智能声光控节电照明开关的设计

摘要 摘要 自第一座带有智能化概念的建筑物于 1984 年在美国诞生以来 楼宇智能化已经成 为当今建筑发展的主流技术 目前 随着信息产业的高速发展 智能系统这个名词已逐渐 被人们所认识 在北京 上海 广州 深圳等地也不断地涌现出了一大批智能楼宇大厦 所谓的智能楼宇 就是一种基于计算机网络控制平台 对照明 变配电 电梯 安防 通 讯 广播 空调 消防 门禁 会议等各项子系统的监测与建筑物有机的结合 最大限度 的满足使用者舒适性 方便性的要求 以达到节能高效管理 快速的信息化服务等目的 照明控制系统作为建筑物的一个必不可少的电气系统 其发展随着信息技术的不断发展也 在发生日新月异的变化 传统的照明控制逐渐被智能照明控制所替代 该论文主要介绍了 智能照明控制系统在现代建筑的应用 阐述了 C Bus 智能照明控制系统 用具体的工程实 例对该系统的实际应用阐明了其解决方案 关键字关键字 555 定时器 智能照明 声光控 1 1 绪论绪论 自第一座带有智能化概念的建筑物于 1984 年在美国诞生以来 楼宇智能化已经成为当今建 筑发展的主流技术 目前 随着信息产业的高速发展 智能系统这个名词已逐渐被人们所 认识 在北京 上海 广州 深圳等地也不断地涌现出了一大批智能楼宇大厦 所谓的智 能楼宇 就是一种基于计算机网络控制平台 对照明 变配电 电梯 安防 通讯 广播 空调 消防 门禁 会议等各项子系统的监测与建筑物有机的结合 最大限度的满足使用 者舒适性 方便性的要求 以达到节能 高效管理 快速的信息化服务等目的 照明控制 系统作为建筑物的一个必不可少的电气系统 其发展随着信息技术的不断发展也在发生日 新月异的变化 传统的照明控制逐渐被智能照明控制所替代 传统照明控制是指主电源经配电箱分成多个支路 向灯具供电 它是由串接在照明回路中 的单 双 极开关来通断供电线路 以实现对灯具的控制 因而该开关所控制的灯具只能进行 开 关控制 无法形成各种灯光场景及系统管理 现代建筑中的照明不仅要求能为人们的工作 学习 生活提供良好的视察条件 利用灯具 造型和光色协调营造出具有一定风格和美感的室内环境以满足人们的心里和生理要求 而 且还要考虑到管理智能化和操作简单化以及灵活应用未来照明布局和控制方式 变更要求 但是长期以来 智能照明在国内一直被忽视 大多数建筑物仍然沿用传统的照明控制方式 部分智能大厦采用楼宇自控 BA 系统来监控照明 即使是高档的星级酒店也只能是实现 简单的区域照明和定时开关功能 相比之下 智能照明控制系统体现出强大的优越性 一 个优秀的智能照明控制系统不仅可以提升照明环境品质 还可以充分利用和节约能源 使 建筑物更加节能 环保 1 1 设计内容 这里介绍的节电开关 在白天或光线较亮时 节电开关呈关闭状态 灯不亮 夜间或光线 较暗时 节电开关呈预备工作状态 当有人经过该开关附近时 脚步声等把节电开关启动 灯亮 延时几十秒 2 2 给定条件给定条件 给出电路图 要求安装设计实用产品 声控节电开关照明时间控制 1 分钟内 整个电路采 用分立元器件或者数字集成电路组成 几十秒后节电开关自动关闭 灯灭 3 3 智能照明控制系统的构成智能照明控制系统的构成 3 1 智能照明系统控制形式 我们知道 智能照明控制系统仅仅是大楼控制系统中的一个部分 如果要将各个控制系统 都集中到控制中心去控制 那么各个控制系统就必须具备标准通信接口和协议文本 虽然 这样的系统集成在理论上是可行的 但真正实行起来却十分困难 因而 在工程中 我们 的楼宇智能管理系统采用了分布式 集散型方式 即各个控制子系统相对独立 自成一体 实施具体的控制 楼宇智能管理系统对各控制子系统只是起一个信号收集和监测作用 分 布式智能照明控制系统以其设计 