教室光照節(jié)能系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　教室光照節(jié)能系統(tǒng)</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　新校園的建設(shè)要適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的發(fā)展，應(yīng)引入智能化的概念。在傳統(tǒng)的樓宇自控系統(tǒng)中，一般只包括了綜合布線、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、安防、消防、閉路電視監(jiān)控等子系統(tǒng)。但近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人們對(duì)照明燈具節(jié)能和科學(xué)管理提出了更高的要求

2、，使得照明控制在智能化領(lǐng)域的地位越來(lái)越重要。針對(duì)大學(xué)校園中的大功率動(dòng)力和制冷設(shè)備比重較小，而照明燈具相對(duì)較多的情況，設(shè)計(jì)了教室光照節(jié)能系統(tǒng)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)包括下位機(jī)教室智能控制器和應(yīng)用組態(tài)MCGS 6.2軟件編制的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，兩者通過(guò)目前流行的Modbus協(xié)議通訊。前者使用特定的邏輯算法，利用環(huán)境光照檢測(cè)和紅外探測(cè)相結(jié)合的探測(cè)方式，開發(fā)教室光照節(jié)能自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)教室無(wú)人或者光照充足時(shí)自動(dòng)關(guān)燈

3、、有人到來(lái)且光照不足時(shí)自動(dòng)開燈的功能，達(dá)到節(jié)能的目的；后者用于對(duì)下位機(jī)參數(shù)讀寫，顯示，控制等集中式的管理，從而實(shí)現(xiàn)一套完整可靠的分布式光照控制系統(tǒng)。</p><p>　　關(guān)鍵字：教室光照 ； modbus協(xié)議；節(jié)能控制；熱釋電效應(yīng)</p><p>　　Energy-efficient system design classroom</p><p><b>

4、　　Abstract</b></p><p>　　The new school building to adapt to the development of the Internet age, should introduce the concept of intelligent. In traditional Building Automation Systems, Generally inclu

5、de cabling, computer network, Safety precautions, Fire Prevention , TV monitor and other subsystems. But in recent years, With economic development and the advancement of technology, people lighting energy conservation a

6、nd scientific management of higher demand, making the field of intelligent lighting control is becoming</p><p>　　The design includes Smart Controller for the machine and application configuration MCGS 6.2Sof

7、tware for PC monitoring program, both through the popular Modbus protocol communications. The former applies a certain logic algorithms, illumination detection and infrared detection combined by active and passive detec

8、tion, to develop energy-saving lighting control system of classroom. We can benefit from two aspects from it. One aspect is that it can automatically turn off lights, if there is no pe</p><p>　　Key words:

9、Classroom lighting; modbus protocol；Energy Saving Control；Pyroelectric effect</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p

10、><b>　　目 錄III</b></p><p><b>　　第一章 概述1</b></p><p><b>　　1.1課題背景1</b></p><p>　　1.2課題的主要研究工作2</p><p>　　第二章 教室光照節(jié)能系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)3</p&

11、gt;<p>　　2.1教室光照節(jié)能系統(tǒng)存在的問(wèn)題3</p><p>　　2.1.1著力克服的幾種誤區(qū)：3</p><p>　　2.1.2產(chǎn)品選型應(yīng)該注意的事項(xiàng)6</p><p>　　2.2教室光照節(jié)能系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)7</p><p>　　第三章 教室光照節(jié)能系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)10</p><p>

12、　　3.1單片機(jī)的選擇10</p><p>　　3.2熱釋紅外探測(cè)組件設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.2.1熱釋電紅外傳感器的原理特性12</p><p>　　3.2.2熱釋電紅外探測(cè)組件和信號(hào)處理14</p><p>　　3.3可見光探測(cè)組件設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.3.1可見光探測(cè)選型16&l

13、t;/p><p>　　3.3.2光敏電阻主要性能及處理電路16</p><p>　　3.4光照采樣保持器設(shè)計(jì)19</p><p>　　3.4.1 A/D轉(zhuǎn)換器原理19</p><p>　　3.4.2 ADC0832的主要性能20</p><p>　　3.5人機(jī)接口電路設(shè)計(jì)22</p><p&g

14、t;　　3.5.1 鍵盤接口模塊22</p><p>　　3.5.2 LCD顯示模塊23</p><p>　　3.6通信模塊設(shè)計(jì)25</p><p>　　3.6.1 RS-232接口設(shè)計(jì)25</p><p>　　3.6.2 RS-485接口電路設(shè)計(jì)26</p><p>　　第四章 教室光照節(jié)能系統(tǒng)的

15、軟件設(shè)計(jì)28</p><p>　　4.1 系統(tǒng)主程序28</p><p>　　4.2 光照采集子程序29</p><p>　　4.3 LCD顯示子程序30</p><p>　　4.4 Modbus通信處理子程序31</p><p>　　4.5熱釋電紅外人數(shù)采集中斷子程序32</p&

16、gt;<p>　　4.6組態(tài)MCGS監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)33</p><p>　　第五章 教室光照節(jié)能系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)35</p><p>　　5.1 PC機(jī)通信組件35</p><p>　　5.2 Modbus RTU協(xié)議介紹35</p><p>　　5.2.1傳送數(shù)據(jù)的格式35</p><p>　　5.

17、2.2協(xié)議功能碼定義36</p><p>　　5.2.3循環(huán)冗余校驗(yàn)38</p><p>　　第六章 調(diào)試及總結(jié)39</p><p>　　6.1調(diào)試過(guò)程39</p><p><b>　　6.2總結(jié)39</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)40</b><

18、;/p><p>　　附錄A 教室控制器電路圖42</p><p>　　附錄B 控制器主程序43</p><p>　　附錄C 控制器Modbus RTU子程序60</p><p><b>　　致謝73</b></p><p><b>　　第一章 概述</b></p&g

19、t;<p><b>　　1.1課題背景</b></p><p>　　新校園的建設(shè)要適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的發(fā)展，應(yīng)引入智能化、網(wǎng)絡(luò)化的概念。在傳統(tǒng)的樓宇自控系統(tǒng)中，一般只包括了綜合布線、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、安防、消防、閉路電視監(jiān)控等子系統(tǒng)。但近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人們對(duì)照明燈具節(jié)能和科學(xué)管理提出了更高的要求，使得照明控制在智能化、網(wǎng)絡(luò)化領(lǐng)域的地位越來(lái)越重要。而在大學(xué)新校區(qū)的建設(shè)熱潮

20、中，各大高校和他們的建設(shè)者也意識(shí)到了智能化、網(wǎng)絡(luò)化照明的重要性。相對(duì)商業(yè)樓宇而言，大學(xué)校園里的大功率動(dòng)力和制冷設(shè)備比重較少，照明燈具則相對(duì)比重更多。使用現(xiàn)代化的節(jié)能光照系統(tǒng)，更能體現(xiàn)其在節(jié)能與管理方面的優(yōu)勢(shì)，提高學(xué)校的科學(xué)管理水平。</p><p>　　節(jié)能是光照系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的樓宇公共區(qū)域照明工作模式，只能是白天關(guān)燈，晚上開燈。而采用了智能化分布式光照系統(tǒng)后，我們可以根據(jù)不同場(chǎng)合、不同的人流量，進(jìn)行時(shí)間段

21、、工作模式的細(xì)分，把不必要的照明關(guān)掉，在需要時(shí)自動(dòng)開啟。同時(shí)，系統(tǒng)還能充分利用自然光，自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)光照度。控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了不同工作場(chǎng)合的多種照明工作模式，在保證必要照明的同時(shí)，有效減少了燈具的工作時(shí)間，節(jié)省了不必要的能源開支，也延長(zhǎng)了燈具的壽命。</p><p>　　在我國(guó)，照明耗電占年發(fā)電總量的10%(超過(guò)100億kW·h)，而對(duì)照明時(shí)間長(zhǎng)，照明場(chǎng)所多的學(xué)校，照明超過(guò)本單位所有耗電的40%。目前，國(guó)內(nèi)大

