一种新型教室日光灯自动控制系统.doc

教室日光灯自动控制系统 第三届全国高校环保科技创意设计大赛 参赛作品一种新型教室日光灯自动控制系统晨 曦 团 队郑州大学目 录一、背景资料3二、调查报告32.1 “主动关灯”问卷调查和实际调查4 2.1.1 问卷调查4 2.1.2 实地调查52.2 调查结果分析5三、原理介绍7四、系统可行性分析8 4.1 技术可行性分析 8 4.2 节能分析11 4.3 政策分析11五、实效性分析12 5.1灵活满足光照强度要求 125.2 节省用电，节约学校开支 135.3 节能减排，有利于可持续发展 141、 背景资料在能源日益紧缺的今天，节能对于缓解能源紧张问题有着非常重要的意义。全国有近2000所大学，3000万学生，学校单单在教室照明上每天都要消耗巨大的能量，特别是电能。在晴朗的天气下，每天上午10点以后，自然光已经非常强，绝大多数教室依靠自然光都可以使同学们达到学习和工作所需要的光照强度，但我们发现很多教室依然亮着灯，甚至到中午12点还亮着，这样就造成了电能的极大浪费。从早上到中午自然光强度逐渐增强，但是日光灯的光照强度一直没有变，这也在一定程度上造成了电能的没有充分利用。我发现这样一个现象：当光照强度比较弱的时候，人们会自觉打开灯，但是当自然光线比较强依靠自然光完全可以工作和学习的的时候，却很少有人去主动关灯；这可能是教室比较暗的情况下（早晨和阴天），人们对光线比较敏感，但是当光线比较亮的时候，人们对光线不太敏感，不容易产生关灯的意识，或许人们的节能意识还比较薄弱。针对这种现象，我们急需一种新型的日光灯自动控制系统，能根据自然光强的变化调节自动开关，当自然光强达到一定强度时，能自动切断电源，达到更加充分的利用电能、节能的目的。2、 调研报告光的强度，可以用照度（单位勒克斯）来衡量。下表列出了不同天气的光照强度。照度（lux）例子120,000最亮的太阳光110,000明亮的太阳光20,000正午清澈的蓝天下阴影内的照度10,000 - 25,000典型阴天的正午400在晴朗天气下的日出与日落（室温的照度）200在正午最黑暗的暴风云下40完全阴天下的日出或日没a0时，继电器动作，电路断开；当aa0，正常工作。4、继电器的动作时间间隔可由单片机控制。阅读书籍时所需的照度为50-60lux，而晴天室内的照度为1001000路线，这说明依靠自然光完全可以满足工作和学习所需求的照度。我们在每一排并联日光灯中加上我们的自动控制系统，如此一个系统可以控制一排日光灯，因为教室里靠窗和靠走廊的位置不同，光照强度是不同的。在晴天，光照强度很高的情况下，光敏传感器接受到光照信号，传递到单片机，经放大后与设定值比较，我们将a0设定为500lux，这样可以保证不同阅读习惯的人对亮度的需求。当室内光强大于500lux的时候，继电器动作，日光灯关闭。我们设定单片机的时间间隔为1小时，进行一次动作之后1小时，光敏传感器再次接受光信号，经单片机处理后再操作，这样可以避免频繁开关日光灯引起的不适感，在正常天气下，可以做到几个小时光照强度都在设定值以上，如此便可以使教室内的灯在光照强的时候一直处于关闭状态。而且这样的设计可以避免日光灯频繁开关而对日光灯的损坏，因为日光灯每次开启都要受到高压冲击，启动时的电流是正常点燃时电流的23倍。启动加速了灯丝上电子发射物质的消耗，当灯丝上的电子发射物质消耗尽了，灯管的寿命也就完了，所以开关越频繁，日光灯寿命越短。4、 系统可行性分析4.1技术可行性分析该装置是在原来教师日光灯照明系统的基础上，加上光敏传感器、微处理器和继电器进行改造，设计出来的自动控制系统。首先，根据教室内用灯的要求，光源应该：1)产品符合现行国家标准的规定；2)控制眩光好，符合使用场所；3)灯具效率高；4)配光合理，和房间高度及尺寸相适应；5)灯具维护等级符合场所环境条件；6)经济性良，外形美观与环境相协调。