（物理电子学专业论文）智能教室灯光控制系统的设计.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 本文通过分析当前高校教室的灯具使用特点，出于节约照明用电的目的，设 计了一套智能教室灯光控制系统。使用该系统能够有效地克服传统教室容易出现 的“长明灯 现象，并且可以大大地降低人工管理的工作量。 在设计之前，本文做了大量的市场调研，分析了课题的研究意义和目前该领 域的研究现状。通过分析前期的调研工作并结合实际需要，最终确定了系统的设 计方案。 本设计选用了a t 8 9 s 5 2 芯片作为整个系统的微处理器，配合光敏电阻、a d 转换芯片a d 0 8 0 4 、红外传感信号处理器b i s s 0 0 0 1 和继电器等元件，对教室内的 人体存在信息和光照强度信息进行监控。为了提高效率，本设计采用主从式结构， 整个系统分为上位机和下位机，并对教室分区域管理。其中下位机负责监控各个 区域的人体存在信息和光照强度，并执行相应的指令，上位机负责对数据进行分 析比较，然后发出相应的指令。为了避免重新布线的麻烦，上位机和下位机都利 用4 3 3 m h z 无线电传输数据和指令。为了能够更好地监控人体存在信息，设计红外 热释电电路时采用了一些可调电阻，方便调节其灵敏度。 该系统的控制过程如下：下位机首先检查相应区域的人体存在信息，若没有 人，则继续检测；若有人，则进入中断程序，检测对应区域的光照强度，并通过 a d 转换，将光照强度转换为数字量，然后通过4 3 3 m h z 的无线电传输给上位机。 上位机接收到光照强度数据后进行分析比较，得出相应的指令，在通过4 3 3 m h z 的无线电传输给下位机，下位机完成相应的操作。 最后测试结果表明，本文完成了智能教室灯光控制系统的设计工作，系统能 够按照预定效果正常运行，在一定程度上为教室照明节约了能源，提高了照明系 统的智能化水平。 关键词：智能灯光；节能；无线传输；智能控制 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec l a s s r o o m si nt h eu n i v e r s i t i e s ，i nt h ep r e s e n t a r t i c l ew eh a v ed e s i g n e da ni n t e l l i g e n ts y s t e mt oc o n t r o lt h el i p f i t si nt h ec l a s s r o o m s ， w i t hw h i c hw ec a n e f f e c t i v e l ya v o i dt ol e tt h el i g h t sa l w a y so na n dc a na l s om a k et h e c l a s s r o o m se a s i e rt om a i n t a i n b e f o r et h ed e s i g n , t h et h e s i sh a sm a d el o t so fm a r k e t i n gr e s e a r c ht oa n a l y z et h e m e a n i n go ft h er e s e a r c ha n dt h ea c t u a ls t a to ft h ed o m a i n f i n a l l y , i v ed e c i d e dt h e d e s i g np l a no f t h es y s t e m t h et h e s i sc h o o s e st h ec h i pa t 8 9 s 5 2a st h em i c r op r o c e s s o ro ft h ew h o l es y s t e m t o g e t h e rw i t ho t h e re l e m e n t sa st h ep h o t o s e n s i t i v er e s i s t a n c e s ，t h ec h a n g ec h i p a d 0 8 0 4 ，t h ei n f i a r e ds e n s i n gs i g n a lp r o c e s s e rb i s s 0 0 0 1a n dt h ee l e c t r i cr e l a y , t h e s y s t e mc a nm o n i t o rt h ee x i s t e n c eo ft h eh u m a nb o d ya n dt h ei l l u m i n a t i o ns t r e n g t h , a n d i s s u et h ec o r r e s p o n d i n go r d e r s t oi m p r o v et h ee f f i c i e n c y , u s i n gt h ep r i n c i p a la n dt h e s u b o r d i n a t es t r u