22、、中、小學(xué)校教室的照明燈具控制大多采用手動(dòng)開關(guān)，即使嚴(yán)格管理，仍不可避免地出現(xiàn)忘記關(guān)燈的疏忽，特別是在白天，情況更是如此，從而造成大量的能源浪費(fèi)。另外，各種照明燈具都具有一定的使用時(shí)限，在光線充足的情況下仍繼續(xù)使用，必然會(huì)縮短燈具的使用壽命[1]。</p><p>　　現(xiàn)今的自動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到了智能化、網(wǎng)絡(luò)化階段，智能控制是自動(dòng)控制發(fā)展的高級(jí)階段，是人工智能、控制論、系統(tǒng)論和信息論等多種學(xué)科的高度綜合與集成，

23、它主要包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、學(xué)習(xí)控制和專家控制等。智能控制是控制理論發(fā)展中的高級(jí)階段，可以用來(lái)解決那些用傳統(tǒng)方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題。所以我們有必要對(duì)學(xué)校的教室光照系統(tǒng)的節(jié)能問(wèn)題加以考慮。</p><p>　　1.2課題的主要研究工作</p><p>　　在基于上述的客觀情況下實(shí)現(xiàn)教室照明燈具的自動(dòng)控制，我們著手設(shè)計(jì)一種新型的光照節(jié)能系統(tǒng)?？紤]到教室的照明控制要求并不是太高，

24、所以在設(shè)計(jì)光照節(jié)能系統(tǒng)時(shí)盡量考慮用最少的投資達(dá)到最佳的控制效果。針對(duì)整個(gè)教學(xué)樓的光線環(huán)境差不多在教學(xué)樓外部裝一個(gè)可見光探測(cè)組件即可，而不同教室的有人或沒人情況的不同均需測(cè)量，我們?cè)诿總€(gè)教室的內(nèi)外部各安裝一個(gè)熱釋電紅外探測(cè)組件，用中斷的方式將檢測(cè)信號(hào)送到單片機(jī)系統(tǒng)。根據(jù)控制要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了根據(jù)教室里所在人數(shù)的情況和環(huán)境光線相結(jié)合的智能化、網(wǎng)絡(luò)化的教室節(jié)能系統(tǒng)控制方案，它可以實(shí)現(xiàn)：無(wú)論是否有人光照度高于300lx（滿足人眼要求）時(shí)不開燈；有

25、人但光照度低于300lx大于150lx時(shí)燈可以根據(jù)教室中的人數(shù)的多少來(lái)決定燈具的開啟情況；有人且光照度低于150lx時(shí)，燈全開。</p><p>　　在本系統(tǒng)中還采用二級(jí)單層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即監(jiān)控級(jí)、教室控制級(jí)以及modbus總線的RS485網(wǎng)絡(luò)的分布式集散控制系統(tǒng)對(duì)教學(xué)樓用電設(shè)備進(jìn)行控制和管理。教室控制級(jí)采用以單片機(jī)為主的控制；監(jiān)控級(jí)主控上位機(jī)采用PC機(jī)，并用組態(tài)軟件MCGS進(jìn)行編程，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)教室內(nèi)的教室控制器所采

26、集到的信息接收、處理，利用組態(tài)MCGS提供的全中文、圖形化、動(dòng)態(tài)化的監(jiān)控界面，從而實(shí)現(xiàn)教室用電狀況、學(xué)生人數(shù)等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)。通信網(wǎng)絡(luò)部分，在教室同一樓層采用RS485標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò). 并有控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)教室光照度，教室學(xué)生的人數(shù)，教室的使用狀況等監(jiān)視通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)上傳上位機(jī)顯示并對(duì)教室內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行合理遠(yuǎn)程控制和管理。圖1.1 是教室光照節(jié)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。</p><p>　　圖1.1 教室光照控制系

27、統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　第二章 教室光照節(jié)能系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)</p><p>　　隨著能源的日益緊張，以及燃燒礦物燃料帶來(lái)的社會(huì)和環(huán)境問(wèn)題的日漸突出，黨和國(guó)家對(duì)節(jié)能工作的重視程度不斷提高，已經(jīng)將其列入“十一.五”工作重點(diǎn)，提出了“建設(shè)節(jié)約型社會(huì)”的號(hào)召。教育部也積極響應(yīng)，提出了“建設(shè)節(jié)約型高校”的號(hào)召，高校節(jié)能工作也在全國(guó)各地蓬勃開展起來(lái)。高校作為培養(yǎng)高素質(zhì)人才的搖籃，提倡節(jié)約的意義

28、也就顯得更加重大而深遠(yuǎn)。</p><p>　　教室作為高校教學(xué)的重要場(chǎng)所，一般采用開放式管理模式為主，學(xué)生基本上無(wú)固定的班級(jí)教室，無(wú)固定的座位；而樓宇管理人員僅負(fù)責(zé)衛(wèi)生或保衛(wèi)工作。因此，造成了白天長(zhǎng)明燈，晚上無(wú)人也開燈，人少燈全開的浪費(fèi)現(xiàn)象在高校司空見慣。從早晨開放到晚上清場(chǎng)，教室照明燈具一直處于開啟的現(xiàn)象在高校中是普遍存在的。雖然教室的照明負(fù)荷在整個(gè)學(xué)校用電負(fù)荷中所占的比重不算太大，但是由于它們的數(shù)量眾多，使用

29、時(shí)間最長(zhǎng)，使得它們?cè)谡麄€(gè)學(xué)校用電量中所占的比重一直居高不下。以我校為例，從全年的統(tǒng)計(jì)來(lái)看，其所占的比重在1/3左右，因而造成的用電浪費(fèi)也就十分驚人。</p><p>　　2.1教室光照節(jié)能系統(tǒng)存在的問(wèn)題</p><p>　　目前，教室照明節(jié)能工作，已經(jīng)成為全國(guó)許多所高校2007年的工作重點(diǎn)。正是看到了高校教室照明節(jié)能存在的商機(jī)，許多相應(yīng)的節(jié)能產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，出現(xiàn)了魚龍混雜、良莠不齊的局面。在

30、一些教室節(jié)能工作開展的較早的學(xué)校，他們?cè)谶@方面走過(guò)了不少的彎路，也積累了很多的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。在這里我們將其經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)，希望給正在或醞釀作教室照明節(jié)能的高校，有所啟迪和借鑒，可以少走彎路，以最少的投入達(dá)到最佳的節(jié)能效果。</p><p>　　通過(guò)我們對(duì)從事多年節(jié)能實(shí)踐的學(xué)校的調(diào)查，以及對(duì)不同廠家產(chǎn)品的試用情況的分析。我們認(rèn)為有如下幾點(diǎn)，在做教室照明節(jié)能時(shí)，應(yīng)特別重視：</p><p>　　2.