故我们选用传统教室照明系统中的直管型荧光灯，即日光灯。光线柔和，功率低，价格便宜，而且不需要更换教室的照明系统，只需要在电路上加上接受放大系统、处理系统和动作系统即可。光敏传感器、单片机和继电器在市场上都可以买到。其中，光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，主要有：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器等。它在自动控制和非电量电测技术中已经得到了广泛的应用。单片机是典型的嵌入式微控制器，又称单片微控制器，它是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。它的体积小、质量轻、价格便宜。单片机在工业控制领域的广泛应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作。所以运用单片机作为微处理器的技术早已在工业上成熟。继电器是一种电控制器件。当输入量（如电压、电流、温度等）达到规定值时，继电器被所控制的输出电路导通或断开。继电器具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。我们在装置中只需要运用最常见的电磁继电器即可。电磁继电器的工作原理图只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。不仅电路元件在工业生产和生活中十分常见，该类控制系统，在工业自动化控制系统中也有广泛应用，故这样简化了的自动控制系统完全可以应用于教室照明系统。 4.2节能分析该新型日光灯自动控制系统针对同学们白天在自然光照强烈的情况下依然没有强烈的节能意识，或者尽管有节能意识但是由于长时间在灯光下学习而没有意识到光强变化并及时做出关灯行为的现象，利用常见的电路元件，对教室的日光灯系统进行改造。经过改造，我们可以创造出一种实时可控、人性化、节能环保的新型日光灯照明系统。一方面，我们通过光敏传感器定时地检测外界光强，调节日光灯的打开和关闭，避免在自然光已经很强的时候，日光灯还亮着的现象；另一方面，每1小时开关一次，而不是频繁地改变电路的压强，保证日光灯工作的时候是在额定电压下工作，工作时即为220V电压，保护了日光灯，不会因为电路系统的改变，导致频繁变压而缩短日光灯的使用寿命；另外没隔1小时操作一次，尽量避免频繁开关日光灯导致开灯时的启辉器产生的高压对日光灯的损坏，避免系统引入造成日光灯使用寿命的减短。这样，既减少不必要的电能浪费和经济损失，又避免因为自动控制体系的引入而损坏日光灯，造成额外的成本增加，从而减轻国家电力系统供电负担，为节能减排做出贡献。4.3 政策分析中华人民共和国节约能源法使节约资源成为我国基本国策。它进一步完善了我国的节能制度，规定了一系列节能管理的基本制度，如实行节能目标责任制和节能考核评价等制度。进入新世纪，节能减排工作大范围展开，新节约能源法使节约资源成为我国基本国策，节能减排工作已成为全社会参与的国事、大事。中国政府正在以科学发展观为指导，加快发展现代能源产业，坚持节约资源和保护环境的基本国策，把建设资源节约型、环境友好型社会放在工业化、现代化发展战略的突出位置，努力增强可持续发展能力，建设创新型国家，继续为世界经济发展和繁荣作出更大贡献。新型日光灯将在一定程度上减少能源浪费，有利于节能减排工作的开展。五、实效性分析5.1灵活满足光照强度要求教室照明节能不同于其它领域和场合的节电, 最重要的就是要保证照度的控制精度。因为学生要长期在教室学习, 不正常的光照度不仅影响学习效果, 而且还关系到他们的身体健康。因此, 要把照度控制精度作为头等指标来考虑。