c t u r e ，t h es y s t e mi sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：t h eu p p e rm o n i t o ra n dt h e l o w e rm o n i t o r , t oc o n t r o lt h ec l a s s r o o mi ns e p a r a t e p a r t s 1 1 舱u p p e rm o n i t o ri s r e s p o n s i b l eo ft h ea n a l y s i sa n dt h ec o m p a r i s o no ft h es t a t i s t i c s ，a n dt og i v er e l a t i v e o r d e r s i no r d e rt oa v o i dt h er e w i r i n gt r o u b l e ，b o t ht h eu p p e ra n dt h el o w e rm a c h i n e s 璐et h e4 3 3 m 时zr a d i ot ot r a n s m i tt h es t a t i s t i c sa n dt h eo r d e r s i no r d e rt ob e t t e r m o n i t o rt h ee x i s t e n c eo ft h eh u m a nb o d y , s o m ea d j u s t a b l er e s i s t a n c e sa r eu s e di nt h e i n f r a r e dp y r o e l e c t r i cc i r c u i t , w h i c hm a k e si te a s i e rt oa d j u s ti t ss e n s i t i v i t y t h es y s t e mc o n t r o lp r o c e s si s 舔f o l l o w s ：f i r s to fa l l ，t h el o w e rm a c h i n ec h e c k st h e p r e s e n c eo ft h eh u m a nb o d yi nt h ec o r r e s p o n d i n gp a r to f t h ec l a s s r o o m i ft h e r ei sn o p r e s e n c e , i tc o n t i n u e st od e t e c t ；i fa n y o n ep r e s e n t s ，i ta 1 t c 鹅i n t ot h ei n t e r r u p tp r o c e s s ， a n dd e t e c tt h ei l l u m i n a t i o ns t r e n g t hi nt h ec o r r e s p o n d i n gp a r to ft h ec l a s s r o o ma n d t h r o u g ht h ea dc o n v e r s i o n , c o n v e r t st h el i g h ts t r e n g t hi n t od i g i t a li n f o r m a t i o n , a n d t h e nt r a n s m i ti tt ot h eu p p e rm o n i t o rb yt h e4 3 3 1 v l h zr a d i o a f t e rt h er e c e p t i o no ft h e s t a t i s t i c s ，t h eu p p e rm o n i t o rb e g i n st h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nt om a k eap r o p e ro r d e r , w h i c hi st r a n s m i t t e db a c kt ot h el o w e rm a c h i n ea l s ob yt h e4 3 3 m h zr a d i o f i n a l l yt h e l o w e rm a c h i n ea c c o m p l i s h e st h er e l e v a n ta c t i o n s t h ef i n a lt e s ts h o w st h a tt h ep r e s e n ta r t i c l eh a sa l r e a d ya c c o m p l i s h e dt h ed e s i g no f t h en g h t m gc o n t r o l l i n gs y s t e mo ft h ei n t e l l i g e n tc l a s s r o o m , a n