31、1.1著力克服的幾種誤區(qū)：</p><p>　　(1) 教室節(jié)能意義不大</p><p>　　有相當(dāng)一部分學(xué)校的有關(guān)部門，對(duì)此的認(rèn)識(shí)還是不到位，總認(rèn)為教室就那么幾盞40W的日光燈，不會(huì)造成多大浪費(fèi)，節(jié)不節(jié)能無(wú)所謂。他們可能會(huì)為水龍頭沒有擰緊，滴答水而心疼，會(huì)主動(dòng)地去關(guān)閉。但對(duì)照明浪費(fèi)卻熟視無(wú)睹，或者是視而不見。這主要是電能不像流水一樣能看得見，是一種無(wú)形的、無(wú)法用肉眼感知的東西，浪費(fèi)了也覺

32、察不出來(lái)。我們可以估算一下，按照國(guó)標(biāo)的規(guī)定，教室照明的功率密度約為10W/ m2，假設(shè)教室的平均面積為100m2，則照明負(fù)荷約為1kW。如果每天正常使用時(shí)間為15小時(shí)，那么，一天每間教室的用電量為1kW×15h＝15 kWh，學(xué)生年在校為270天，則年用電量約為4050kWh。如果學(xué)校按照100m2折合教室數(shù)量為200間，則照明用電量為81萬(wàn)度左右。若節(jié)電率以平均30%計(jì)算，則一年可節(jié)電24.3萬(wàn)度，可節(jié)約電費(fèi)15～20萬(wàn)元左

33、右，以上估算還未包括線損和燈具長(zhǎng)時(shí)間開啟而損壞的部分[2]。從以上計(jì)算可以看出，教室照明節(jié)能絕不是微不足道的，即使單從經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看，完全也是大有可為的。而且節(jié)能是一項(xiàng)長(zhǎng)期的收益，早做早受益。我校的實(shí)際就是很好的例證。</p><p>　　(2) 教室照明和控制沒有特殊要求</p><p>　　教室照明和其它領(lǐng)域的照明不同，有著嚴(yán)格的照度要求。為此，國(guó)家專門頒布了《中小學(xué)校教室采光和照度衛(wèi)生

34、標(biāo)準(zhǔn)》，在《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中，也專門為教室的采光、照明等制訂了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。其核心就是要保證足夠的光照度，減少暈光等不利因素的影響，目的就是要保護(hù)學(xué)生的視力健康。有人宣稱教室照明無(wú)特殊要求是完全錯(cuò)誤的。所謂教室照明節(jié)能就是利用現(xiàn)代電子技術(shù)的手段檢測(cè)室內(nèi)光照度，在保證符合國(guó)標(biāo)規(guī)定照度標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，充分利用自然光照明，通過(guò)合理地關(guān)閉或減少人工光源的使用，而達(dá)到節(jié)約電能，保護(hù)學(xué)生視力和健康的一種綠色照明。那種以犧牲學(xué)生視力為代價(jià)的節(jié)能是不可取

35、的，同樣，以保護(hù)學(xué)生視力為借口，不進(jìn)行節(jié)能工作也是不對(duì)的。教室節(jié)能必須是使用專門照度探測(cè)技術(shù)，充分結(jié)合教室的特點(diǎn)而專門開發(fā)的一種控制方式；不是隨便將其它領(lǐng)域的燈控方式，簡(jiǎn)單地套用到教室燈具控制上就可以的。</p><p>　　(3) 以單純的人員管理來(lái)達(dá)到節(jié)能目的</p><p>　　部分學(xué)校也意識(shí)到了教室照明中存在的巨大浪費(fèi)，采取了各種各樣的管理方式，企圖來(lái)杜絕這種浪費(fèi)。如：費(fèi)用包干制、

36、任課教師負(fù)責(zé)制、組織勤工儉學(xué)學(xué)生或聘用專職人員進(jìn)行專門管理，拉閘限電等等。許多學(xué)校都采取過(guò)這些方法，但始終沒能長(zhǎng)久堅(jiān)持下去，也就沒有取得理想效果。我們分析有如下原因：①是從生理上來(lái)看，當(dāng)外界光照強(qiáng)度超過(guò)燈具光照度時(shí)，人眼就很難察覺有燈存在；②是從心理上來(lái)看，教師和學(xué)生精力集中于教學(xué)和學(xué)習(xí)上，不可能分心來(lái)觀察教室光照度的變化，也就不可能主動(dòng)去關(guān)燈。③專門管理人員很難了解各個(gè)樓層，各個(gè)朝向教室的實(shí)際情況，加上個(gè)人認(rèn)知差異的影響，很難做出準(zhǔn)確

37、的判斷，由他們來(lái)負(fù)責(zé)開啟和關(guān)閉燈具，不是關(guān)燈太早或開燈太晚造成學(xué)生看不清楚，就是關(guān)燈太晚或開燈太早而造成浪費(fèi)。同時(shí)管理人員的素質(zhì)千差萬(wàn)別，個(gè)體差異還可能導(dǎo)致矛盾激化。我們?cè)谟腥藛T管理的教學(xué)樓做過(guò)實(shí)驗(yàn)，使用和不使用智能照明控制器前后2月的電量相比，節(jié)電率仍然可以達(dá)到23%，學(xué)生反映不再出現(xiàn)開關(guān)燈不及時(shí)的現(xiàn)象了，這就說(shuō)明了人工管理是取代不了科學(xué)技術(shù)手段管理的。雖然智能控制器一次性的投資可能比聘用管理人員可能要高一些，但從科學(xué)管理，大學(xué)的學(xué)習(xí)

38、氛圍和長(zhǎng)期效益</p><p>　　(4) 過(guò)于精細(xì)的控制要求</p><p>　　有的學(xué)校在考慮做教室照明節(jié)能時(shí)，又容易走向另一個(gè)極端，即要求對(duì)每盞燈都進(jìn)行精確控制。表現(xiàn)為每個(gè)燈位都采用人體感應(yīng)控制開關(guān)來(lái)控制，或者用紅外對(duì)射來(lái)計(jì)算教室的人員數(shù)量再對(duì)燈具分別進(jìn)行控制。這種精細(xì)控制考慮的初衷是好的，認(rèn)為可以最大限度地節(jié)約電能。但是卻忽略這種方式帶來(lái)的諸多問(wèn)題，一是光照度難以保證。整個(gè)教室的照

39、度是根據(jù)房間面積設(shè)計(jì)的，只開一盞或2盞燈，是很難保證照度滿足國(guó)標(biāo)要求。尤其是大合堂階梯教室，前幾排的層高可以到5-6米，夜晚人少開的燈少，實(shí)際的光照度很難保證。因?yàn)閲?guó)標(biāo)中不但規(guī)定了絕對(duì)照度值要求，而且規(guī)定了鄰近照度與主照度的比值不能低于0.7。這就像在漆黑的房間，如果只開桌上的臺(tái)燈，桌面照度可能滿足國(guó)標(biāo)的要求，但周圍卻還是黑暗的。在這種環(huán)境下學(xué)習(xí)，眼睛很容易疲勞，不但影響學(xué)習(xí)效果，長(zhǎng)此以往，必將對(duì)學(xué)生視力造成無(wú)可挽回的損害。二是燈具容易

40、老化，通過(guò)頻繁地關(guān)閉燈具來(lái)節(jié)能，勢(shì)必要使這些燈具要根據(jù)人員情況的變化，及時(shí)地開啟或關(guān)閉。教室照明一般使用的是日光燈，啟動(dòng)時(shí)，依靠的是加熱燈絲上涂覆的氧化物產(chǎn)生的電子來(lái)啟輝的，每啟動(dòng)一次，氧化物就消耗一些，如果消耗盡，日光燈就不能點(diǎn)亮而報(bào)廢了。過(guò)于精細(xì)的</p><p>　　2.1.2產(chǎn)品選型應(yīng)該注意的事項(xiàng)</p><p>　　(1) 照度的控制精度要準(zhǔn)確</p><p&

