图书馆照明控制系统设计.doc

长春光华学院 毕业设计 图书馆照明控制系统 The design of Lighting Contro1 System for the library学生学号： 学生姓名： 张竞文 专业班级： 电气 指导教师： 图萍给 职 称： 起止日期： 长春光华学院 Changchun Guanghua University目录图书馆照明控制系统设计描要: 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 AT89S5l单片机为基础,实現了通信、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。对于软件一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最弱、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,从而实現智能照明控制,以送到节能的目的。关键词：智能控制,热释红外,传感器.单片机,定时控制The design of Lighting Contro1 System for the libraryAbstract: This article desiribes Library Based on Single- Chip Microcomputer at89s5l Lighting Control System and its principles, proposes effective energy- saving control-method.The system uses the current sensing technology is more mature and timing of single .chip computer contro1 techno1ogy using multiple parameters to achieve control over lighting in the school liblary.System design includes hardware, design and software design of two parts. The Master 0f lighling Contro1 System is based on the at89s51 single chip,enabling communication,data accquisition,contro1,and other functiolns.The text of the control circuit are described in detail in the design process,including: ambient light signa1 sampling circuit,the bodys signal acquisition .circuit,the relay driver circuit and signa1 processing circuit and so on.Software Design for data transfer program, as we11 as the main controller lighting control, Timer control, a/d control program design.Work, the optica1 signa1 Sampling Circuit capture,light, strong or weak, human acquisition of signal acquisition Circuit Indoor If anyone, whether working for the information and send a signal to the SCM, single- chip Mircomputer based on this information by contro11ing circuit for lighting switches, enabling Intelligent Lighting Contro1, to achieve energy- saving purposes.Keywords: lntelligent Control;0utside;Sensors;SCM;timing Contro1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,校国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, 仍然普通存在开灯作业,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,人走不关灯的现象到处存在。这种有形和无形的消费, 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l/4-1/5, 电费支出占据较重比例 。能源短缺是2 1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下一个迫切需要解決的问题。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目程上来 。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題 。“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、防盜、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区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一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, 特别是現代化办公公司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,包指一手动开关。澳大利亚邦奇开发的Dynaiite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,可靠推性高 。