dt h a tt h es y s t e m 啪 i i 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s f u n c t i o nf o l l o w i n gt h ew a yw ee x p e c t e d , w h i c h , i nac 羽【血d e g r e e ，e c o n o m i ct h e e n e r g ya n di m p r o v e st h ei n t e l l i g e n c el e v e lo f t h el i g h t i n gs y s t e m k 呵w o r d s ：i n t e l l i g e n tl i g h t i n g ；e n e r g y - s a v i n g ；w i r e l e s st r a n s m i s s i o n ；i n t e l l i g e n t c o n t r o l l i n g 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 1 课题研究背景 1 绪论 从全球角度来看，随着全球经济的发展和人类文明的进步，我们不难发现人 类社会对化石能源的依赖程度越来越高。人们利用化石能源进行各种生活生产活 动，可以毫不夸张地说，如今的人类已经离不开化石能源了。但是，众所周知， 化石能源是无法再生的。有些专家甚至预测全球的化石能源将在2 1 世纪末期接近 枯竭。据权威部门综合估算结果显示，当前全世界化石能源的极限储存量大概是 1 1 8 0 - 1 5 1 0 亿吨，如果按照上个世纪9 0 年代中期的开采速度计算，全球石油可能 将会在2 0 5 0 年左右开采至枯竭；天然气可能将在未来6 0 年左右时间内开采至枯 竭；而煤炭估计也只能供应大约1 7 0 年的时间。按照这种趋势发展，世界能源危 机会越来越严重，由能源危机引发的各种经济社会问题也会越来越严重。人类甚 至会因为争夺能源而爆发残酷的战争【l 】。 在中国，能源危机可能已经给社会带来了许多麻烦，物价的上涨，大量人口 失业等社会问题可能都和能源危机有着千丝万缕的联系。特别是近几年，有些地 方一味地追求经济发展，没有注意能源的节约，导致资源的浪费现象非常严重。 目前我国领导人也在积极探索可持续发展的道路，正在为建设一个环境友好型， 资源节约型国家而努力。国内许多企业也在积极探索新型的发展道路，努力开拓 创新，提高产业结构，争取用较低的能耗换来较高的经济收益。总得来说，转变 发展模式，提高产业结构是我国未来的发展趋势，也是从根本上提高国家竞争力 的唯一途径i z j 。 在这样的大环境，大背景下面，我们都在积极探索缓解能源危机的办法，主 要有两个：第一是积极寻找并利用可再生的能源，如太阳能、核能、风能等；第 二是改进设备，提高能源的利用效率，鼓励国民节约能源。目前我们国家也正在 从这两个角度努力，一方面正在积极探索如何利用核能、太阳能、风能等可再生 能源；一方面鼓励企业发展创新，提高能源利用效率。与此同时国家还在大力宣 传教育，加强国民的节约能源意识 3 1 。 本文设计智能灯光控制系统就是为了节约高校教室用电量。根据我国建设部 的统计结构发现，我国在2 0 0 4 年的照明用电量占全国总用电量的比重为 9 8 - - 1 2 3 ，接近3 0 0 0 亿千瓦时【3 】。据近几年资料显示，我国的照明用电量每 l 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 年都在以1 4 左右的速度迅速增长，我国2 0 1 0 年全年的照明用电量则已经超过了 5 0 0 0 亿千瓦时，而且照明用电量还在不断增加。其中5 7 左右的照明用电是被公 共场合照明消耗的 4 1 ，比如学校、酒店、车库、走道等场所。目前这些场所的照 明系统大多还是依靠人工来管理，工作量大而不便管理，经常人员已经离开，灯 却还开着，或者自然光强足够，灯却开着的现象发生，这样的浪费能源的现象经 常发生。我们可以做一个简单的计算。假设某大学教室总共有3 0 0 0 盏灯，而每 个灯的额定功率为3 6 w ，如果每天每盏灯多亮2 小时，按照每学年度9 个月计算 的话，整个学年度将要浪费大约6 0 万千瓦时的电量。目前市场电价为o 5 6 祈 瓦时，按照上述的情况计算，该学校每年需要多付大约3 3 6 万元的电费。这对于 整个学校甚至于整个社会来说都是一种相当大的浪费。 本文就是为了克服上述的浪费现象，设计了一款价格低廉，安装方便，操作 简单的智能教室灯光控制系统。从根本上改善这种浪费现象，为学校节约照明用 电的开销。这不仅可以帮助学校为社会产生一定的经济效益，同时也是为我国建 立环境友好型资源节约型社会做出应有的贡献。 1 2 国内外智能灯光控制发展现状 1 2 1 智畿灯光控制系统的分类 随着电子技术的发展，人们对建筑内照明舒适度的要求越来越高，人们都希 望照明系统既省电又能提供合适的照度环境。目前市场对智能灯光控制系统的需 求量也越来越大，因此这类产品的发展也非常迅速。生产这些产品的技术变得越 来越成熟，产品的功能逐渐接近人们的需要，而且价格也越来越合理。