41、gt;　　教室照明節(jié)能不同于其它領(lǐng)域和場(chǎng)合的節(jié)電，最重要的就是要保證照度的控制精度。因?yàn)閷W(xué)生要長(zhǎng)期在教室學(xué)習(xí)，不正常的光照度不僅影響學(xué)習(xí)效果，而且還關(guān)系到他們的身體健康。那種不顧學(xué)生視力健康的節(jié)電措施是不可取的，也是和大學(xué)的學(xué)習(xí)氛圍不相稱的。因此，要把照度控制精度作為頭等指標(biāo)來(lái)考慮。首先，從器件方面來(lái)說(shuō)，光電管由于價(jià)格便宜，在許多光控場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。但是由于存在其阻值隨照度變化的非線性，阻值間的離散性和溫度特性的不確定性等缺點(diǎn)，決定它

42、只能用于樓道、走廊和衛(wèi)生間等對(duì)照度要求不高的場(chǎng)合使用。在教室的光控中使用是不合適的，根本難以達(dá)到國(guó)標(biāo)規(guī)定的±10%的照度控制要求。為了降低成本采用了光電管作為光控元件，這是以犧牲學(xué)生視力為代價(jià)的節(jié)能，是不可取的。為提高照度檢測(cè)精確度，首先要選擇光照度線性度好、性能穩(wěn)定、一致性好、溫度特性小的優(yōu)質(zhì)器件。同時(shí)采用視覺校正、溫度補(bǔ)償、抗干擾等技術(shù)處理。確保照度值線性，能夠在使用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和設(shè)置參數(shù)。優(yōu)先選用可編程的數(shù)字型照度控制器。&

43、lt;/p><p>　　(2) 人體感應(yīng)控制器必須選用照度優(yōu)先、準(zhǔn)靜態(tài)檢測(cè)型</p><p>　　紅外人體感應(yīng)（PIR）是一種人體運(yùn)動(dòng)傳感器，它的輸出與人體運(yùn)動(dòng)幅度成正比。由于學(xué)習(xí)時(shí)人員動(dòng)作幅度較小，尤其在自習(xí)時(shí)、人少時(shí)更是如此，如果不采取特殊的處理方法，是很難檢測(cè)出來(lái)的。若人體檢測(cè)精度不高，極易造成漏檢或錯(cuò)檢而關(guān)燈，影響學(xué)生學(xué)習(xí)和燈管壽命。</p><p>　　在人體

44、感應(yīng)控制器中，有人體感應(yīng)優(yōu)先和照度優(yōu)先兩種控制方式?，F(xiàn)有的人體感應(yīng)檢測(cè)集成電路采用的都是人體感應(yīng)優(yōu)先型，即先進(jìn)行人體檢測(cè)，檢測(cè)到人體存在時(shí)，再去檢測(cè)照度值是否滿足要求，如不滿足則開啟燈具，在這之后的整個(gè)開啟段內(nèi)就不再檢測(cè)照度了，即使照度滿足要求了，燈具也不會(huì)關(guān)閉。直至人員離開，檢測(cè)不到人體存在的信號(hào)了，再關(guān)閉燈具。這種控制方式是為走廊等燈具的控制而設(shè)計(jì)的，用以克服開燈后可能存在的光反饋造成的不穩(wěn)定。直接將這種集成電路移植用于教室的燈控，

45、顯然是不合適的。主要問(wèn)題是白天時(shí)一旦燈具開啟，而一直有人存在時(shí)，燈具將不會(huì)關(guān)閉，造成不必要的浪費(fèi)。另一種是照度優(yōu)先型，即照度檢測(cè)和人體檢測(cè)同時(shí)進(jìn)行，而照度控制優(yōu)先于人體檢測(cè)，一旦照度滿足要求，不管是否存在人員，都會(huì)關(guān)閉燈具，這樣就可以克服上述的問(wèn)題。是完全與教室節(jié)能相適應(yīng)的一種控制方式。這兩種控制方式的鑒別方法很簡(jiǎn)單，就是白天在照度滿足要求的情況下，用手擋住控制器鏡頭，使燈具開啟。手離開后人體在控制范圍內(nèi)動(dòng)作，如果燈一直點(diǎn)亮，就是人體感

46、應(yīng)優(yōu)先型，否則就是照度優(yōu)先型。</p><p>　　由于人體感應(yīng)集成電路是為運(yùn)動(dòng)的人體檢測(cè)所設(shè)計(jì)的，對(duì)運(yùn)動(dòng)量很小的靜止人員的檢測(cè)精度較低，簡(jiǎn)單地移植到教室燈控上，只是將檢測(cè)延時(shí)加長(zhǎng)，以彌補(bǔ)檢測(cè)精度不高的問(wèn)題。但缺點(diǎn)依然沒有得到有效克服，很容易造成燈具的頻繁啟停，不但影響學(xué)習(xí)，而且加速燈具的老化，嚴(yán)重影響節(jié)能的經(jīng)濟(jì)效益。這個(gè)問(wèn)題只有采用針對(duì)教室燈控的專門設(shè)計(jì)的“準(zhǔn)靜態(tài)”檢測(cè)技術(shù)，才能得到較好地解決[3]。因此，在采

47、用人體感應(yīng)控制器時(shí)，應(yīng)該采用照度優(yōu)先控制，同時(shí)采用準(zhǔn)靜態(tài)人體檢測(cè)型的控制器，才能真正滿足教室照明節(jié)能的要求。同時(shí)盡量采用大范圍控制區(qū)域方式，以保證夜晚人少時(shí)的光照度值，也降低總投資額。</p><p>　　節(jié)能工作是一件功在當(dāng)代，利在千秋的事業(yè)。高校擔(dān)負(fù)著教書育人的重要使命，它的節(jié)能工作，不但可以為學(xué)校節(jié)省下一筆不菲的資金，而且更重要的是培養(yǎng)了學(xué)生的節(jié)約意識(shí)和認(rèn)知。才能擔(dān)負(fù)起應(yīng)有的歷史使命，成為建設(shè)“節(jié)約型社會(huì)”

48、的生力軍。高校節(jié)能工作大有可為。</p><p>　　2.2教室光照節(jié)能系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)</p><p>　　對(duì)于一些照明時(shí)間較長(zhǎng)，照明設(shè)備較多的場(chǎng)所（如學(xué)校教室，商場(chǎng)等），其照明系統(tǒng)的使用浪費(fèi)現(xiàn)象屢見不鮮。由于缺乏科學(xué)管理和管理人員的責(zé)任人員的責(zé)任心不強(qiáng)，有時(shí)借助外界環(huán)境你能正常工作和夜晚室內(nèi)空無(wú)一人時(shí)，整個(gè)房間內(nèi)也是燈火通明。這樣下來(lái)，無(wú)形中浪費(fèi)的電能是非常驚人的。據(jù)測(cè)算，這種現(xiàn)象的耗

49、電占其單位所有耗電的40%左右參考。因此，有必要在保證照明質(zhì)量的前提下，實(shí)施照明節(jié)能措施。這不僅可以節(jié)約能源，而且會(huì)產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益。故設(shè)計(jì)了教室光照節(jié)能系統(tǒng)，以達(dá)到高校教室用電設(shè)備的合理使用，節(jié)約電能以及改善教學(xué)管理的目的。</p><p>　　目前，高校教學(xué)樓照明用電的管理一般有三種模式：一是無(wú)專人管理，由學(xué)生自行控制開啟與關(guān)閉；二是利用定時(shí)開關(guān)，根據(jù)作息時(shí)間開啟和關(guān)閉整個(gè)教學(xué)樓的照明電源；三是由專人負(fù)責(zé)，

