电气设计自动化论文-教室灯光智能控制系统设计论文

I 本科毕业论文（设计）本科毕业论文（设计） (2015(2015 届届) ) 教室灯光智能控制系统 院 系 电子信息工程学院 专 业 电气工程及其自动化 姓 名 指导教师 助教 年 5 月 学号： - 2 - 摘摘 要要 随着我国经济的高速发展，能源消耗的节奏也越来越快。电力资源 已经成为一种稀缺资源。如何节能降耗已然成为近几年来值得研究的热 门话题。 在本文中，我们研究的教室灯光智能控制系统就是在针对我国城市 巨大的能源消耗而开发的新的节能控制系统。它是一个集电压控制、软 启动功能、智能自动起停于一体的教室灯的控制系统。晶闸管功率转换 单元和智能控制系统的结合是这个控制系统的主要特点。 这里讨论了教室灯光智能控制系统的设计方案与构思，介绍了仪器 的系统设计与工作原理，分析了以AT89C51为主要控制单元的硬件电路的 设计。 实验表明，教室灯光智能控制系统可以明显提高教室灯的功率效率， 在节约能源，电力资源合理利用今天的当今时代，该系统有一个非常广 阔的社会和商业前景。 关键词关键词: :节能控制，单片机，软起动节能控制，单片机，软起动 - 3 - Abstract With the rapid development of the Chinese economy, electric power consumption also rises fleetly. recent years, the rising speed of electric power consumption ishigher than that of economy development remarkably. Electric power resource has become very scanty. Hence, how to economize energy sources and reduce wastage has become a hot problem researched in recent years. The main feature is combining the SCR PowerC onversion and Intelligent Control System modules, the Power modules isolate high-voltage and low-voltage using Substation Converter Reactance, geting the fast winding of Reactor(high-voltage) and street lamp in series, increasing the second winding (low-voltage)in the reactor. The secondary coil ,the SCR and the control systems of fuzzy control algorithms are associateing together, We discuss the concept of the intelligent system of energy-saving and controling street lamp,and introduce the system design of the installation, operation. we detailed analysis connecti the hardware circuit design with a control unit of 89C5l, and its electrical connection. Experiments show that the intelligent system of energy-saving and controlling street lamp can significantly improved the systemstreet lamps electricity eficiency and improve the rata factor in energy. Nowadays,while is conservation and rational utilization of power resources, the device has a very broad social and busincss prospects. KeyWords: Energy-saving and contorling Soft Start - 4 - 目目 录录 1 绪论 .