在照度很低的情况下学习和生活, 会损坏人的眼睛, 影响人的情绪; 照度过高, 光线过强, 同样也不利于人的健康; 良好的照明,适当的照度, 不但能保护视力和有益于身体健康, 满足人们进行各种活动时对光线的要求, 而且还能起到美化环境的的作用。不同的工作环境有不同的照度要求。国家制定了具体的建筑照明设计标准( GB 50034-2004) 6(以下简称5标准6 )。在5标准6中, 规定了各种场合的平均照度值, 根据5标准6的5.2.7条规定: 教室、实验室、多媒体教室等以课桌面作为参考平面, 平均照度值应达到300 lux; 而美术教室要求达到500 lux;除此以外, 在普通教室设计中还应考虑光源光通量衰减, 灯具积尘和房间墙壁污染引起的照度值降低的影响。在具体使用中, 还应及时更换光通量下降到初始值70%以下的光源(含70% )。只有这样, 才能保证教室的实际照度值不低于设计值。在本作品中，由于可以具有内部设定的光照强度值，所以可以根据不同教室的照度要求来灵活设定照度值，从而极高的提高了用电效率，同时更好的保护学生的身心健康及学习效率。5.2 节省用电，节约学校开支以本作品所提出的节约用电方法，可以做出如下计算：每个教室平均日光灯个数为30支，一个学校约有300个教室，每支日光灯功率为40W。根据我们在2.1中提及的实地调查显示，中午约50%的教室没有关灯，而傍晚有20%的教室没有关灯，而且在即便离开关灯，同学们在自习的时候依然会亮着灯。一般而言，即便是冬天的晴天， 8：0016:00的时间段都是光线充足的，这段时间电灯都应该被关闭。同学们上自习一般从早晨7点陆陆续续有人进入自习室到晚上11点离开，一天里自习室被使用的时间有16个小时。按照50%的教室在白天没有关灯算，一个学校一天多耗电1440度；如果一年被使用200天，其中70%的日子是晴天，一年多消耗20万度，折合人民币11万元左右。而日光灯的使用寿命不少于3000小时，虽然由于自动控制系统开关日光灯可能造成日光灯寿命的缩短，但一般1小时开关一次寿命仍在70%以上。故正常情况下，一个日光灯管可以使用12个月及以上，但是由于每天使用日光的的时间缩短了一半，虽然日光灯寿命被减短，却可以延长学校日光灯的使用年限至16个月及以上。市场上日光灯520元不等，按照5元算，学校一年可以少换两千个日光灯，照此即可节省10000元左右。使用学校每年节约12万元，而这12万元可以投入到科研研究中，投入到基础设施建设中，投入到学生生活条件改善中等，都可以更好地为学生服务，创造出更多科研成果，为社会服务。一个学校尚且如此，如果全国所有的学校都采用了这种自动控制系统，将会为全国剩下大量的能源与财力！5.3 节能减排，有利于可持续发展从照明用电来看，全球照明用电约占总发电量的19，我国照明用电约占总发电量的13左右，因此，节约照明用电是我国乃至全球应对气候变化的重要措施。工业化革命以来人类大量燃烧煤炭、石油等化石燃料排放了大量的二氧化碳等温室气体。由此引发的全球气候变暖已造成海平面持续上升，极端天气现象频发，严重威胁人类的生存和发展，为了保护人类生存环境、节约能源资源，促进经济的可持续发展，履行国际义务，2006年我国制订并出台“十一五”节能减排的约束性指标目标，实现“单位国内生产总值能源消耗降低20左右。随后，我国一系列节能减排举措相继出台，在此情形下，作为耗电大户的照明光源成为了社会关注的焦点。要做到整体缓解电力紧张和降低能耗，在主要照明能耗领域推广节电工程，已是大势所需。如果采用火力发电，发1度电大概需要300克煤粉左右，一个300个教室的大学1年多消耗20万度电需要多消耗煤粉60吨。一般电厂使用贫煤，烟煤，褐煤较多，含碳量约为55%，含硫量约为2%。300克煤中就大约有165克的碳，60克的硫，也就会生成约为600克