50、即管理人員根據(jù)作息時(shí)間和天氣情況分層送電。由于大多數(shù)人的節(jié)能意識(shí)淡薄，并且強(qiáng)光下人的眼睛對(duì)弱光不敏感，在自然光照大于燈具光照的情況下，難以覺察到燈光的存在，因此，在白天自然光很強(qiáng)的情況下，教室內(nèi)的長(zhǎng)明燈仍到處可見。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)：80％的教學(xué)樓存在著在白天光照良好的情況下教室燈具開啟和在午休時(shí)間長(zhǎng)明燈的現(xiàn)象[4]。一個(gè)教室的長(zhǎng)明燈，看起來(lái)耗能不大，但從整個(gè)學(xué)校來(lái)看，卻是一個(gè)不小的數(shù)字，這是一種極大的浪費(fèi)。造成電能浪費(fèi)的現(xiàn)象除了節(jié)能意識(shí)薄

51、弱以外，另一個(gè)重要的原因就是節(jié)能的硬件設(shè)施跟不上。為此，根據(jù)學(xué)校的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)與實(shí)施教室照明節(jié)能控制系統(tǒng)，在白天光線達(dá)到一定照度時(shí)，教室內(nèi)照明燈自動(dòng)關(guān)閉，室內(nèi)照度下降到一定程度時(shí)自動(dòng)開啟照明燈，在充分保證教室照度的前提下，達(dá)到節(jié)能的目的。</p><p>　　本設(shè)計(jì)教室光照系統(tǒng)采用了較為先進(jìn)的電力電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)以及上位機(jī)的監(jiān)控、控制的集散控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要由光照檢測(cè)電路、熱釋電紅外傳感器

52、及處理電路、單片機(jī)系統(tǒng)及控制電路、RS485網(wǎng)絡(luò)和PC端RS232-RS485轉(zhuǎn)換器以及PC機(jī)軟件平臺(tái)組成。其教室光照節(jié)能系統(tǒng)的整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 教室光照節(jié)能系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　采用一光敏電阻為核心構(gòu)成的光電探測(cè)組件測(cè)量光照度，根據(jù)光敏電阻的電阻在較大范圍內(nèi)與光照強(qiáng)度的關(guān)系再通過(guò)光照補(bǔ)償?shù)靡跃€性關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的光照強(qiáng)的模擬量

53、輸出和較高的精度，然后，通過(guò)ADC0832轉(zhuǎn)換為數(shù)字量將光照強(qiáng)度信息送至單片機(jī)，并根據(jù)外界光照強(qiáng)度優(yōu)先級(jí)的調(diào)節(jié)教室照明燈具的開啟和關(guān)斷，可有效的改善照明的質(zhì)量。</p><p>　　通過(guò)熱釋電紅外探測(cè)組件模塊采集教室內(nèi)人數(shù)信息，在此，設(shè)計(jì)中使用的是外部中斷的方式對(duì)熱釋電紅外探測(cè)組件采集的人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)合上面的光照強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果，該系統(tǒng)設(shè)置了以下的智能控制策略：當(dāng)光照度<X1 LX，由于光照度低為保證對(duì)用眼

54、的安全性進(jìn)行如下參數(shù)設(shè)置，教室無(wú)人時(shí)，關(guān)閉整個(gè)教室燈具；教室人數(shù)<=5人時(shí)，開啟第一、二排燈具；教師人數(shù)>6時(shí)，全部開啟所有燈具，以滿足國(guó)家教學(xué)光照度標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)x1 lx<=光照度<x2 lx,教室無(wú)人時(shí)，關(guān)閉所有照明燈具；教室人數(shù)<=15人時(shí)，開啟第一排燈具；15<教室人數(shù)<=25人時(shí)，開啟第一、二排燈具；教師人數(shù)>25時(shí)，全部開啟所有燈具。當(dāng)光照度>X2 LX，所有燈具不打開。X1

55、,X2的取值可根據(jù)平均照度的公式計(jì)算：</p><p>　　E=Φ×N×U×K／A (2-1)</p><p>　　式中：Φ一光源的光通量；N一燈具數(shù)；U一燈具的利用系數(shù)；K一維護(hù)系數(shù)；A一室內(nèi)面積，單位m2</p><p>　　總系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)思想為：監(jiān)控PC機(jī)和教室級(jí)控制單片機(jī)組成一個(gè)分布式控制

56、光照節(jié)能系統(tǒng),各個(gè)教室級(jí)控制單片機(jī)都是獨(dú)立的控制單元,并采用上述的控制策略對(duì)教室用電情況加以控制，同時(shí)可以接收監(jiān)控PC機(jī)發(fā)來(lái)的控制指令。系統(tǒng)分自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種模式,當(dāng)監(jiān)控PC機(jī)通過(guò)RS—485總線下發(fā)自動(dòng)控制命令后,單片機(jī)開始采集外部光照數(shù)據(jù),經(jīng)處理分析后輸出調(diào)光控制信息。在經(jīng)過(guò)輸出執(zhí)行器控制教室照明燈具。當(dāng)遠(yuǎn)程控制出現(xiàn)異常時(shí),設(shè)置有獨(dú)立的手動(dòng)控制回路,可以通過(guò)手動(dòng)方式來(lái)控制照明。</p><p>　　第三

57、章 教室光照節(jié)能系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　教室檢測(cè)控制單元是教室光照控制系統(tǒng)中重要的部分之一，一方面，教室檢測(cè)控制單元具有對(duì)教室內(nèi)數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)等功能，并響應(yīng)樓層顯示控制單元通訊查詢的命令，另一方面，教室檢測(cè)控制單元根據(jù)樓層顯示控制單元和中央計(jì)算機(jī)單元的具體要求控制照明燈等用電設(shè)備。圖3.1是教室光照節(jié)能系統(tǒng)教室控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖。</p><p>　　圖3.1 教室光照節(jié)

58、能系統(tǒng)教室控制器硬件結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　3.1單片機(jī)的選擇</b></p><p>　　目前較為流行的單片機(jī)有AVR和51單片機(jī)，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能需求及成本考慮，51單片機(jī)性價(jià)比更高。STC89C52是8k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，512 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中

59、斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器[4]。中心控制模塊采用STC89C52單片機(jī)以完全滿足設(shè)計(jì)需要，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)控制，而且允許在系統(tǒng)內(nèi)改寫或用編程器編程，使用高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容，整個(gè)STC系列單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 STC系列單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖</p>

60、<p>　　核心器件STC89C52擁有40個(gè)引腳，其引腳圖如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 STC89C52引腳圖</p><p>　　在引腳圖上沒畫出VCC和GND，實(shí)際上VCC和GND在芯片上已經(jīng)給出。</p><p>　　此引腳圖只顯示38條引腳中，而VCC和GND是專用于主電源的引腳，GND：接地；VCC：正常操作時(shí)接+5V電源。

61、在38條引腳中，2條外界晶體的引腳，4條控制引腳，3條I/O引腳，下面分別敘述主要的引腳的功能。</p><p>　　(1)外界晶體引腳XTAL1和XTAL2</p><p>　　當(dāng)外界晶體振蕩時(shí)，XTAL1和XTAL2分別接外接晶體的兩端；當(dāng)采用外部時(shí)鐘時(shí)，XTAL1接地，XTAL2接外來(lái)振蕩信號(hào)。</p><p>　　(2)控制引腳RET、ALE/P、PSEN、

62、EA/VPP</p><p>　　RET引腳是復(fù)位信號(hào)引腳。當(dāng)89C52通電時(shí)，在RET引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。</p><p>　　ALE/P是地址鎖存允許/編程引腳。當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)，以便P0口實(shí)現(xiàn)地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。當(dāng)不訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，ALE端將輸出一個(gè)1/6時(shí)鐘頻率的正脈沖信號(hào)。</p><p