- 1 - 1.1 课题概述.- 1 - 1.1.1 课题的题目 - 1 - 1.1.2 课题研究的背景 - 1 - 1.1.3 课题研究的目的及意义 - 1 - 1.2 课题的国内外研究现状.- 1 - 1.2.1 国外研究现状 - 1 - 1.2.2 国内研究现状 .- 2 - 1.3 论文的主要研究内容.- 2 - 2 系统方案设计 .- 3 - 2.1 智能教室灯节能控制系统的构思 .- 3 - 2.1.1 传统节能方法 .- 3 - 2.1.2 具有智能控制的节能方法 .- 3 - 2.2 智能教室灯节能控制系统方案设计 .- 4 - 2.3 智能教室灯节能控制系统结构设计 .- 6 - 3 硬件设计 .- 8 - 3.1 硬件结构设计 .- 8 - 3.2 光学信号的采集与检测设计.- 9 - 3.2.1 光源检测原理 .- 9 - 3.2.2 检测装置所需器件及选型 .- 9 - 3.3 声学信号的采集与棒测设计 .- 10 - 3.3.1 声学检测原理 .- 10 - 3.3.2 检测装置所需器件及选型 .- 10 - 3.4 功率变换单元与触发控制系统设计 .- 11 - 3.4.1 功率变换单元设计 .- 11 - 3.4.2 触发控制系统设计 .- 11 - 3.5 智能控制器硬件设计 .- 13 - 3.5.1 模数转换电路 .- 13 - 3.5.2 开关量输入/输出电路 .- 14 - 4 系统软件设计 .- 16 - 4.1 软件结构设计 .- 16 - - 5 - 4.2 数据采集与处理程序设计 .- 17 - 4.2.1 标度变换技术 .- 17 - 4.2.2 有效性检查 .- 17 - 4.2.3 数字滤波 .- 18 - 4.2.4 程序设计 .- 18 - 5 总结与展望 - 22- 5.1 论文总结 .- 22 - 5.2 心得体会.- 22 - 致 谢 .- 24 - 参考文献 .- 25 - 附录 .- 26 - - 1 - 1 1 绪论绪论 1.11.1 课题概述课题概述 1.1.11.1.1 课题的题目课题的题目 课题名称：教室灯光智能控制系统研究。 1.1.21.1.2 课题研究的背景课题研究的背景 随着社会的发展，能源问题已成为全世界最关注的问题，能源危机已经成 为人类面临的重大危机，特别是近年来我国电力非常紧张，电力短缺阻碍我们 日常的生产生活，甚至严重影响我国经济发展和社会文明的进步。 在城市照明设计的亮化趋势下，城市景观照明同样耗费着我们的电力资源。 发电企业投资和建设需要较长的一段时间，快速的经济发展需要更充足的电力 供应和消费，电力供需之间矛盾重重。电力供应在短期内很难得到缓解，发展 与节约相结合从而成为经济建设的必然选择。此时，节能照明行业也已经成为 我们的必然选择。 1.1.31.1.3 课题研究的目的及意义课题研究的目的及意义 室内灯光是中国的经济发展和国家建设的必要电力设备，它在我国的总体 用电量中占了巨大的比例，如果通过节能设备有效地控制它们，就可以降低功 率损耗，节约能源，降低生产成本，有利于中国经济的快速发展。 在本文中，我们研究的教室灯光智能控制系统是通过电源功率转换组件， 可以在灯光的起止和运行时，有效地调整教室灯的终端电压，控制灯光的照明 亮度，从而改变灯光在不同时间的能耗，改善功率因数，达到节电的目的。 1.21.2 课题的国内外研究现状课题的国内外研究现状 1.2.11.2.1 国外研究现状国外研究现状 在过去的20年里，美国和日本照明节能重点是紧凑型荧光灯(CFL)的使用 和日光灯镇流器两个方面，这两个国家在新技术取代旧产品的过程中有点不同： 美国在2001年的销售的镇流器中电子的占53%，但日本只有36%。而他们在销售 CFL灯所占的比例中，美国只占3%，日本占15%。这两个国家的省级和地方都在 立法、鼓励和推广活动这三个方面下文章，旨在促进节能产品的广泛使用。 