市面上早 期产品比较简单，大多都是单纯的根据光照度、声音或者根据人体红外信息对单 个灯具进行控制，灯具之间没有任何联系，这种产品能够起到一定的节能效果， 但不够明显。目前市场上已经出现了大量的智能灯光控制系统，结构越来越复杂， 灯具之间有媒介联系，方便管理和操作，智能化水平越来越高。本文根据各类产 品所用的通信媒介不同，将智能灯光控制系统大致分为三类【5 1 。 ( 1 ) 总线类产品 这类产品主要利用一些总线连接灯具，如i 2 c 总线、c a n 总线等。这类产品 一般都属于高端产品，有非常成熟的标准。各方面的性能可靠，功能也很强大。 由于这类产品价格高昂，只会在一些专业性较强的场合中使用，如：舞台，大型 会议室、高档酒店等。并且这种产品的按照过程复杂，需要重新布线，不太适合 对现有的高校教室升级。 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s ( 2 ) 电力载波类产品 这类产品是利用电力线来连接系统中的各个灯具节点。曾经有一段时间，国 内的一些中小型企业热衷于设计生产这类产品。因为从理论上说，采用这种产品 是不用重新布线的，但是实际有很多老建筑在布电力线时没有预埋零线，所以有 时候还必须重新加上零线。另外此类产品有个很大的弊端：会给电力网络带来很 强的电磁干扰，从而影响通信的质量。这因为如此，该类产品也慢慢淡出入们的 实现，逐渐被市场淘汰。 ( 3 ) 无线类产品 顾名思义，无线类产品就是利用无线电使系统中各个节点相互通信。从目前 的市场情况来看，此类产品发展得最好。由于此类产品采用无线电通信，所以可 以完全避免布线的麻烦，非常适合在对老建筑升级时使用。而且当前无线电技术 发展比较迅速，一些短距离通信技术已经相当成熟了，通信可靠性非常高。另外 此类产品的成本比较低，产品价格也能够被大多数用户所接受。本文设计的系统 也是属于无线类产品。 1 2 2 国内外智能教室灯光控制技术发展现状 说到照明节能，可能大多数人会想到采用节能灯泡代替传统灯泡。这种办法 当然简单，但一个节能灯泡的价格大概是一个普通的光的几倍甚至十几倍，这样 做实在是成本太高f q 。从另外一个角度来看，大量的更换传统灯泡也是一种浪费。 这种方法对目前国内大多数学校而言是不太现实的。同时学校内的“长明灯一现 象也无法彻底消除。于是人们开始想到设计一种设备能够根据实际情况，智能地 控制教师内灯光的开关。 目前市面上这类产品有许多，但是功能一般比较简单，大多单纯地依据光照 强度、人体存在信息或者声音做简单判决。无法根据需要调整工作模式。灯具之 间没有连接，不方便统一管理。 综合高校教室的使用情况，可以总结出三个特点【7 】： ( 1 ) 、开放时间比较长，并且没有固定的作息时间； ( 2 ) 、人员流动量大，座位不稳定； ( 3 ) 、高校教室用途多种多样。 正是由于这三个特点，在设计这种产品的时候要考虑几个因素： ( 1 ) 、教室内的光照度的探测。目前市场上主流的产品都是利用一些光敏器件 在不同光照度下表现出来的电学性质不同的特性，来完成探测工作的，有光敏二 极管、光敏三极管、光敏电阻等。利用这些器件在不同光照强度下表现出来的特 3 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 性不同，将光强信息转变为电信号进行处理。这样做，系统的硬件结构简单，成 本比较低，但是安装调试工作相对复杂，而且由于这些光敏器件一般都有分散性， 所以精确度不高。但用于普通的室内照明是足够的。 ( 2 ) 、教室内的人体存在信息的探测。目前市场上此类产品在探测人体存在信 息的方法有两种：第一种是将探测器安装在教室门口，对整个教室集中管理，这 种方法可以准确的记录教室的人数，但人员在教室内的分布情况无法探测，节能 效果不太理想；第二种是对教室进行分区域管理，在每个区域安装感应装置，对 每个区域分开管理，这种方法不能准确地探测教室内人数多少，但可以根据每个 区域是否有人来判断是否开灯，这样做的节能效果相对要好一些。 ( 3 ) 、目前市场上大多数产品的光照阈值是固定的，不能根据教室的使用场合 来调节光照阈值，从而改变教室内的照明状态。为了可以方便地根据不同场合的 需要，调节开关阈值，本设计加入了光照阈值调节的功能。因为教室内，特别是 阶梯教室，有可能被用作会议室或者学生活动的场所，有时候需要较强的光照， 或者较弱的光照1 8 j 。这就需要设计能够方便管理人员调节光照阈值。 如果能将以上功能整合到一个系统当中将会大大提高智能灯光控制的工作效 率，并且方便工作人员的管理。 1 2 3 无线传输技术的发展 之前已经说到，本文设计的系统采用的是无线通信方式，原因是为了避免布 线的麻烦，降低系统开发成本，方便后期安装和调试。但是采用什么样的无线通 信技术成为了本文需要讨论的重要问题之一。 无线电的产生与发展至今已经有1 0 0 多年的历史了，在这一个多世纪的时间 里，无线电广泛地应用在人类的各个生活领域。人们利用无线电传输各种各样的 信息。在各种应用中无线电技术已经发展到了相当成熟的地步。目前主要流行的 短距离无线数据传输技术中主要包括有：蓝牙技术、红外技术、z i g b e e 技术、w i - f i 技术、4 3 3 删z 无线技术等【9 】。