63、>　　ALE/P是復(fù)用引腳，其第二功能是對(duì)EPROM型芯片(如8751)進(jìn)行編程和校驗(yàn)時(shí)，此引腳傳送52ms寬的負(fù)脈沖選通信號(hào)，程序計(jì)數(shù)器的16位地址數(shù)據(jù)出現(xiàn)在P0和P2口上，外部程序存儲(chǔ)器則把指令碼放到P0口上，有CPU讀入并執(zhí)行。</p><p>　　PSEN為程序存儲(chǔ)器選擇端，接高電平，程序從內(nèi)部執(zhí)行，就是單片機(jī)內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器有效；接低電平，程序從外面擴(kuò)展的ROM開始執(zhí)行。</p>&

64、lt;p>　　EA/VPP為訪問(wèn)片外程序存儲(chǔ)器/編程電源引腳。片內(nèi)無(wú)程序存儲(chǔ)器的MCS-51單片機(jī)(如8031)必須接地。片內(nèi)有程序存儲(chǔ)器的MCS-51單片機(jī)(如8051)必須接高電平。EA/VPP是復(fù)用引腳，其第二功能是作為片內(nèi)EPROM編程/校時(shí)時(shí)的電源線，在編程時(shí)，VPP引腳需加上21V的編程電壓。</p><p>　　3.2熱釋紅外探測(cè)組件設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2.1

65、熱釋電紅外傳感器的原理特性</p><p>　　熱釋電紅外傳感器和熱電偶都是基于熱電效應(yīng)原理的熱電型紅外傳感器。不同的是熱釋電紅外傳感器的熱電系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熱電偶，其內(nèi)部的熱電元由高熱電系數(shù)的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成，其極化隨溫度的變化而變化。所謂熱電效應(yīng)就是：當(dāng)一些晶體受熱時(shí)，在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷，這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象，被稱為熱釋電效應(yīng)。通常，晶體

66、自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被來(lái)自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化電矩不能表現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)溫度變化時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)中的正負(fù)電荷重心相對(duì)移位，自發(fā)極化發(fā)生變化，晶體表面就會(huì)產(chǎn)生電荷耗盡，電荷耗盡的狀況正比于極化程度，熱釋電效應(yīng)形成的原理如圖3.4所示。</p><p>　　圖3.4 熱釋電效應(yīng)原理</p><p>　　能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱之為熱釋電體或熱釋電元件，其常用的材料有單晶（

67、LiTaO3等）、壓電陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）。熱釋電傳感器利用的正是熱釋電效應(yīng)，是一種溫度敏感傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，元件兩個(gè)表面做成電極，當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)溫度有ΔT的變化時(shí)，熱釋電效應(yīng)會(huì)在兩個(gè)電極上會(huì)產(chǎn)生電荷ΔQ，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱電壓ΔV。由于它的輸出阻抗極高，所以傳感器中有一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷ΔQ會(huì)跟空氣中的離子所結(jié)合而消失，當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時(shí)，ΔT=0，

68、傳感器無(wú)輸出。當(dāng)人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)時(shí)，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生ΔT，則有信號(hào)輸出；若人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)后不動(dòng)，則溫度沒有變化，傳感器也沒有輸出，所以這種傳感器能檢測(cè)人體或者動(dòng)物的活動(dòng)[5]。熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路如圖3.5所示。</p><p>　　圖3.5 熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路</p><p>　　傳感器主要有外殼、濾光片、熱釋電元件PZT、場(chǎng)效應(yīng)管FET等組成。其

69、中，濾光片設(shè)置在窗口處，組成紅外線通過(guò)的窗口。濾光片為6mm多層膜干涉濾光片，對(duì)太陽(yáng)光和熒光燈光的短波長(zhǎng)（約5mm以下）可很好濾除。熱釋電元件PZT將波長(zhǎng)在8mm～12mm之間的紅外信號(hào)的微弱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，為了只對(duì)人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲涅耳濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的抑制作用。菲涅耳透鏡（圖3.6）根據(jù)菲涅耳原理制成，把紅外光線分成可見區(qū)和盲區(qū)，同時(shí)又有聚焦的作用，使熱釋電人體紅外傳感器 （PIR）

70、靈敏度大大增加[6]。菲涅耳透鏡折射式和反射式兩種形式，其作用一是聚焦作用，將熱釋的紅外信號(hào)折射（反射）在PIR上；二是將檢測(cè)區(qū)內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入檢測(cè)區(qū)的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號(hào)，這樣PIR就能產(chǎn)生變化電信號(hào)。</p><p>　　圖3.6 菲涅耳透鏡</p><p>　　如果我們?cè)跓犭娫由线m當(dāng)?shù)碾娮?，?dāng)元件受熱時(shí)，電阻上就有電流流過(guò)，在兩端

71、得到電壓信號(hào)。人體輻射的紅外線中心波長(zhǎng)為9~10um，而探測(cè)元件的波長(zhǎng)靈敏度在0.2~20um范圍內(nèi)幾乎穩(wěn)定不變。在傳感器頂端開設(shè)了一個(gè)裝有濾光鏡片的窗口，這個(gè)濾光片可通過(guò)光的波長(zhǎng)范圍為7~10um，正好適合于人體紅外輻射的探測(cè)，采用菲涅耳透鏡組探測(cè)移動(dòng)人體如圖3.7所示，而對(duì)其它波長(zhǎng)的紅外線由濾光片予以吸收，這樣便形成了一種專門用作探測(cè)人體輻射的紅外線傳感器[7]。</p><p>　　圖3.7 菲涅耳透鏡組探

72、測(cè)移動(dòng)人體</p><p>　　3.2.2熱釋電紅外探測(cè)組件和信號(hào)處理</p><p>　　熱釋電紅外傳感器能以非接觸形式檢測(cè)出人體輻射的紅外線，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。熱釋電傳感器具有成本低，不需要用紅外線或電磁波等發(fā)射源，靈敏度高，可流動(dòng)安裝等特點(diǎn)。實(shí)際使用時(shí)，在熱釋電傳感器前安裝菲捏尓透鏡，這樣可大大提高接收靈敏度，增加檢測(cè)距離及范圍。實(shí)驗(yàn)證明，熱釋電紅外傳感器若不加菲捏尓透鏡，則其檢

73、測(cè)距離僅2M左右；而配上菲捏尓透鏡后，其檢測(cè)距離可增加到10M以上。由于熱釋電傳感器輸出的信號(hào)變化緩慢，幅度小（小于1mv），不能直接作為照明系統(tǒng)的控制信號(hào)，因此傳感器的輸出信號(hào)必須經(jīng)過(guò)一個(gè)專門的信號(hào)處理電路，使得傳感器輸出信號(hào)的不規(guī)則波形轉(zhuǎn)變成適合單片機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)。根據(jù)以上要求，人體熱釋電檢測(cè)電路組成框圖如圖3.8所示。</p><p>　　圖3.8 人體熱釋電檢測(cè)電路組成框圖</p><

74、;p>　　本設(shè)計(jì)采用BIS0001來(lái)完成對(duì)熱釋電傳感器輸出信號(hào)的處理。BIS0001是一款具有較高性能的熱釋電傳感器信號(hào)處理集成電路，它主要由運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器以及封鎖時(shí)間定時(shí)器等構(gòu)成[8]。由BIS0001構(gòu)成的信號(hào)處理電路如圖3.9所示。熱釋電傳感器S極輸出信號(hào)送入BIS0001的14腳，經(jīng)內(nèi)部第一級(jí)運(yùn)算放大器放大后，由C。耦合從12腳輸入至內(nèi)部第二級(jí)運(yùn)算放大器放大，再經(jīng)電壓比較器構(gòu)成的鑒幅器處