国外的照明节能技术发展拥有以下特点： (1)大力推动绿色照明，根据材料，使用有效的管理规范，出台了一系列 标准和管理要求，将照明节能普遍推广; - 2 - (2) 提高电力设备的性能需求，主要反映在镇流装置的技术的提升。通过 改进镇流器技术提高照明设备的功率因数。 1.2.21.2.2国内研究现状国内研究现状 在我国市场上有各种各样的照明节能控制产品，可以达到一定的节能效果， 但在功能和效果方面不是很理想，主要有以下几种情况： 采用自祸变压器及磁饱和电抗器的降压技术。它的不足是由于反应速度慢， 在用电高峰电压降低时，容易导致灯光闪烁，无法自动调节，在电压突然升高 的情况下，灯具将会无法避免地受到交流电的高压冲击，很难做到对灯具进行 有效的保护，其稳压功能相对而言是比较弱的。针对于磁饱和的电抗器来说， 除去上面的缺点，其效率同样也偏低。 采用了电子器件而构成的可控硅式设备，该设备使用了简单的控制手段， 其缺点在于元件容易发热燃烧，因为其使用的相控技术而产生了谐波，从而污 染了电网，使得日光灯和气体灯闪动，折损灯具寿命，削减照明效果，没有做 到绿色环保，国家有关规定已经禁止了此类无功补偿技术和相关设备的使用。 另外使用系统节电滤波的形式，主要是可以达到净化电网、对无功功率进行补 充、补偿电网的效果，但是其对有功电度表的计量系统而言，则显得缺乏实际 节能效果。 1.31.3 论文的主要研究内容论文的主要研究内容 本文根据国内外最新研究成果，比较了几种常见的教室照明节能控制方法。 讨论了基于可变电抗技术的结构和动力装置的系统结构。详细地描述了教室灯 光智能控制系统的硬件组成结构与电路系统的设计，并使用模糊控制算法设计 控制算法，最后对成果进行了仿真和调试，并分析了实验的整体结构。 本文主要研究的内容有： （1）基于可变电抗技术的功率单兀系统的组成设计； （2）教室灯光智能控制系统的硬件部分设计； （3）教室灯光智能控制系统的仿真和试验研究。 - 3 - 2 2 系统方案设计系统方案设计 2.12.1智能教室灯节能控制系统的构思智能教室灯节能控制系统的构思 2.1.12.1.1传统节能方法传统节能方法 长期以来，大多数的国内教育机构教室照明控制普遍采用传统的控制方法， 主要有如下所示的若干种节能方法： 1，人工手动控制节能：依据上下课的时间安排，专门的工作员来进行手 动的开灯/关灯操作。 2，时间管控节能：在这里时间是仅有的开灯或关灯的根据，无论其它外 在情况怎么变动，都仅仅能够在所规定好了的时间进行开灯或关灯。 3，光学控制节能：根据光线照明的强度度的不同进而对教室的灯的开关 进行控制。 这样的节能办法或多或少的有着各自的不足之处，我国绝大部分的教育机 构的教室灯的开/关灯调控是使用各个变压器或者配电箱分散调控的，尽管教 室灯的运转是有其特殊的控制线路，但其仅有控制的功能而没有办法实施监测。 并且因为无法严格根据室内外的自然光强度来进行调控，造成了实时性较差， 故障频率较高，能源浪费情况严重的后果。此外，传统使用的控制方法需要工 作人员时时在岗，及时地对灯光的开关进行控制，而人工的控制不可避免的会 产生误差，这造成的能源浪费是非常惊人的。例如：若使用定时器的控制方法， 因为四季的时差问题，需要频繁地对定时器进行调节，由夏季至冬季，日出时 刻后退、日落时刻前移；由冬季至夏季，日出时刻前移、日落时刻推迟，据此 气候原因，要求教室根据日出日落的时间调整照明灯的开与关。所以不仅造成 了人力资源的大量消耗，也可能是由于调整的不及时导致浪费。 2.1.22.1.2具有智能控制的节能方法具有智能控制的节能方法 这种节能的方式是通过智能控制器控制动力装置，然后操纵变量电抗变换 器改变教室光输出电压，通过改变教室的灯光光照实现节能。这种方法利用了 人类的眼睛在晚上对光线不敏感的特点，改变了教室灯的端电压，在不同的时 间根据实际需求获得相应的照明度,实现教室灯的亮度智能化调节。 其基本思想为：将绕组的可变电抗变换器直接接教室灯负载，增加变换器 次级线圈，将次级线圈连接到电源转换器和智能控制器上。通过智能控制器与 电力电子功率变换单元来控制可变电抗器的二次绕组，从而实现改变可变电抗 - 4 - 变换器一次阻抗的目的，进而改变教室灯的输入电压，使教室灯不但可以实现 软起动又可以任意调节其照明度。 