中国市场，然而由于市场的消费意识，市场环境、产品价格、推广力度等各方面的原因，传统的照明理念与国外存在较大差别，厂家的产品制造技术以及产品经销商的经营模式和技术水平有限，一些主要的设备和技术都从国外引进，很难推动形成较大的消费市场，致使中国的智能照明行业没有稳定、广阔的渠道。
照明行业是80年代首先由美国兴起并得以迅速发展的。
90年代后期，由于现代计算机技术、自动控制技术、现代通信技术、现代信息处理技术在世界范围内的广泛应用，进入了信息时代并对各行各业都带来了巨大的影响，照明行业也随之发生了巨大的革新，提出了照明智能化的要求。
随着人们生活水平的提高，旧的照明设计理念己经不能适应新的需要：
不仅要求照明设计的参数应当达标，而且还提出了怎样才能在明亮、舒适并且具有艺术效果的环境中工作和生活的要求。
智能照明控制系统集多种照明控制方式、电子技术、通迅技术和网络技术于一体解决了传统方式控制相对分散和无法有效管理等问题，而且有许多传统方式无法达到的功能，比如场景设置以及与建筑物内其它智能系统的关联调节。
智能照明系统充分利用了室外的自然光，利用最少的能源保证了要求的照度水平，减少了由于人员不在却仍将灯全部点亮而造成的能源浪费，节电效果十分明显，一般可节约30%以上，使照明管理和设备维护变得更加简单，经济投入减少[2]。
传统照明方式是能量流和信息流合一，控制简单、有效、直观，但其一但布线完成后系统就不能再改动，此外要实现复杂的控制要求时，布线将大大增加，这使得系统的可靠性下降，一但出错线路的检查也相当费时、费力。
随着大量的商用办公楼和复式住宅的堆出，办公楼管理人员和用户需要对照明器具的实时工予以监视，而传统技术对此无能为力。
至于提供安全、舒适、便利的生活环境，实现灯具联动，根据环境自动调整或控制灯光亮度等，使用传统技术是无法想象的。
随着人们生活水平的提高，旧的照明设计理念己经不能适应新的需要：
不仅要求照明设计的参数应当达标，而且还提出了怎样才能在明亮、舒适并且具有艺术效果的环境中工作和生活的要求。
智能照明控制系统集多种照明控制方式、电子技术、通迅技术和网络技术于一体解决了传统方式控制相对分散和无法有效管理等问题，而且有许多传统方式无法达到的功能，比如场景设置以及与建筑物内其它智能系统的关联调节。
智能照明系统一般由传感器（如光线感应器、面板开关）、执行器（如调光电子镇流器）、
网络通信单元（路由器、中继器等）、以及辅助单元（如电源、导轨）等组成，遵循统一的网络协议，借助各种不同的“预设置”控制方式和控制元件，对不同时间不同环境的光亮进行精确设置和合理管理，此外智能照明系统中还可以对荧光灯控制，由于荧光灯采用了有源滤波技术的可调光电子镇流器，降低了谐波的含量，提高功率因数，降低无功损耗。
因此，在灯具制造工艺相同水平的情况下，在建筑物中采用智能照明系统不仅能操作简单，管理维护方便，还可满足工作、生活多样性需求，并且可以有效地达到节能的目的。
智能照明系统可以有效的抑制电网的浪涌电压，避免了过电压和欠电压对光源的损害，避免冲击电流对光源的损害，延长光源的使用寿命；可以实现通过场景切换实现灵活、方便的照明控制，各类参数的设置和变换非常方便，可以获得多种的照明效果；智能照明控制系统中对荧光灯等光源进行调光控制，采用有源滤波技术的可调光电子镇流器，降低了谐波的含量，提高了功率因数，降低了低压无功损耗；智能照明系统充分利用了室外的自然光，利用最少的能源保证了要求的照度水平，减少了由于人员不在却仍将灯全部点亮而造成的能源浪费，节电效果十分明显，一般可节约30%以上，使照明管理和设备维护变得更加简单，经济投入减少[3]。
1.3研究方案
该智能照明系统应用了俩种传感器，人体红外传感器和自然光线传感器，对现场的自然照明情况和人员情况，实现实时自动检测与控制的功能，从而实现节能降耗的目地。
具体功能如下：
1，系统设计人体红外检测电路，有进入探测范围时输出信号。
2,系统设计自然光检测电路，对照明现场的亮度进行自动检测。
虽在工作时间，但现场的亮度如果能够满足设定要求时，系统同样关闭照明设备。
3，设计按键电路，设定强制开关和强制关灯按键。
如果需要认为开灯或灭灯，可按相应键。
比如在教室内，晚上要演示幻灯片，现实条件是室内有人，自然照度不满足工作要求，按照系统的自动控制程序，是不会灭灯的，但我们确实需要灯灭，这时就可以按下强制关灯按键[4]。
2系统总体框图
在设计最初需要一个整体的思路来确定设计的框架。
首先根据设计任务来确定所需要的功能模块；然后按照一定的作用循序把各个功能模块连接起来。
本系统需要俩个传感器来分别检测人体红外信号和自然光强信号，需要按键电路来强制灯的开关，还需要指示电路来指示系统的工作状态，等等。
晶振电路
复位电路
人体红外检测电路
AT89C51单片机
LED指示电路
自然光检测电路
继电器执行电路
按键电路
照明电路
图2.1系统照明总体框图
如图2.1,为该照明系统总体框图，包括：
系统核心AT89C51单片机，输入为两个传感器电路即人体红外检测电路和自然光检测电路，强制开光的按键电路。
输出是LED指示电路以及继电器执行电路。
最后由继电器电路来控制照明电路的通断，从而实现照明的自动控制。
晶振电路和复位电路是单片机系统工作必不可少的。
晶振电路结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快。