美围 IC&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电器配电盘组成, 按照客户対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現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,不能产生多种照明数果。 (3)、针対住宅照明光环境研制的智能照明控制系统产品很少,还有很大的开发前量。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使具有現实的意义,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,进而开发出一种通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.l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一开始直到下班为止,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,把灯媳灭,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,根本不能満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是够的照明 (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対室内灯进行智能控制可以实现上述目标 .1.2图书馆指照明控制系统方案的分析1.21图书馆照度标准图书馆照度标准根据我国民用建筑照明一设计标准 (GBJ133-90) 的设计要求,针対图书馆各类阅览室、研究室、视听室、休息室、走廊、接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l表l. l所示.1. 2. 3书库的照度要求图书馆书库的照度应设宣为l50Lx(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。 表1.21. 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 l. 3 所示 。13图书馆照明设计的基本方法图书馆的照明设计包据了灯具类型的选择、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、吸项灯、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)按使用场所分装: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: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%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%。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。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%间接照明型:灯具向上投射的光通量占患通量的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:其光源被通明灯單包含,但内外空气仍能流通,如困球灯、双單型灯和吸项灯等。（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、 防水防空灯等。(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进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。l. 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.l所示。图1.1所示(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室区域和非阅览室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所示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) , 不便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。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）以及配光的种类一有关,其标准不应高于表l. 4所列数据。表14灯具安装高度要求室空间比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:要求距高本平面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, 探测角度与范国；(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參数； (6)研究灯光控制器电源间趣; (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,不易被愉盗、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決如下关键问题:(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、关灯的自劫与手动兼容描施；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。