其工作过程是：首先通过采集光照信号，由智能控制器判断教室灯照明系 统是否需要运行，如需要运行则由动力单元完成教室照明灯的软启动（一栋教 学楼的照明系统通常由几十个甚至几百个教室照明灯组成）。教室灯打开之后， 根据地面安装的声控传感器采集到的学生或教室所发出的步行声信号由智能控 制器来发出控制信息，通过电源转换单元确定教室灯光控制可变电抗变换器输 出电压的大小，如果检测到的声源信号较强，即需要教室灯的照明度较高，系 统就会自动提高教室灯的输出电压；如果检测到的声源信号较弱，即教室灯的 照明度不需要很高，系统就会根据需求自动调低教室灯的输出电压。 午夜时分，教室里基本不会有人在，这时教室灯的照度可以调低，能满足 最低限度的照明即可，而这一时段通常为4-5个小时，在此期间的合理控制教 室灯光照明度，减少电力损耗，不仅能够节约大量的能源，而且可以提高灯具 的利用率，延长它的使用寿命，从物资材料的损耗上节约其成本，以达到更高 效率的经济节约。 智能控制器作为整套系统的核心部分其控制方式选取的为模糊控制算法， 通过采集外部信号放大，转换输入到微处理器的控制器内，在这里我们需要收 集两种信号，即光和声音信号。光信号用于控制系统的起停，声音信号是用来 反映外部环境的要求，通过模糊控制的数据集合进行处理比较，选取最优化的 控制信号进行输出。 2.22.2智能教室灯节能控制系统方案设计智能教室灯节能控制系统方案设计 本文设计的教室灯节能控制系统需要遵循的原则主要有以下三点： (1) 电压控制：任何功率电器在使用过程中都应处于其稳定的电压范围内， 作为与我们日常生活密切相关的教室灯照明设备就更应该稳压工作，要保持教 室光线稳定，电压的节能和效率两个方面都有非常重要的影响。因此不管是在 耗电的峰值期还是低峰期都要控制总体照明系统电压稳定维持在许可的范围内 是教室灯光控制的重点问题之一。 (2) 软起动功能：由于教室灯并联之后是大功率的用电器，但是现在所用 的照明系统启动方式皆为直接启动，会导致启动时电流太大，对照明灯具的使 - 5 - 用寿命会有相对的损伤，并且此起动时的电流还将引起电网的电压迅速下降， 电压频率也将发生不小的变化，这将破坏其他设备与电网的正常运行，所以我 们应该采用软启动的方法来点亮教室灯，从而可以防止照明电路启动时大电流 对各照明设备可能造成的各种不良影响。 (3) 自动启停：教室灯作为广大师生日常学习生活中必备的公共设施，它 的启动与关闭与当前教室内的师生需求有着重大的关系，无论是在夜幕将至的 黄昏时分还是在阴云密布的闷热午后，它都会根据外部环境所影响到室内的明 暗程度来自动判断照明系统是否需要启动或关闭。 除了上面所提到的三条基本原则之外，本文拟采用的教室灯节能控制方案 的特点也是因为其关键之处在于添加了智能调压控制部分，基于模糊控制算法 的该智能控制器可根据教室内人声的喧哗程度来判断教室内当前人数的多少， 进而间接地自动调整教室照明系统的供电电量的高或低。通过控制教室灯光输 出电压的大小，降低其在室内人数较少（但也不是没有）之时的灯光照明度， 这种节能方式的提出，相比之下，与传统的教室灯节能手段相比具有质的飞跃。 其综合的性能见表2-1。 - 6 - 由上表可知，智能教室灯节能控制系统对比目前市场上常用的照明控制节 能方法来说，具有明显的技术优势，从产品的成本和其消耗使用效率上来看也 具有很强的价格优势。所以总的来说，智能教室灯节能控制系统在教室灯照明 节能领域一定会大放异彩。 2.32.3智能教室灯节能控制系统结构设计智能教室灯节能控制系统结构设计 该系统的主要结构由可变电抗变换器、动力装置、智能控制器组成。其中 可变电抗变换器与动力装置共同组成可变电抗器，将可调整电抗变换器的一次 线圈与教室灯负载串接，构成串联电路阻抗，第二次线圈型二次阻抗转换电路 与功率转换单元，利用调整二次阻抗改变阻抗和负载阻抗比关系，实现负载传 递函数，从而改变教室灯的输入电压。 功率变换单元由触发控制器、电力电子功率器件、信号检测与处理器等组 成。通过调节晶闸管的控制角的大小来控制可调整电抗变压器次级线圈电流， 使教室光总线电压变化来改变你的光的照明强度，其工作原理见图2-3： 触 发 装 置 脉 冲 生 成 晶 闸 管 工 作 电 压 受 控 图2-3 功率单元工作原理图 智能控制器通过处理采集到的信号，输出控制信号以提供实时需要。