他们各有特点，应用领域也不相同。 蓝牙技术：该技术是在1 9 9 5 年由诺基亚、爱立信、m m 等著名公司一起推 出的无线通信方式。这种无线通信的工作频率为2 4 g h z ，传输的最大范围大约 是1 0 m 。由于这种通信方式的速率比较高，所以一般用于语音数据的传输，设备 间互联和个人局域网的连接等高速率场合。红外技术：1 9 9 3 年i n f r a r e dd a t a a s s o c i a t i o n ( 红外线数据协会) 成立，该组织是为了建立红外无线连接而成立的。 这种技术传输范围非常短，而且需要对准传输，另外此技术不能支持多节点连接， 所以一般用于设备的遥控。z i g b e e 技术：该技术与蓝牙技术一样，都属于2 4 g h z 4 硕士学位论炙 m a s t e r st h e s i s 家族，相比于蓝牙技术，z i g b e e 的传输速率较慢，功耗较低，其基本速率为2 5 0 k b s ， 但传输距离相对于蓝牙技术要远一些。目前在工业控制、智能家居、智能酒店等 场所应用较多。w i - f i 技术：w i f i 是w i r e l e s sf i d e li t y ( 无线高保真) 的简称。 它也是一种短距离无线通信技术，其传输速率最高可以达到l l m b s ，通信范围可 达到1 0 0 m 左右。这种技术一般用作以太网的无线拓展。4 3 3 m t z 无线技术：这种 技术的特点是信号覆盖范围比较广，但速率很慢，最高只能达到9 6 0 0 b s ，但设 备比较便宜因此这种技术一般用于数据量较小的场合【l o 】。 本论文综合考虑开发成本、设计难度和系统的数据量等各方面的问题，选择 了挪威n o r d i c v l s i 公司推出的n r f 9 0 5 单片射频收发器实现数据的无线传输 【1 l 】。 1 3 论文主要内容 论文详细分析了智能光照控制领域的发展情况，对该领域的研究意义和方向 做出了深入的探讨，然后针对高校教室的使用特点和目前的使用状况，提出了一 套切实可行设计方案。论文在说明了整套系统的工作原理和工作过程以后，分别 详细研究了系统的硬件设计和软件设计。最后论文对整个设计工作进行了总结并 得出结果。 第一章：绪论。主要探讨教室智能灯光控制系统的研究意义，和目前国内外 发展趋势和方向。进而阐明本课题的立论依据和研究意义。 第二章：系统的整体设计工作原理和设计方案。深入研究整个系统的设计依 据和系统的工作过程。 第三章：系统的硬件设计。分别讨论上位机和下位机的功能，根据各个电路 的功能分别设计出红外热释电电路、无线射频传输电路、电源电路等单片机外围 电路、继电器电路，并介绍p c b 设计规则。 第四章：分别讨论上位机和下位机的软件程序设计。 第五章：总结与展望，对本设计及本人的工作做出总结，并提出该领域的发 展前景和下一步的研究方向 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 系统整体设计方案 传统教室内灯光完全依靠人工控制管理，很多时候都存在着大量的浪费现象。 本系统是利用单片机对教室内的人体红外射线和光照强度进行监控，并以此为根 据自动对教室里的灯光进行智能管理。设计这套系统的目的在于：避免教室内相 关区域光线充足的时候灯仍然开着的情况，或者教室相关区域没有人的时候开着 灯的情况。实现教室内灯光智能化控制，克服人工管理的不足，达到对教室照明 系统的科学管理，为学校节约电能。 2 1 系统的整体设计思想 整个系统由上位机和下位机两个部分组成，对教室进行分区管理。下位机安 装在教室的不同区域监测人体红外和光照强度信息，实现对教室内光照和人员流 动情况的监控【1 2 1 。下位机首先检测环境中的人体红外光以判断相应区域中是否有 人存在，并将监控得到的光照强度信息数据通过无线电传输给上位机，上位机接 收到传来的数据后，与之前设定的阈值进行比较并判断是否开关灯，然后将判断 结果再通过4 3 3 m h z 的无线电传输到下位机并执行相应的开关命令。这样系统就 能智能地控制灯具的开与关。另外人工管理可以通过按键介入，实现强制开关。 从系统的两个组成部分的功能来分析，下位机应该能够完成以下四个功能： 第一、能够探测人体红外光，得到人体存在信息；第二、能够探测光照强度信息， 并能够将光照强度信息转换为数字量；第三、能够发送和接收无线电数据，可以 和上位机进行数据交换；第四、能够执行灯的开关指令。上位机应该能够完成的 功能有：第一、能够显示预先设定的照明模式；第二、能够发送和接受无线电数 据和指令；第三、管理人员可以通过按键来设定阈值。 从灯光的控制依据来说，首先是人工通过按键设置系统工作模式和光照阈值， 一般在学校放学或晚上下班以后，系统和整个教室的灯具都处于关闭状态。然后 以人体存在信息和光照强度信息为判断依据，判断灯光的开关状态。在判断人体 存在信息的时候，通过调节热释电模块的灵敏度来模糊统计区域内人数的方法对 各个区域的人数进行模糊统计，避免因人员流动性较大，教室内人员较少而大量 灯具打开的问题，增加了节能效果。 从系统的工作模式来说，系统可以由人工通过按键自由切换使用模式、非使 用模式和特殊模式。