75、理后，檢出有效觸發(fā)信號(hào)去啟動(dòng)延遲時(shí)間定時(shí)器，最后從12腳輸出信號(hào)(V。)送人單片機(jī)進(jìn)行照明控制[9]。實(shí)驗(yàn)所得，當(dāng)傳感器檢測(cè)室內(nèi)有人時(shí)，V。為4 V；無(wú)人時(shí)0V 。</p><p>　　圖3.9 信號(hào)處理電路</p><p>　　BIS0001的1腳接高電平，使芯片處于可重復(fù)觸發(fā)工作方式。輸出V。(高電平)的延遲時(shí)間T由外部R和C的大小調(diào)整；觸發(fā)封鎖時(shí)間T。由外部R。和電容C。的大小調(diào)整。

76、</p><p>　　3.3可見光探測(cè)組件設(shè)計(jì)</p><p>　　3.3.1可見光探測(cè)選型</p><p>　　通過(guò)對(duì)光電管、光敏電阻等光電探測(cè)器的各種性能進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)光敏電阻的光譜響應(yīng)峰值比較接近人的視覺敏感區(qū)555mm波長(zhǎng)；其次是當(dāng)光照強(qiáng)度減弱時(shí)，它的響應(yīng)時(shí)間相對(duì)增加，這對(duì)本套裝置在光照強(qiáng)度變化時(shí)，輸出狀態(tài)保持相對(duì)穩(wěn)定十分重要。</p><

77、;p>　　3.3.2光敏電阻主要性能及處理電路</p><p>　　光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器；入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測(cè)量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。常用的光敏電阻器硫化鎘光敏電阻器，它是由半導(dǎo)體材料制成的。光敏電阻器的阻值隨入射光線（可見光）的強(qiáng)弱變化而變化，在黑暗條件下，它的阻值（暗阻）可達(dá)1

78、~10M歐,在強(qiáng)光條件（100LX）下，它阻值（亮阻）僅有幾百至數(shù)千歐姆。光敏電阻器對(duì)光的敏感性（即光譜特性）與人眼對(duì)可見光（0.4~0.76）μm的響應(yīng)很接近，只要人眼可感受的光，都會(huì)引起它的阻值變化。設(shè)計(jì)光控電路時(shí)，都用白熾燈泡（小電珠）光線或自然光線作控制光源，使設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化，而光敏電阻的主要參數(shù)是：</p><p>　?。?）光電流、亮電阻。光敏電阻器在一定的外加電壓下，當(dāng)有光照射時(shí)，流過(guò)的電流稱為光電流

79、，外加電壓與光電流之比稱為亮電阻，常用“100LX”表示。</p><p>　?。?）暗電流、暗電阻。光敏電阻在一定的外加電壓下，當(dāng)沒有光照射的時(shí)候，流過(guò)的電流稱為暗電流。外加電壓與暗電流之比稱為暗電阻，常用“0LX”表示。</p><p>　?。?）靈敏度。靈敏度是指光敏電阻不受光照射時(shí)的電阻值（暗電阻）與受光照射時(shí)的電阻值（亮電阻）的相對(duì)變化值[10]。用不同的材料制成的光敏電阻有著不

80、同的光譜特性，見圖3.10光敏電阻的光譜特性曲線。當(dāng)不同波長(zhǎng)的入射光照到光敏電阻的光敏面上，光敏電阻就有不同的靈敏度。</p><p>　　圖3.10 光敏電阻的光譜特性曲線</p><p>　?。?）光敏電阻的光電特性：</p><p>　　在一定的電壓作用下，光敏電阻的光電流與照射光通量的關(guān)系為圖3.11所示。</p><p>　　圖3.

81、11 光電流與照射光通量的關(guān)系</p><p>　　光敏電阻的工作原理：光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻，為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導(dǎo)體。通常采用涂敷、噴涂、燒結(jié)等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體 及梳狀歐姆電極，接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi)，以免受潮影

82、響其靈敏度。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當(dāng)受到光照時(shí)，只要光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價(jià)帶中的電子吸收一個(gè)光子的能量后可躍遷到導(dǎo)帶，并在價(jià)帶中產(chǎn)生一個(gè)帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)了半導(dǎo)體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強(qiáng)，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)將復(fù)合，光敏電阻的阻值也就恢復(fù)原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過(guò)，受到波長(zhǎng)的光線照

83、射時(shí)，電流就會(huì)隨光強(qiáng)的而變大，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓，也加交流電壓。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少，光敏電阻工作原理如圖3</p><p>　　圖3.12 光敏電阻工作原理</p><p>　　可見光探測(cè)組件接口電路：系統(tǒng)選用光敏電阻來(lái)檢測(cè)教室的光照強(qiáng)度，其電路原理如圖3.13所示，考慮到光敏電阻對(duì)溫度變化較為敏感，

84、偏置電路中的電阻可以采用與探測(cè)元件溫變系數(shù)相近的光敏電阻，以防止工作點(diǎn)漂移，保證輸出的穩(wěn)定性。當(dāng)教室光照度達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，光敏電阻呈現(xiàn)低阻狀態(tài)(≤1K)，輸出高電平；當(dāng)光照度減弱到一定程度，光敏電阻呈現(xiàn)高阻狀態(tài)(>5M)，此時(shí)光敏電阻的分壓增加，輸出低電平．如果把以上信號(hào)接到ADC0832上，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換把光照度的模擬量轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以接收的數(shù)字量輸送給單片機(jī)檢測(cè)，就可以按預(yù)定算法對(duì)教室燈光完成自動(dòng)控制。</p>&

85、lt;p>　　圖3.13 可見光探測(cè)組件接口電路</p><p>　　3.4光照采樣保持器設(shè)計(jì)</p><p>　　3.4.1 A/D轉(zhuǎn)換器原理 </p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器是用來(lái)通過(guò)一定的電路將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量。模擬量可以是電壓、電流等電信號(hào)，也可以是壓力、溫度、濕度、位移、聲音等非電信號(hào)。但在A/D轉(zhuǎn)換前，輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)必須經(jīng)各種傳感

86、器把各種物理量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換后，輸出的數(shù)字信號(hào)可以有8位、10位、12位和16位等。</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理，   主要介紹以下三種方法：</p><p><b>　　逐次逼近法 </b></p><p><b>　　雙積分法</b></p><p&g

87、t;<b>　　電壓頻率轉(zhuǎn)換法</b></p><p><b>　　逐次逼近法</b></p><p>　　逐次逼近式A/D是比較常見的一種A/D轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換的時(shí)間為微秒級(jí)。采用逐次逼近法的A/D轉(zhuǎn)換器是由一個(gè)比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、緩沖寄存器及控制邏輯電路組成，如圖3.14所示?；驹硎菑母呶坏降臀恢鹞辉囂奖容^，好像用天平稱物體，從重到輕逐級(jí)

88、增減砝碼進(jìn)行試探。</p><p>　　圖3.14 逐次逼近法AD轉(zhuǎn)換原理框圖</p><p><b>　　雙積分法</b></p><p>　　采用雙積分法的A/D轉(zhuǎn)換器由電子開關(guān)、積分器、比較器和控制邏輯等部件組成，如圖3.15所示?；驹硎菍⑤斎腚妷鹤儞Q成與其平均值成正比的時(shí)間間隔，再把此時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，屬于間接轉(zhuǎn)換。</p

89、><p>　　圖3.15 雙積分AD轉(zhuǎn)換原理框圖</p><p><b>　　電壓頻率轉(zhuǎn)換法</b></p><p>　　采用電壓頻率轉(zhuǎn)換法的A/D轉(zhuǎn)換器，由計(jì)數(shù)器、控制門及一個(gè)具有恒定時(shí)間的時(shí)鐘門控制信號(hào)組成，如圖3.16所示。它的工作原理是Ｖ/F轉(zhuǎn)換電路把輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與模擬電壓成正比的脈沖信號(hào)。</p><p>