复位电路实现单片机各单元值的初始化。
除此之外还需要电源电路把220V交流变成单片机及各功能电路的原件所需的电压。
有了上述的系统总体框图，就可以进行系统流流程图的设计。
如图1.2，流程经过初始化以后，先判断有无按键按下，如果有则执行相应按键处理程序。
如果没有，继续判断红外检测电路有无探测到有人，无人时，灭灯并返回继续判断有无按键按下。
如果探测到有人，就接着判断当前照度是否满足设定需求。
若照度满足要求，继续返回灭灯程序；若不满足，就给继电器一个动作信号，使其动作，从而开启照明电路[5]。
图2.2方案流程图
3系统硬件设计
3.1主机电路核心器件介绍
3.1.1AT89C51单片机性能介绍
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4KB闪烁可编程可擦除只读存储器（ROM）和128B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，同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持俩种软件可选的节点工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。
功能强大AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
如图3.1为AT89C51外形图
图3.1AT89C51外形图
AT89C51主要性能参数：
与MCS-51产品指令系统完全兼容
4K字节可重擦写Flash闪速存储器
1000次擦写周期
全静态操作：
0Hz-24MHz
128x8字节内部RAM
32个可编程I/O口线
2个16位定时/计数器
6个中断源
可编程串行UART通道
低功率空闲和掉电模式
AT89C51结构框图与引脚说明
图3.2AT89C51结构框图
引脚功能说明：
VCC：
供电电压
GND：
接地
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每个管脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚写“1”时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部电位必须被拉高[6]。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入“1”后，电位被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚电位被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
作为输入时，P2口的管脚电位被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉的优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL），也是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
P3.0 RXD（串行输入口）
P3.1 TXD（串行输出口）
P3.2 0INT（外部中断0）
P3.3 1INT（外部中断1）
P3.4 T0（记时器0外部输入）
P3.5 T1（记时器1外部输入）
P3.6 WR（外部数据存储器写选通）
P3.7 RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效[7]。
PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取址期间，每个机器周期PSEN两次有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。
EA/VPP：
当EA保持低电平时，访问外部ROM；注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，访问内部ROM。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
时钟振荡器
AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路如图3.3：
图3.3振荡电路
外接石英晶体及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。
对外接电容C1,C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高地，振荡器工作的稳定性，起振的难以程度及温度稳定性，如果使用石英晶体，则推荐电容使用30pF。
AT89C51的工作特点
空闲节电模式：
AT89C51有俩种可用软件编程的省点模式，他们是空闲模式和掉电工作模式。
这俩种方式是控制专用寄存器PCON（电源控制寄存器）中的PD和IDL位来实现的。
PD是掉电模式，当PD=1时，激活掉电工作模式，单片机模式，即PD和IOL同时为1，则先激活掉电模式。