在白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,还要按照自动与手动控制,夜晩超过21点,若还还有人存在,则关闭自动控制器的通行,改用机械开关来手动控制, 以解決困特殊情況下, 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L51图书馆照明设计方案一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,对于面积较大的厨房灯具较多时,釆用双联、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l. 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: (l)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,如图书销建筑设计规范(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门口,直接用配电箱内的断路器控制灯具同路。152 图书馆照明设计方案一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 图书制照明控制系统模块分析2. 1 AT89S51单片机的结构AT89S51是一个低电圧高性能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128bytcs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,片内通用8位中央处理器和Flash存储単元,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2l AT89S51单片机外部结构图AT89S5l有40个引脚,32个外部双向输入/输出(l/0)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个读写线,AT89S51可以按照常规方法进行编通程,也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存 f储器结合在一起,特别是可反复写标的Flash存储器可有效地降低开发成本。2. 1. l AT89S5l主要引脚功能(1) P0口 P0口是一组8位漏极Jl路型双向I/0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l时,可作为高阻抗输入端用 在访问外部数掘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/0口,Pl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,此时可作为输入口。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位推双向I/0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l6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/0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/0口线外,更重要的用途是它的第二功能,参见表2. l。表2. 1 P3口第=功能(5) RST 当振动器工作时， RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位 。(6) EA/VPP外部访问允许欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H-FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。需注意的是:如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。如 EA端为高电平(接vcc端) ,CPU则执行内部程序存储器中的指令。 Flash存储器编程时,该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp,当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp.(7) XTAL1片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路输入端。用片内振荡器时,该引脚接外部石英晶体和微调电容。外接时钟源时,该引脚接外部时钟振荡器的信号。(8) XTAL2 片内振荡器反相放大器的输出端。当使用片内振荡器时,该引脚连接外部石英晶体和微调电容。当使用外部时钟源时, 本引脚悬空。2. 2时钟晶体振荡电路如图2.2所示该时钟晶体振荡电路由一片12MHZ石英晶体和两片30pF电容组成,连接于AT89S51的XTAL1和 XTAL2上,产生时钟信号。晶体的频率越高,系统的时钟频率就越高,单片机的运行速度也就越快。但是,运行速度快对存储器的速度要求就越高,对印制电路板的工艺要求也就越高,即要求线间的寄生电容要小。晶体和电容应尽可能安装得与単片机芯片靠近,以減少寄生电容,更好地保证振荡器稳定、可靠地工作。为提高温度稳定性,应采用稳定性能好的电容。因该设计不需要过高频率的石英晶体,本系统选择了12MHZ的石英晶体。图2. 2时钟晶体振荡电路原理图2. 3复位电路图2.3复位电路原理图 如图2. 3所示复位电路由一个电阻、一片电解电容和一个轻触开关组成,该电路具有上电复位和手动复位两种复位方式,当上电时,电容充电,RST端出现高电压，单片机复位。充电完毕后,流经 RST电流为0,电压为0, 单片机进入工作状态；当按下开关时,电容放电,松手后,电容充电, R3有电压,单片机复位,单片机进入工作状态。2. 4单片机最小系统时钟晶体振荡电路和复位电路组成单片机的最小系统。单片机最小系统或者称为最小应用系统。是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。单片机最小系统电路图如图2. 4所示。图24 单片机最小系统 一片 AT89S51/52或其他51系列兼容单片机,特别注意:对于31脚(EA/VPP),当接高电平时,单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行,当接低电平时, 复位后直接从外部ROM的0000H开始执行。