90、　　圖3.16電壓頻率式A/D轉(zhuǎn)換原理框</p><p>　　3.4.2 ADC0832的主要性能</p><p>　　ADC0832 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8 位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，兼容性強(qiáng)，性價(jià)比高而深受單片機(jī)愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。學(xué)習(xí)并使用ADC0832 可是使我們了解A/D轉(zhuǎn)換器的原理，有助于我們單片機(jī)技術(shù)水平的提高。</

91、p><p>　　ADC0832 具有以下特點(diǎn)：</p><p><b>　　· 8位分辨率；</b></p><p>　　· 雙通道A/D轉(zhuǎn)換；</p><p>　　· 輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容；</p><p>　　· 5V電源供電時(shí)輸入電壓在0~

92、5V之間；</p><p>　　· 工作頻率為250KHZ，轉(zhuǎn)換時(shí)間為32μS；</p><p>　　· 一般功耗僅為15mW；</p><p>　　單片機(jī)對(duì)ADC0832的控制原理：</p><p>　　正常情況下ADC0832與單片機(jī)的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時(shí)有效

93、并與單片機(jī)的接口是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將DO和DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。</p><p>　　當(dāng)ADC0832未工作時(shí)其CS輸入端應(yīng)為高電平，此時(shí)芯片禁用，CLK和DO/DI的電平可任意，當(dāng)要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束[11]。此時(shí)芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘輸入端CLK輸入時(shí)鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號(hào)。在第1個(gè)

94、時(shí)鐘脈沖的下降之前DI端必須是高電平，表示啟始信號(hào)。在第2,3個(gè)脈沖下降之前DI端應(yīng)輸入2位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能，其功能項(xiàng)見表3.1。</p><p>　　表3.1 選擇模擬輸入通道信號(hào)</p><p>　　如表3.1所示，當(dāng)此2 位數(shù)據(jù)為“1”、“0”時(shí)，只對(duì)CH0 進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)2位數(shù)據(jù)為“1”、“1”時(shí)，只對(duì)CH1進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)2 位數(shù)據(jù)為“0”、 “0”時(shí)，將CH0作為正

95、輸入端IN+，CH1作為負(fù)輸入端IN-進(jìn)行輸入。當(dāng)2 位數(shù)據(jù)為“0”、“1”時(shí)，將CH0作為負(fù)輸入端IN-，CH1 作為正輸入端IN+進(jìn)行輸入。到第3 個(gè)脈沖的下沉之后DI端的輸入電平就失去輸入作用，此后DO/DI端則開始利用數(shù)據(jù)輸出DO進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。從第4個(gè)脈沖下沉開始由DO端輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高位DATA7，隨后每一個(gè)脈沖下沉DO端輸出下一位數(shù)據(jù)。直到第11個(gè)脈沖時(shí)發(fā)出最低位數(shù)據(jù)DATA0，一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。也正是從此位開始

96、輸出下一個(gè)相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第11個(gè)字節(jié)的下沉輸出DATD0。隨后輸出8位數(shù)據(jù)，到第19 個(gè)脈沖時(shí)數(shù)據(jù)輸出完成，也標(biāo)志著一次A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束。最后將CS置高電平禁用芯片。直接將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其時(shí)序如圖3.17所示。</p><p>　　圖3.17 ADC0832時(shí)序圖</p><p>　　ADCO0832與單片機(jī)的接口電路如圖3.18所示：</p><p>

97、　　圖3.18 ADC0832與單片機(jī)接口電路</p><p>　　3.5人機(jī)接口電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.5.1 鍵盤接口模塊</p><p>　　系統(tǒng)采用了4鍵輸入以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的設(shè)定，有在手動(dòng)自動(dòng)切換、手動(dòng)控制調(diào)整。鍵盤連接直接采用了每個(gè)按鍵占用一個(gè)端口的形式，如圖3.19所示。因?yàn)镻1口是帶內(nèi)部上拉電阻的，所以直接連接即可。鍵盤的讀取采用掃

98、描的形式，當(dāng)檢測(cè)到有按鍵按下時(shí)，消抖動(dòng)后進(jìn)行鍵值判斷。</p><p>　　圖3.19 鍵盤輸入電路連接原理圖</p><p>　　3.5.2 LCD顯示模塊</p><p>　　LCD1602可以在LCD顯示屏上完整顯示32個(gè)英文字符和日文等一些字符，適合顯示英文文字信息量較小的地方。</p><p>　　在日常生活中，我們對(duì)液晶顯示器并不

99、陌生。液晶顯示模塊已作為很多電子產(chǎn)品的通過(guò)器件，如在計(jì)算器、萬(wàn)用表、電子表及很多家用電子產(chǎn)品中都可以看到，顯示的主要是數(shù)字、專用符號(hào)和圖形。在單片機(jī)的人機(jī)交流界面中，一般的輸出方式有以下幾種：發(fā)光管、LED數(shù)碼管、液晶顯示器。發(fā)光管和LED數(shù)碼管比較常用，軟硬件都比較簡(jiǎn)單。液晶顯示器不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清新可見，而且省電也容易控制。本次設(shè)計(jì)應(yīng)用字符型液晶顯示器來(lái)顯示信息。</p><p>　　(1)液晶顯示模塊概述<

100、;/p><p>　　字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等點(diǎn)陣式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模塊。1602LCD分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780。液晶顯示器作為輸出器件有顯示質(zhì)量高、數(shù)字式接口、體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過(guò)電壓對(duì)其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示

101、，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動(dòng)、易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的特點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電腦、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、PDA移動(dòng)通信工具等眾多領(lǐng)域[12]。液晶顯示的分類方法有很多種，通?？砂雌滹@示方式分為段式、字符式、點(diǎn)陣式等。除了黑白顯示外，液晶顯示器還有多灰度有彩色顯示等。如果根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式來(lái)分，可以分為靜態(tài)驅(qū)動(dòng)(Static)、單純矩陣驅(qū)動(dòng)(Simple Matrix)和主動(dòng)矩陣驅(qū)動(dòng)(Active Ma

102、trix)三種。</p><p>　　1602LCD主要技術(shù)參數(shù)：</p><p>　　顯示容量:16×2個(gè)字符</p><p>　　芯片工作電壓:4.5—5.5V</p><p>　　工作電流:2.0mA(5.0V)</p><p>　　模塊最佳工作電壓:5.0V</p><p>　

103、　字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm</p><p>　　工作溫度(Ta)：0~60度(常溫)/-20~75度(寬溫)</p><p><b>　　(2)引腳功能說(shuō)明</b></p><p>　　1602LCD采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳(無(wú)背光)或16腳(帶背光)接口，各引腳接口說(shuō)明如表3.2所示。</p>&l

104、t;p>　　表3.2 引腳接口說(shuō)明表</p><p>　　VL為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度。RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。R/W為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平R/W為高電平時(shí)

105、可以讀忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線[8]。液晶顯示外圍電路原理如圖3.20所示。</p><p>　　圖3.20 液晶顯示外圍電路原理圖</p><p><b>　　3.6通信模塊設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.6.1 RS-2

106、32接口設(shè)計(jì)</p><p>　　計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)與終端之間或者單片機(jī)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳送可以采用串行通訊和并行通訊二種方式。由于串行通訊方式具有使用線路少、成本低，特別是在遠(yuǎn)程傳輸時(shí)，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。 在串行通訊時(shí)，要求通訊雙方都采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，使不同的設(shè)備可以方便地連接起來(lái)進(jìn)行通訊。 RS-232-C接口（又稱 EIA RS-232-C）是