在空闲工作模式状态，CPU保持睡眠状态而所有片内的外设保持激活状态，这中方式由软件产生。
此时，片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。
空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位中止。
中止空闲工作模式的方法有俩种，其一是任何一条被允许中断的事件被激活，ODL被硬件清除，即刻终止空闲工作模式。
程序会首先响应中断，进入中断服务程序，执行完中断服务程序并紧随RETI指令后，下一条要执行的指令就是使单片机进入空闲模式那条指令后面的一条指令。
其二是通过硬件复位也可将空闲工作模式终止。
需要注意的是，党有硬件复位来为了避免可能对端口产生意外写入，激活空闲模式的那条指令后一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。
在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。
退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容，在Vcc恢复到正常电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。
表3.1空闲和掉电模式外部引脚
模式
程序存储器
ALE
PSEN
P0
P1
P2
P3
空闲模式
内部
1
1
数据
数据
数据
数据
空闲模式
外部
1
1
浮空
数据
地址
数据
掉电模式
内部
0
0
数据
数据
数据
数据
掉电模式
外部
0
0
浮空
数据
数据
数据
Flash闪速存储器的编程
AT89C51单片机内部有4K字节的FPEROM,这个Flash存储阵列出厂是已处于擦除状态（即所有存储蛋用的内容均为FFH），用户随时可对其进行编程。
编程接口可接受高电压（+12V）或低电压（Vcc）的允许编程信号。
低电压编程模式适用于用户在线编程系统，而高电压编程模式可与通用EPROM编程器兼容[8]。
3.1.2AT89C51单片机最小系统
AT89C51是片内有ROM/FPEROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单、可靠。
用AT89C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图2-6AT89C51单片机最小系统所示。
由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。
其应用特点：
1、有可供用户使用的大量I/O口线。
2、内部存储器容量有限。
3、应用系统开发具有特殊性。
图3.4AT89C51单片机最小系统
1、时钟电路
AT89C51虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。
单片机的时钟产生方法有俩种。
内部时钟方式和外部时钟方式。
本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件、内部的振荡电路便产生自激振荡。
本设计采用最常见的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。
振荡晶体可在1.2MHz到12MHz之间选择。
电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，C1、C2可在20pF到100pF之间取值，但在60pF到70pF时振荡器有较高的频率稳定性。
所以本设计中，振荡晶体选择12MHz，电容选择65pF。
在设计印刷电路板时，晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠的工作。
为了提高温度稳定性，应采用NPO电容[9]。
2、复位电路
无论是HMOS型还是CHMOS型单片机，振荡器处于运行状态时，如果在单片机的RST引脚保持2个机器周期（24个振荡周期）的高电平，则单片机内部执行复位操作，以后每个周期执行一次，直至RST端变低。
为保证单片机可靠复位，设计复位电路时要考虑VCC的上升时间的振荡器建立时间，通常使RST端持续20ms以上的高电平。
复位后单片机从程序存储器的地址0000H处开始运行，内部寄存器的状态如表3.2所示。
表3.2复位后单片机寄存器状态
专用寄存器
复位状态
专用寄存器
复位状态
PC
0000H
TH0
00H
ACC
00H
TL0
00H
B
00H
TH1
00H
专用寄存器
复位状态
专用寄存器
复位状态
PSW
00H
TL1
00H
SP
07H
TH2
00H
DPTR
0000H
TL2
00H
P0～P3
FFH
RLDH
00H
IP
×××0000B
RLDL
00H
IE
0××0000B
SCON
00H
TMOD
00H
SBUF
××××××××
TCON
00H
PCON
0××××0000B
T2CON
00H
复位后，ALE和PESE为高电平，内部RAM不受复位的影响，此时内部RAM的状态不确定[10]。
3.2人体红外检测电路
3.2.1人体红外检测电路总体设计