2.5电源电路图25电源电路原理图 电源电路如图2.5所示, 220V交流电经变压器T1降压后，得到9V交流电,经过D1D4组成的桥式整流电路整流，电解电容C4滤波，7805稳压及电解电容C6的再次滤波后,得到正5V直流电压本稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。第三章 数据采集及控制输出模块各部件分析3. 1热释红外传感器热释电人体红外线传感器是上世纪80年代末期出现的一种新型传感器件,现在已得到越来越广泛的应用,从原理上分析,它主要有主动式和被动式两类。热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。热释电红外传感器由敏感单元、电抗变换器和滤光窗等三大部分组成。图3. 1为它们的顶视图,其中较大的矩形部分为滤光窗,图3.2为底视图,图3.3为侧视图,P1、P2为两个敏感单元,面积约2x11mm平方，间距1mm。 当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时,由于P1、 P2自身产生极化,在电容的两端产生极性相反、电量相等的正、负电荷,而这两个电容的极性是相反串联的,所以,正、负电荷相互抵消,回路中无电流,传感器无输出 。当人体静止在传感器的检测区域内时,照射到P1、P2上的红外线光能能量相等,且达到平衡,极性相反、能量相等的光电流在回路中相互抵消,传感器仍然没有信号输出。同理,在灯光或阳光下,因阳光移动的速度非常缓慢, Pl、 P2上的红外线光能能量仍然可以看作是相等的,且在回路中相互抵消;再加上传感器的响应频率很低(一般为0.l-10Hz),即传感器对红外光的波长的敏感范围很窄(一般为5-l5um),因此,传感器对它们不敏感。从原理上讲,任何发热体部会产生红外线,热释电人体红外线传感器对红外线的敏感程度主要表現在传感器敏感单元的温度所发生的变化,而温度的变化、导致电信号的产生。环境与自身的温度变化由其内部结构決定了它不向外输出信号,而传感器的低频响应(一般为0.1-10Hz)和对特定波长红外线(一般为5-15um) 的响应决定了传感器只对外界的红外线的辐射兩引起传感器的温度的变化而敏感,而这种变化対人体而言就是移动。所以,传感器対人体的移动或运动敏感,对静止或移动很缓慢的人体不敏感;它可以抗可见光和大部分红外线的干扰。圈3. 4双元红外传感器示意图传感器在安装过程中还需要注意安装方向 ,由于透镜的光学特性决定横切探测区域比较敏感,所以传感器安装时要注意入侵方向与探测器视场的夹角. 最好成90垂直,这样就可以保证有人出现时能最大程度横切探测区域。图35RE200B实物图及引脚区分3. 12热释红外传感器的优缺点热群红外传感器有优点,也有缺点优点使是本身不发任何类型的辐射,器件功耗小,隐蔽性好, 价格低廉。而缺点是容易受各种热源、光源干扰;由于紅外穿透力差,因此人体的红外辐射容易被遮挡,不易被探头接收,易受射频辐射的干扰,环境温度和人体温度接近时,探测和灵敏度明显下降,有时;还会造成短时失灵。 试验检测也证明了这点,只要人体存在却又巧秒左右没有活动,传感器则认为没有人体存在。为避免这种现象的出现,本系统软件程序中设计为有人体存在状态间隔隔l0秒或更长的时间来对人体存在参数信号的采集 。3. 13菲涅尔通镜菲涅尔透镜作用有两个:一是聚焦作用,即将热释红外信号折射(反射)在 PIR上,第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区,使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。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区域或中距离B区域或近距离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,红外光正好被探头接收,探头将光信号变成电信号送入电子电路驱动负载工作。整个接收人体红外光的方式也被称为被动式红外活动目标探测器。镜片与探头的配合应用一我们常用的是双源式探头,揭开滤光玻璃片,其内部有两点对7-14um的红外波长特别敏感的T0-5材料连接着场效成管。由于热释电传感器输出的信号变化缓慢、幅値小(小于1mV) ,不能直接作为照明系统的控制信号,因此传感器的输出信号必须经过一个专门的信号处理电路, 使得传感器输出信号的不规则波形转变成适合于单片机处理的数字信号。根据以上要求,人体热释电检测电路组成框图如图3.6所示。图3. 6热释电检测电路_组成框图3.2热释电红外处理,芯片BISS0001简介BISS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路,它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。它能自动快速可开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手手池等装置,特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域,或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。它的特点: CM0S工艺,数模混合,具有独立的高输入阻抗运算放大器。内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰,内设延迟时间定时器和封锁时间定时器,采用16脚DIP装。如图37所示图3.7 BISS0001引脚图3.2.1 BISS0001引脚说明(l)A:可重复触发和不可重复触发选择端。当A为1时,允许重复触发,反之不可重复触发。(2)V0.控制信号输出端。由VS的上跳变沿触发,使Vo输出从低电平跳变到高电平时视为有数触发。在输出延迟时间Tx之外和无VS的上跳变时,vo保持低电平状态。 (3)RR1、RC1：输出延迟时间Tx的调节端, Tx49152RIC1。 (4)RR2、RC2: 触发封锁时间Ti的调节端, Ti24R2C2(5)VSS: 工作电源负端 。(6)VRf:参考电压及复位输入端。通常接VDD,当接“0时可使定时器复位。(7)VC:触发禁止端。当VCVR时允许触发(VR 0.2VDD)。(8)IB:运算放大器偏置电流设置端。