在非使用模式中，教室内灯光和系统都处于关闭状态：在使 6 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 用模式中可以根据使用场合的不同，设置不同的阈值，系统正常工作；在特殊模 式中，如教室内举行某项会议时，无论人员多少，光照强度如何，教室内的灯全 部打开。 2 2 系统整体安装布局 目前我国的高校中有一些节能产品，在这些产品的控制下，高校教室内灯具 仅仅只能保证有人则灯开，没人则灯灭。虽然这些产品能够起到一定的节能效果， 但是智能化还远远不够，比如，有时候会出现只要教室有一个人，教室内所有灯 都打开。或者教室内自然光照强度达到要求，灯具也会打开的情况。这样的情况 经常发生同样还是会有巨大的浪费发生。 为了从根本上杜绝上述现象的发生，本文提出了按区域划分教室，并在各个 区域安装下位机，分别管理教室的各个区域的方案1 4 】。在提出具体的划分方案之 前，应该首先考虑普通高校教室的基本情况，如图2 1 所示为教室光照分布俯视 图。由该图可以看到，教室内各区域距离窗户的位置不同，受到阳光的照射角度 也不相同，光照强度也不同。这就要求我们在安装下位机的时候应该分区域安装。 本系统下位机在监测人体存在信息的时候，采用的是热释电模块，这种模块工作 时的监测范围是以自身为圆心的圆形区域。这一特点也给我们分开管理教室的各 个区域提供了便利的条件【1 3 1 。 阳 阳 光光 充缺 足乏 区 区 域域 磐 瓣 、乏 区 剪 船 光 充 定 雾 图2 1 教室阳光分布图 另外，我们知道高校教室除了要供学生上课，还要具有供学生自习使用的功 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 能。特别在学生自习的时候，教室内的人员流动性很大。这种使用状况也同样要 求我们将教室分为不同区域管理。如图2 2 所示为教室的座位分布示意图，这里 将整个教室分为了五个区域：a 、b 、c 、d 和讲台区域。在每个区域的中心位置 安装一个下位机，分别对各个区域进行实时监控管理。这样就可以有效解决该章 节前面所提到的教室里面人很少，但灯都开着的问题，从而达到更好的节能效果。 图2 2 教室座位分布图 2 3 智能灯光系统的控制因素 2 3 1 光照因素 全世界有很多国家对建筑照明有明确的规范。中华人民共和国在2 0 0 4 年1 2 月1 日也颁布了 v r 时，则可以触发( 删2 v d d ) 1 0i b 此端口用来设置运放的偏置电流 l lv d d 此端口为工作电源的正端 1 22 0 u to 此端口为二级运放的输出 1 32 i n i 此端口为二级运放的反相输入 1 4l i n +i 此端口为一级运放的同相输入 1 5 l 烈 i此端口为一级运放的反相输入 1 6l o u to 此端口为一级运放的输出 b i s s 0 0 0 1 的工作原理【3 0 】：如图3 9 给出了芯片原理框图。从图中可以看出， b i s s 0 0 0 1 的基本构造，它的组成部分包括：电压比较器、延迟时间定时器、运算 放大器、状态控制器和封锁时间定时器五个组成部分。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 图3 9b i s s 0 0 0 1 原理框图 b i s s 0 0 0 1 可以在两种不同的模式下工作，分别为可重复触发模式和不可重复 触发模式，本文在设计系统时，采用的是不可重复触发模式即将管脚a 置为低电 平。其不可触发工作模式下的工作波形如图3 1 0 所示。下面结合工作波形图分析 b i s s 0 0 0 1 在不可触发工作模式下的工作过程和原理。 v g v c v o 图3 1 0 不可重复触发模式的波形图 当芯片工作在不可重复触发模式下时，用户首先是根据实际需求，用运放o p i 组成预处理电路对传感信号进行预处理，此过程是将传感信号进行一级放大。然 2 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 后通过外接电容将输出信号耦合至运放器o p 2 ，进行二级放大，此刻的直流电位 被抬高到v m 唧5 v d d ) ，将输出信号v 2 传输给双向鉴幅器( 该双向鉴幅器由 c o p l 和c o p 2 组成) ，最后得到有效信号v s 。通过图3 9 可以看出，当 v i - i = 0 7 v d d 、v d 幻3 v d d 时，如果v d d = 5 v ，则b i s s 0 0 0 1 可以有效地抑制1 v 的噪声干扰，提高了系统的稳定性。c o p 3 是条件比较器，当当输入电压v c v r 时，c o p 3 输出为高电平，打开与门u 2 ，此时模块将要进入延时。 当a 端接低电平时，在t x 结束的时刻，v 0 下跳到低电平，同时封锁时间定时器 启动，从而进入封锁周期n 。在面内，任何v 2 的变化都不会使得v 0 变为有效 状态。这一功能够有效地抑制其在切换过程中遇到的各种不同干扰【3 l l 。 利用b i s s 0 0 0 1 芯片设计的熟释电探测模块的原理图如图3 1 l 所示。为了能 够调节热释电模块的灵敏度，本文在设计热释电模块时加入了可变电阻r 1 2 ，方 便之后调节热释电模块的灵敏度。 ， 图3 1 l 热释电电路 3 2 3 光探测模块 下位机的光探测模块的功能是将光照度转换为数字量。本文在设计时，利用 了光敏电阻在不同光照度环境下面表现出来的电阻值不同，这一特点来设计得到 的。光探测模块的原理图如图3 1 2 所示。 2 6 一， 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i $ 图3 1 2 光探测模块原理图 其中光敏电阻和滑动变阻器r 7 组成串联电路，因为在不同光照度环境中 光敏电阻的电阻值是不同的，在串联电路中分得的电压u 也是不同的，而且光敏 电阻分得的电压u 是一个连续变化的模拟量，论文通过这样的办法将光照度信号 转换成了模拟电信号，得到模拟电信号以后，下位机通过a d c 0 8 0 4 模数转换芯 片，将这个模拟信号转换为8 位的数字信号。这样一来系统就可以将光照度信息 转换成为了一个8 位的数字量。论文为了让实验的方便，将模数转换器的输出引 脚通过7 4 h c 5 7 3 锁存器u 4 与7 个l e d 灯相连。这样，在调试系统程序的过程中， 实验员就可以通过观察这7 个l e d 灯亮灭的情况，来直接观察光照度信息转换为 8 位数字量的结果，并可以在实验过程中监视到光探测模块是否在正常工作。 注意，本文设计时选择的是8 位a d 转换器，而连接到单片机上的只有7 个 输出端口，并且用于指示转换结果的l e d 灯也仅仅用了7 个。原因在于本论文所 选择的a t 8 9 c 5 2 的资源比较少，管脚不够用。在这样的情况下，论文在设计时将 8 位转换结果的最低位放弃，这样的处理方式对转换精度的影响非常较小，对系 统的性能几乎没有什么影响，同时可以节约芯片资源。 3 2 4 继电器模块 下位机中继电器模块的功能是完成灯的开关指令。继电器模块接收到单片机 给的指令信号以后，将完成闭合或断开电灯电源的操作。本设计中选用的是松乐 公司出的一款继电器s r d 1 2 v d c s l - c ，并选择了一个光耦合器件t l p 5 2 1 建立 2 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 强电与弱点的联系。继电器模块原理图如图3 1 3 所示。 图3 1 3 继电器模块原理图 下位机在做出开灯的判决后，单片机将低电平信号通过接口2 传递给光耦合 器件t l p 5 2 1 ，这时三极管q 1 会导通，红色的l e d 灯亮，继电器接通电源，电 灯处于打开状态。当下位机做出关灯的判决之后，单片机将控制高电平信号通过 接口2 传递给光耦合器件t l p 5 2 1 ，这时三极管q l 截止，继电器断开，灯则处于 关闭状态。其中发光二极管起到指示作用。继电器模块是建立强电和弱电的桥梁， 在布局布线时必须注意强电流过的区域采用加宽线，以确保安全。实物图如图3 1 4 所示。 图3 1 4 继电器模块实物图 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 4 系统软件设计 在论文的第三章中分模块介绍了系统的硬件部分，但是一个系统光有硬件还 不够，要想让一个系统能够理想地工作，必须有稳定可靠的硬件和准确合理的软 件配合起来。一个完整的系统中软件和硬件是相互配合，密不可分的闯。 系统的设计过程一般采用由上而下的顺序进行，具体说来，首先是从整体上 把握系统的工作流程，然后再对每一个模块或每一个工作步骤进行编程。本系统 软件结构大体可分为上位机部分和下位机部分。上位机和下位机的软件系统是采 用k e i lc 5 1 设计的幽j 。 4 1 系统工作流程 系统软件程序流程是由系统的工作过程决定的。整套系统分上位机和下位机 两个部分组成，两者相互配合完成整体系统的功能。 设计准确合理的流程图直接关系到整个系统的软件编写是否准确合理，因为 软件是根据流程图来写出来的。因此设计是否可以成功，系统能否按照预期完成 相应的工作，都取决于是否有一个合理准确的工作流程刚3 2 1 。下面论文将分别研 究上位机和下位机的工作流程。 4 1 1 下位机工作流程 在前面的章节中已经谈到过，下位机应该包括的模块有：热释电模块、继电 器模块、无线通信通信模块等，这些模块必须按照一定的工作流程，通过相互配 合才能完成下位机的功能。下位机的工作流程如图4 1 所示。 由图可以看出下位机上电或复位后，系统开始进行初始化，在初始化工程中， 下位机主要完成的工作是打开无线传输模块，让无线传输模块处于接受模式，初 始化完成后，下位机开始检测环境中的无线电波，若有对应地址的无线电波传来 的开关指令则完成相应的操作：若没有对应地址信息无线电波指令则开始检测环 境中的人体存在信息。在检测人体存在信息时同样需要做出判断，若对应区域中 没有人体存在，则下位机会重新进入等待唤醒状态；若对应区域中有人体存在， 则下位机开始检测对应区域的光照强度信息，并加该下位机的地址和光照强度信 息通过无线传输模块传递给上位机。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 图4 1 下位机工作流程图 4 1 2 上位机工作流程 在整个系统中上位机主要的功能是收集各个下位机传递来的地址信息和光照 强度数据，并进行处理，然后根据处理的结果做出相应的判断，并将指令传递给 下位机执行。