传感 器连接到控制器有两种：光学传感器和声学传感器，光与影通过光学传感器转 - 7 - 化为模拟信号，智能控制器基于信号输出的处理控制教室灯的开启或关闭：而 现场的声音情况通过声学传感器的采集和处理也会得到相应的模拟信号，将此 信号输入至智能控制器中，令其基于模糊控制算法调整输入电压，让教室内的 灯光照度与教室内的人数多少相对应，使其亮度达到最好最恰到好处的效果。 智能控制器的控制流程图见图2-4： 光学传感信号采集 声音传感信号采集 智 能 控 制 器 教室灯光开启/关闭 调节灯光亮度 图2-4 智能控制器控制流程图 - 8 - 3 3 硬件设计硬件设计 3.13.1硬件结构设计硬件结构设计 智能教室灯节能控制系统的由智能控制器和功率变换单元组成。硬 件系统的系统框图如图3-1所示： 声音信号 信号放大 声音传感器 模数转换 CPU信号采集与处理 数模转换 功率单元 光信号 光学传感器 开关电路 受控教室灯光 - 9 - 图3-1 硬件结构图 其工作原理为： (1) 通过检测光信号判断教室内是否存在师生，以判断照明系统的 开与关； (2) 通过检测声音信号判断教室内师生的活跃情况，进而判断教室 内人数的多少，从而改变照明系统的灯光照明度。 3.23.2光学信号的采集与检测设计光学信号的采集与检测设计 3.2.13.2.1光源检测原理光源检测原理 光源检测实际上是使用光电传感器。所谓的光电传感器是设备将光 能转换成电能，称为光电设备。其物理基础是光电效应，光电效应是指 物体内部传导电子的运动变化由于吸收辐射，导致电特性变化的现象。 它的应用在现代测控系统中非常广泛。 光电传感器由光源、光路和光电元素三部分组成。其基本原理是基 于光电效应，测量变化成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光 信号转换成电信号。光电效应是指光照亮一个对象，可以被看作是一系 列的一定能量的光子轰炸对象，光子的能量传递给电子和光子的总能量 是一次性吸收电子，电子在光子的能量转移将会改变它的状态，从而使 拍摄对象通过轻工业生产相应的电效应。 3.2.23.2.2检测装置需要器件及选型检测装置需要器件及选型 在该系统的设计过程中，使用的光源检测系统的启动和关闭，所以 我们需要内部光电效应的光电传感器。 光敏装置包括光敏二极管、光敏电阻和光敏三极管等。光敏电阻的 工作原理是光电导系统光电设备也被称为光管，它是基于半导体光电效 应工作。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用加直流偏压时， 也可以加交流电压。光敏电阻(黑暗)阻力很大时，电路电流小。当收到 有某些波长的光的光敏电阻时，其电阻(光电阻)大幅下降，所以电路的 - 10 - 电流也就会迅速增加。 因为这个系统包括光源提供系统起停控制信息集合，所以采用光敏 电阻就能满足系统的要求。 该电路由两部分组成。电阻R、电容C和二极管D组成半波整流电路。 CdS光敏电阻和J组成光控继电器。教室灯接在继电器常闭触点上。 3.33.3声学信号的采集与棒测设计声学信号的采集与棒测设计 3.3.13.3.1声学检测原理声学检测原理 声音信号采集原理如图3-2所示。其中，外部麦克风语音信号传输， 并通过运算放大器将疲软的音频输入信号转换为信号电平(电压)，电压 信号是由模数转换器将数字信号转换成单片机，单片机根据输入的数字 信号处理和空间转换的分贝值，最后根据单片机实时控制光照亮度的强 弱。 声 音 信 号 传 声 器 运 算 放 大 器 模 数 转 换 器 单 片 机 亮 度 反 映 图3-2 声音检测结构框图 3.3.23.3.2检测装置需要器件及选型检测装置需要器件及选型 本系统中的路面声音信号的采集装置选用传声器。传声器 microphone俗称话筒，是将声音信号转换为电信号的能量转换器件设备。 麦克风作为声音收集系统的第一部分，应该做到结构强劲、质量性能稳 定、能够满足基本的要求，以便在特定的条件下使用。 传声器分为很多种不同的类型，可以大体上分为动态、电容、电磁、 压电、半导体传声器，而根据接收声波的方向可以分为无方向的、双向 - 11 - 的、定向的，而根据使用可分为立体声、有线、无线话筒等。 