(9)VDD:工作电源正端 。(l0)20UT:第二级运算放大器的输出端(1l)2lN:第二级运算放大器的反相输入端(l2)IN+:第一级运算放大器的同相输入端。(13)IIN-:第一级适算放大器的反相输入端。(l4)10uT:第一级遷算放大器的输出瑞。3.3热释红外人体检测电路3.3.1信号处理电路 本设计采用BISS000l来完成对热释电传感器輪出信号的处理。BISS000l是一款具有较高性能的热释电传感器信号处理集成电路,它主要由运算放大器、 电压比较器、 状态控制器、 延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成。由BISS0001 构成的信号处理电路如图3.8所示。图3.8中热释电传感器 S概输出信号送入BISS000l的L4脚,经内部第一级运算放大器放大后,由C10耦合从l2脚输入至内部第二级运算放大器放大,再经电压比较器构成的鉴幅器处理后,检出有数触发信号去启动延迟时间定时器,最后从l2脚输出信号(Vo)送入比较器进行比较判断。实验所得,当传感器检测室内有人时,vo为4v,无人时vo为0.4v。BISS000l的1脚接高电平,使芯片处于可重复触发工作方式。输出Vo(高电平)的延迟时间Tx由外部R14和C14的大小调整;触发封锁时间Ti由外部R15和C15的大小调整。图38热释红外传感器信号处理电路3.3.2比較电路 比较电路如图3.9所示, 由两个运算放大器组成输入信号来自于热释红外人体输出信号处理电路输出比较电路中的基准电压分别由两个独立的分压电路得到，供电路比较所用。即运算放大器b1的2脚和b2的5脚电压分别为2.0V和0.45V。图 3.9人体信号比较电路通过比较电路将相应的电圧比较结果以数字信号输出。当被动红外探头在有效范围内感应到人体信号后,运算放大器的“6脚或“1脚”的电压降为3.0V,当被动红外探头在有效范围内没有感应到人体红外信号时,“6脚”或“1脚的电压降为1.0v。探头故障断路时,则“6脚或“1脚”的电圧降为0V。( 1 )探头工作正常 “2脚”的电压恒定为2.0V,“l脚的电圧有1V或是3.0V两种状态。“5脚的电.压恒定为0.45V,“6脚的电压与“l脚的电压保持一致。探头将会根据有无人体信号在“l脚产生l.0V或3.0V两种电压信号。2)探头工作不正常(l士于故障成投有安装探头)2脚的电压恒定为2.0V,“1脚的电压为0V。“5脚的电圧恒定为0.45V,“6 脚的电压为0V。探头将会产生一种电压信号0V 。具体的比较结果如l、表3. 1所示。表3. l探头采集信号号输出状态表 通过比较电路，解决了不同的工作状态时被动的红外传感器人体红外信号的采集很大程度上减少单片机误判的比例，同时实現.A/D转换功能 。3.4 环境光照度检测电路环境光照度检测电路如图3.10所示,图中主要由光信号采集电路和A/D模数转换电路组成,其中模数转換是电路的核心信号经过采集送入A/D转换电路,通过单片机处理后,最终作为系统应用程序进行开关灯判断的依据。图3l0环境光照度检测电路原理图当自然光强度大于300Lx时,光敏二扱管呈现低阻状态1千欧,三极管Q3的基极电压升高,Q3管饱和导通,集电极输出低电平。当自然光小于300LX左右时,光敏二极管DS1呈现高阻状态,约为100千欧,使三极管Q3截止,集电极输出高电平。其中可变电阻 R19可调节,调R19阻值的大小,使Q3三极管受环境光影响在适当的亮度下导通。光电一极管是将光信号转换成电信号的半导体器件。它的核心部分是一个 PN结和普通二极管相比,在结构上不同的是,为了便于接受入射光照,PN结面积尽量做的大一些,电极面积尽量小些,而且 PN结的结深很浅,一般小于1徴米。光电二极管 (也称光敏二极管) 是在反向电压作用之下工作的。没有光照时,反向电流很小(一般小于 0.1uA),称为暗电流。当有光照时,携带能量的光子进入 PN 结后,把能量传给共价键上的束缚电子,使部分电子挣脱共价键,从而产生电子空穴对,称为光生载流子它们在反向电压作用下参加漂移运动,使反向电流明显変大,光的强度越大,反向电流也越大这种特性称为“光电一号 。光电二极管在一般照度的光线照射下所产生的电流叫光电流如果在外电路上接上负载，负载就获得了电信号,而且这个电信号随着光的变化而相应变化,其外形电路图形符号如图3ll所示。图3. 11光敏二极管3.4,TLC549的接口设计TlC549是美国德州电器公司生产的8位串行A/D转换器芯片,可与通用微处理器、控制器通过CLK、CS、DATA、out三条口线进行串行接口。具有4MHz系统时钟和软、硬件控制电路,转换时间最长l7us,TLC549为40000次/s。总失调误差最大为0.5LSB,典型功耗值为6MW。采用差分参考电圧高阻输入,抗干扰,可按比例量程校准转换范围,VREF-接地,VREF+-VREF1V,可用于较小信号的采样。TLC549有片内系统时钟,该时钟与I/0CLOCK是独立工作的,无须特殊的速度或相位匹配。TLC549可方便地与具有串行外围接口(SPI)的单片机或微处理器配合使用,也可与51系列通用单片机相连接使用。其工作时序如图3. 12所示。图3l2 TLC549工作时序图当 CS为高时,数据输出(DATA OUT)端处于高阻状态,此时I/0CLOCK不起作用。这种CS控制作用允许在同时使用多片TLC549时,共用I/0CLOCK,以減少多路(片)A/D并用时的I/0控制端口。3. 5电磁继电器电路如图313所示是电磁继电器驱动电路原理图,三极管Q1的基极B接到单片机的 P2.0,三极管的发射极E接到继电器线圈的一端,线圏的另一端接到+5V电源 VCC上,继电器线圈两端并接一个二极管1N4l48,用于吸收释放继电器线圈断电时产生的反向电动勢,防止反向电动势击穿三极管Q1及干扰其他电路, R17和发光二极管Ds3组成一个继电器状态指示电路,当继电器吸合的时候, DS3点亮,这样就可以直观地看到继电器状态了。图3.13电磁继电器驱动电路原理图第4章 系统软件设计 软件部分的主要任务是完成对光照检测电路和热释传感器信号处理电路的输出信号进行处理。系统首先对人体存在情况进行检测,当在可检测范围没有检测到人体存在时情况进行检测，当可检测范围对人体存在情況进行检测,当检测到人体存在时,然后对环境光情況进行检测,当光照较强时,继续对环境光情況进行检测, 当检测到环境光较弱时,延时10S 后返回,再次对人体存在情况和环境光情況进行检测,当检测到有人体存在且光照度较弱时点亮相应的照明设备。