人体红外信号检测电路用来监控照明控制单元里是否有人进入。
通过检测是否有人体红外信号来实现这一功能。
人体辐射的红外线中心波长为910um，测元件的波长灵敏度在0.2-20um范围内几乎稳定不变。
在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7-10um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其他波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器[11]。
PIR信号处理电路
热释电红外传感器
PIR
菲涅尔透镜
图3.5人体红外检测电路框图
如图3.5所示，该模块由三部分组成，包括:
菲涅尔透镜，热释电红外传感器以及相应的传感器信号处理电路。
人体热释红外信号通过菲涅尔透镜聚集，传给热释红外传感器PIR,然后PIR将物理信号转换为微弱电信号，接着PIR信号处理电路将微弱电信号进行处理，生产单片机可识别的数字信号。
最终有人时，PIR输出为高电平；无人时PIR输出为低电平。
这就是该电路模块要实现的功能[12]。
图3.6人体红外检测电路图
硬件电路如图3.6所示。
热释电红外传感器（PIR）RE200B对人体信号进行检测，红外传感信号专用处理芯片BISS0001对所采集信号进行初步处理。
RE200B的D、G、S端分别为电源端、地端和目标输出电压端。
输出信号V0接单片机，供其读取。
采用热释电传感器的优势是成本低，不需要用红外线或电磁波等发射源，隐蔽性好，可流动安装，灵敏度高，控制范围大。
热释电红外传感器利用热释电效应，能以非接触形势检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号同时，它还能鉴别出运动的生物或其他非生物。
实际使用中，热释电传感器前面必须安装菲涅尔透镜。
菲涅尔透镜的作用是将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上，同时也产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热释电红外探测元要求信号不短变化的特性，这样可大大提高接受灵敏度，增加检测距离及范围。
实验证明，热释电红外传感器若不加菲涅尔透镜，则其检测距离仅为2m左右，而配上菲涅尔透镜后，其检测距离可正佳到10m以上，甚至可达20m以上。
红外信号采集模块采用红外传感器PIR，采用菲涅尔透镜原理，专门用来与热释电红外传感器配套使用[13]。
该传感器由经过特殊设计的透镜组构成，镜片（0.5mm厚）表面刻录了一圈圈由小到大，向外由浅至深的同心圆，从剖面看似锯齿。
圆环线多而密感应角度大，焦距远；圆环线刻录的深感应距离远，焦距近。
红外光线越是靠近同心环光线越集中而且越强。
同一行的数个同心环组成一个垂直感应区，同心环间组成一个水平感应段。
垂直感应区越多垂直感应角度越大；镜片越长感应段越多水平感应角度就越大。
区段数量多被感应人体移动幅度就小，区段数量少被感应人体移动幅度就要大。
不同区的同心圆之间相互交错，减少区段之间的盲区。
区与区之间，段与段之间，区段之间形成盲区。
由于镜片受到红外探头视场角度的制约，垂直和水平感应角度有限，镜片面积也有限。
每个透镜单元都只有一个不大的市场，相邻俩个单元透镜的视场既不连续也不重叠，都相隔一个盲区。
当人进入感应范围，人体释放的红外光透过镜片被聚集在远距离A区或中距离B区或近距离C区的某个段的同心环上，同心环与红外线探头有一个适当的焦距，人在透镜前运动时，顺次从某一单元透镜视场进入又退出，投射信号会出现一个接一个的断续信号，但是热源信号始终都是几种在透镜中部的，讲连续的热源信号变成断续的辐射信号，红外光正好被探头接收，探头将光信号变成电信号传递给信号处理芯片[14]。
3.2.2释电红外传感器
热释电红外传感器是20世纪80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。
它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。
将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如作电源开关控制、防盗防火报警、自动侦测等。
如图3.7是RE200B实物图，G是接地端，S是信号输出端，D是接+5V电源端。
图3.8是该传感器的典型应用电路图。
图3.7RE200B实物图
图3.9RE200B应用电路
1、热释电红外传感器工作原理
热释电红外传感器主要是由一种高热电系数的材料，在每个探测器内装入一个或俩个探测元件，并将俩个探测元件以及反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。
由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。
为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲尼尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下俩部分各分成若干等份，制成
升级会员 