无线传声器与接收机应是唯一对应的，需要配合使用，不能张冠李 戴。接收机是专用的调频接收机，不过一般的调频接收机只需要正确地 调整其调频谐率，则同样可以收听到无线传声器发出的声音。 无线传声器有规模小、易使用、音质好、操控自由、传动功率很小 等优点，所以它在教室里、舞台上乃至电视内都已得到广泛应用。 3.43.4功率变换单元与触发控制系统设计功率变换单元与触发控制系统设计 3.4.13.4.1功率变换单元设计功率变换单元设计 方案内已经声明，动力装置在低压变反应堆控制绕组方面，我们采 用晶闸管交流电压调节方法，控制改变反应堆的低压端的电压，高压侧 变量电抗。功率换算单位功率的电力电子设备，触发控制器、信号检测 和处理器等。通过调节晶闸管的控制角的大小来控制可变电抗变压器次 级线圈电流。使教室照明系统的电压发生电话以达到改变光照强度的目 的。 交流电压调整的原理是：在交流电源和负载之间，有两个晶闸管串 联后并联交流电路，通过控制晶闸管改变交流电源，电路不改变频率的 交流电(Ac)，称为交流电源控制电路。每半个周期内晶闸管开放阶段的 系统，可以很容易地调节输出电压的有效值。 形导通角的大小，依据不同的三相联结形式，三相交流调压电路也 具有多种不同的形式。包括线路控制三角形联结、星形联结、支路控制 三角形联结、中点控制三角形联结。本文使用了星形电路三相四线制连 接，此时，相当于单相交流调压电路的组合，三相互错开120工作。 由于教室灯是阻感性负载的，所以当晶闸管交流调压电路带有阻感 性负载时，移相角a只有在 #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit ADC_CS =P24; sbit ADC_CLK=P25; sbit ADC_DO =P26; sbit ADC_DI =P27; sbit out=P12; sbit in =P20; uint a=0; uchar h1,l1,date; unsigned char adval; void delay(uint z) uchar y; for(;z0;z-) for(y=1;y0;y-); unsigned char ReadADC(void) /把模拟电压值转换成8位二进制数并返 回 - 20 - unsigned char i,ch; ch=0; ADC_CS=0; ADC_DO=0;/片选，DO为高阻态 for(i=0;i240) goto end; l1=date; h1=(255-date); out=1; delay(h1); end: out=0; delay(l1); void main() uint m; out=0; while(1) if(in=1) /如果收到信号 for(m=1000;m0;m-) if(in=1) m=1000; liangdu(); /给定个延时次数 - 22 - 5 5 总结与展望总结与展望 教室灯光智能控制系统的开发是国内外关注的热点话题。众所周知， 电力设备中室内照明设备使用量所占比例巨大。教室灯光智能控制系统 是专为大中型照明系统设计的智能设备。这将是有效发展节能照明设备 的重要的途径和方法。因此，教室灯光智能控制系统的开发对人类生产 和生活节能降耗具有着无比巨大的意义。 这是一个研究和发展型的项目，在开发方面有着一定的难度，需要 我们不断重复测试和持续总结经验。 为了进一步研究主题，本章节将为当前的研究做一个总结，并对未 来的前景做一次展望，内容包含：论文总结、心得体会和对接下来进一 步工作的安排。 5.15.1 论文总结论文总结 本文通过系统建设和项目设计、系统硬件设计、软件设计和系统调 试，证明所设计的教室灯光智能控制系统总体上说是成功的。通过对这 个课题的设计与研究，我们可以得出以下结论： (1) 教室灯光智能控制系统采用智能技术，可以根据不同环境的需 要，选择不同大小的功率控制模式；采用可变电抗器技术，以提高设备 的可靠性；它的控制单元通过插件方式安装，为日后维护和更替新元件 提供了极大的方便。 (2) 教室灯光智能控制系统的启动、调节效果非常明显，可以从零 电压开始连续调节，可以做到不过流，起动力矩也大，对电网冲击较小。 同时，教室灯光