4l系统主程序设计如图41所示开始系系统初始化统初始化是否有人？NY光照检测强弱延时十秒N是否有人？Y光照检测强弱亮灯图4. 1系统主相序流税图4. 2 A/D转换程序设计A/D转换时,首先进通TLC549,内部电路在测得CS下降沿后,在等待两个内部时钟上升沿和一个下降沿后再确认认这一变化最后自动将前一次转换结果的最高位(D7)位输出到OUT端传送给标志位C,然后左移一位传送给 A然后循环读取剩下七位数,直到八位传送完。图4.2 A/D 转换程序流程图4.3系统软件各部分设计说明4.3.1环境光和人体存在检测程序本系统考虑到没有人时,无论是否光照强弱都不应开灯,而有人体存在时,只有环境光照度低于某一设定值才开灯。本系统逻辑定义为环境光亮时为二进制的“1”(符合光采集电路输出信号状态) ,暗时为“0人体存在为“l”人体不存在为“0”开灯为“0关灯为“1”。室内有人且光照弱的软件程序如下:PERSON: JNB P3.0, PERSONlPERSON: JNB P3.1, GUANGSJMP PERSON GUANG: ACALL RETJB P3.2, L00PSJMP GUANG系统首先对人体检测电路的输出状态进行检测, 根掘比较电路的输出状态表, 若输出信号满足不符合系统有人存在的判断条件则系统继续対人体检测电路的输出状态进行检测。如果输出信号満足系统有人存在的判断条件,则系统跳转到GUANG。GUANG的第一条指令,可完成对光照强度检测电路的输出状态进行检测。若输出为高电平,说明光线弱,顺序执行下面的指令,延时10s后,跳转PERSON1再次检测信号输入状态若输入状态与延时前相同,则系统控制P2.0为低电平,照明设备点亮。4. 3. 2 10S延时程序10S延时程序如下:DELAY10S: MOV R4,#lOHDEL: MOV R7,#l0DEL1: MOV R6,#0FFHDEL2: MOV R5,#80HKONC: NOPDJNZ R5,$DJNZ R6,DEL2DJNZ R7,DEL1DJN:Z R4, DELRET这是一段延时10S的程序,系统通过不断执行循环程序消耗时钟周期,进而实现延时操作 。43. 3 A/D转換程序READ: SETBPl.2NOPNOPCLR P1.2NOPNOPMOV C,P3.0 RLC AMOV R5，#7RE： SETB P1.0NOPNOPCLR P1.0NOPNOPMOV C，P3.0RLC ADJNZ R5 ，RESETB P1.0NOPNOPSETB P1.2CLR CMOV 34H ，ARET 以上是一段A/D转换程序,系统首先进行将Cs管置低，内部电路在测得与 CS下降沿后,在等特两个内部时钟上升沿和一个下降沿后 再确认这一变化最后自动将前一次转换结果的最高位(D7)位输出OUT端传送给标志位C,然后左移一位传送给A然后循环剩下七位数,直到八位传送完,停止转换最终把转换的二进制数放到34H中。第五章 图书馆照明控制系统的实现5. 1热释红外传感器的安装分析图书馆照明控制系统用于对现有图书馆进行改造。本设计所用的系统具有 智能控制,系统所用到的热释红外传感器所能探测到的范围有限,具体探测范围 见图5. l所示, 根据现在图书馆自习室的书桌分布情況。和灯具分布情況特提出如下安装方案,以实现对图书现有自习室的智能控制。图5. 1热释红外传感器探测范围根据热释红外传感器的实验数据我们可以知道加上透镜的传感器的最大探测距高是7米左右,探测角度是110度左右3至4米的探测长度,而图书馆现有具的悬挂高度大概是2米,自习室墙体的高度大概是3.5米,虽然直接把传感器安装在天花板可以有更大范围的检测,可是更大的范围也就意味者更大的浪费,我们不可能在人数根少的情況仍旧安装一大片灯,这不符合本系统设计的初衷,所以本系统根据实际情況认为探测器应该安装在距离桌面大概2米的距高这样它在2米的平面上形成的探测半径是2米左右,但是由于传感器本身的缺陷,它的有效探测范围不可能是2米,根据以往的数据记载可以知道有效的探测距高大概是l.5米左右,这个范围大概是一张桌子的长度这样就可以把它安装在两张桌子的中间即可 。5. 2环境光照度检测电路的安装分析我们根据资料可以知道300Lx的光照度是适合读书的理想值, 根据光敏二极管的光电特性我们可以知道在光照强度为300Lx 时光电流大概是0.8mA左右,这时可以通过调节连接在基极和发射极之间的滑动变阻器的阻值改变基扱电压, 从而控制三极管进入饱和导通状态, 我们知道三极管有四种工作状态:截止,放大,饱和导通,过饱和击穿,.四种工作状态的转变和基极与发射极,集电极与基极之间的电压有关当基极与发射极之间的电压大于0.7v,基极与集电极之间的电压大于0时基极饱和三极管;进入饱和导通状态,此时集电极输出低电平,这时集电极电流几乎不随基极电流的变化而变化,经过计算可以调节基极滑动变阻器阻值大概为9oo欧,当光照强度低于30OLx时基极与发射极之间的电压大于0.7伏,基极与集电极之间的电压小于0,这时三极管进入放大状态集电极输出电流随基极电流的变化而变化,三极管进入放大状态,集电极输出高电平。三极管的输出特性曲线如图5. 2所示。图5. 2三极管输出特性曲线如图5. 3所示是光敏二极管光电特性曲线, 由图可以知道在300Lx的分界点时, 光电流大概是 0. 8mA, 、-ii描动变J現器的田値大概在900欧左右时, 三极管饱和导通,所以在调试的时候应该在滑动变阻器最大值上调试环境光照度检测电路。图5.3光敏二极管光电特性曲线5. 3图书馆照明控制系统总体实现方案 本设计以一个单片机检测一个热释红外传感器电路和一个环境光照度检测电路,以一个电磁组继电器控制两盏灯,本设计建议采用均匀的灯具:布置方法,并在图中“ 所示的位置安装热释红外人体传感器,检测室内不同位置的人体存在。这样的控制方式充分体现了节能,也延长照明灯具的使用寿命。图书馆智能照明控制系统的光敏二极管安装在室内避开电灯直射的位置 ,且热释红外传感器安装时应使人体活动方向与热释红外传感器中两个热释电元连线方向垂直, 因此本设计建议将照明灯安装在每张桌子的正上方2米处,在两张桌子的正中间上方安装热释红外传感器。关于系统供电的进择我们选择220V交流电直接接到系统的变压器模块,并且这是一路独立的电路,这样可以方便管理员的管理。根据上述分析可以绘制图书馆照明控制系统对图书馆自习室改造设计的原理图，方案如图54所示图5.4图书馆自习室改造方案图结