从硬件角度上来说，上位机主要包括无线传输模块、数码显示模块、 按键电路等。同样除了要有稳定的硬件电路外还需要有准确良好的软件才能使上 位机稳定地工作。上位机的工作流程图如图4 2 所示。上位机上电复位之后，开 始进行初始化，初始化完成后可以由工作人员通过按键调整光照阈值并通过数码 管显示。然后上位机通过4 3 3 m h z 的无线电波唤醒各个下位机，接下来就开始监 测并接受对应地址传递过来的无线信号，收集到数据以后就开始进行比较判断， 最后将指令连同下位机的地址一起按照一定的时序发送到下位机。由于同一系统 中的a y - n r f 9 0 5 无线通信模块使用的是同一个频点彤j ，所以为了避免因下位机 3 0 同时发送数据而产生混乱的情况，上位机和下位机通信时采用的是轮询的方式 【3 5 】。这样虽然会使系统的实时性降低，但是可以有效地管理，并且教室的下位机 节点比较少，这种管理的方法效果较好。 图4 2 上位机工作流程图 4 2 无线通信模块程序 3 l 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 无线传输模块是整个系统中连接上位机和下位机的桥梁，下位机通过无线传 输模块将地址信息和光照强度信息传递给上位机，上位机则通过无线传输模块将 目的地址和指令传递给下位机。无线传输模块是系统中极为重要的一个部分。 4 2 1s p i 接口配置 在使用a y - n r f 9 0 5 之前需对其进行配置。所有的配置字都是单片机通过s p i 接口发送给a y - n r f 9 0 5 的，s p i 的工作方式可以通过s p i 指令进行设置，即使 a y - n r f 9 0 5 处于空闲或关机状态，s p i 仍然可以保持工作模式【3 6 】。 s p i 寄存器包括有5 个，分别是s r a t u s r e g i s t e r ，r f c o n f i g u r a t i o nr e g i s t e r ， t x - a d d r e s s ，t x - p a y l o a d ，r x - p a y l o a d 。这5 个寄存器都具有回读模式，以方便 用户确认各个寄存器的具体内容【3 7 _ 引。各个寄存器的功能见表4 1 。 表4 1s p i 寄存器功能 s p i 接口寄存器功能解释 s r a t u s - r e g i s t e r 设置数据就绪d r 与地址匹配a m r f - c o n f i g u r a t i o nr e g i s t e r 用于设置收发器的功率和频率 7 7 一d d r e s s用于设置发送目标的地址字节长度 t x - p a y l o a d 用于设置需要发送的数据的字节的长度 r x - p a y l o a d 用于设置接收到的数据字节长度 系统选用的处理器s t 8 9 s 5 2 并没有s p i 接口资源，所以要想对无线收发模块 进行操作必须了解其时序【3 9 1 ，和配置参数，并用软件模拟出s p i 接li t 作时序。 s p i 时序图如图4 3 所示。由于本设计所用的处理器没有s p i 接口，所以需要用软 件模拟s p i 接口的时序 4 0 l 。 s p i 读探作 3 2 印i 写攥作 图4 3s p i 时序图 - s p i 接口的读函数 u n s i g n e dc h a rs p i r e a d ( v o i d ) u n s i g n e dc h a r j ； f o r0 = o ；j 8 i j + 岭需要循环8 次才能发送一个字节数据 d a t a b u f = d a t a _ b u f i ； s c k = i ； i f ( m i s o ) 每次都读取数据的最高位，保存至末尾，通 脑左移位的方式完成整个字节的读取 d a t a _ b u f f 2 b y t e _ b i t 0 ； ) e l s e d a t a _ b u f & = - - b y t e _ b i t 0 ； ) s c k = 0 ； ) r e t u r nd a t a _ b u f ； 3 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 这是s p i 接口的读函数，分为以下几个步骤：第一步，m i s o 要准备好数据等 待无线通信模块发送；第二步，置高s c k ，主机读走线上数据；第三步，置低s c k ， 准备下一位数据的接收。上述步骤要循环8 次才能够通过s p i 接口读取数据p 1 1 。 s p i 接口的写函数 v o i d s p i w f i t e ( u n s i g n e dc h a rs e n d ) u n s i g n e dc h a ri ； d a t a _ b u f = s e n d ； f o r ( i = 0 ；i 8 ；i 十q i f ( d a t a 7 ) 总是发送最高位 m o s i - 1 ； ) e l s e m o s i ：= o ； s c k = i ； d a t a _ b