安装 布线容易 系统可扩展性好等优点 更具特色 因此应用更为广泛 3 2 分布式智能照明控制系统的优越性 1 实现照明控制智能化 传统的楼宇公共区域照明工作模式 只能是白天关灯 晚上开灯 采用分布式智能照明控 制系统 可以使照明系统工作在全自动状态 系统将按预先设定的若干基本状态进行工作 这些状态会按预先设定的时间相互自动切换 例如 当一个工作日结束后 系统将自动进 入晚上的工作状态 自动并极其缓慢地调暗各区域的灯光 同时系统的移动探测功能也将 自动生效 将无人区域的灯自动关闭 并将有人区域的灯光调至最合适的亮度 此外 还 可以通过编程随意改变各区域的光照度 以适应各种场合的不同场景要求 智能照明控制 系统可将照度自动调整到工作最合适的水平 例如 在靠近窗户等自然采光较好的场所 系统会很好地利用自然光照明 调节到最合适的水平 当天气发生变化时 系统仍能自动 将照度调节到最合适的水平 总之 无论在什么场所或天气如何变化 系统均能保证室内 照度维持在预先设定的水平 2 系统的高可靠性 现有的中央集中控制系统将控制功能全部集中在中央处理器 当中央处理器一旦出现故障 整个系统即处于瘫痪 系统可靠性差 而分布式控制系统将控制功能分散给系统中每一个 模块 设有中央处理器 各功能模块之间可通过网络总线直接相互通信 预置参数独立存 储在每个模块中 当系统中某个模块出现故障时 只是与该模块相关的功能失效 若模块 所在回路出现故障 也不会影响其它回路的正常工作 3 良好的系统扩展性 分布式照明控制系统规模可灵活地随照明系统的大小而改变 小到一个房间 大到整幢大 厦 并且系统可在任何时候扩充 不必进行重新配置或更改原有线路 只需将增加的模块 用数据线接入原有网络便可 无论空间大小 室内室外 新旧建筑都能适应 4 提高管理水平 减少维护费用 分布式智能照明控制系统将普通照明人为的开与关转换成了智能化管理 不仅使大楼的管 理者能将其高素质的管理意识运用于照明控制系统中去 而且将大大减少大楼的运行维护 费用 并带来较大的投资回报 4 4 方案方案 4 1 声控照明电路 声音是我们最为熟知的 人与人需要用声音去交流 机器运转发出声音 动物会发出声音 等等 然而发此宝贵的资源却被我们忽视了很长时间 如今留给我们的就是怎样合理高效 的利用这一资源 以前人们在设计电路时只求一个 用 字 只要能用就万事大吉了 所 以我们常见的电路都有很多开关如照明电路要让它工作我们必须机械地去控制它 这对于 当今社会各种各样的智能化建筑如智能办公楼 智能化公寓等是非常不实用的 在这种情 况下声音就派上了用场 声控作为智能化电路的一部分是一可缺少的 然而要实现声控也 不是一件容易的事 因为声音是一模拟量且非电信号无法在数字电路中使用 所以我们在 设计声控电路时就面临怎样把模拟量转化为数字量 把声音信号转化为电信号的问题 要 解决这个问题我们可以设计一个类似于 窃听器 的接收设备专门用来接听声音信号并将 声音信号转化为电信号转送到下一级电路 但是作为声控电路对声音信号的要求既不能太 强也不能太弱 太强声控难以实现 而太弱电路结构复杂也难以实现 所以最好是能接收 到如人的讲话声 脚踏地板声 当这类信号转化为电信号时 电信号一般较弱 必须对其 进行放大对此可选择功放电路 运放电路 差分电路等 根据电路对信号的要求一般选择 运放电路较好 提高信号输出电压 经过这一步实现了声音信号到电信号的转换 有了电 信号实现声控就容易了 我们可以让产生的电信号去触发触发器使电路导通 对于这样的 电路设计对外加电源的要求必须稳定 不断电 故最好再为其设计一个稳压电路这样才能 使电路稳定工作 而对元器件的要求也较高 特别是半导体器件必须保证灵敏度高 各电 参数精确稳定 这样电路才能高效地工作 如今对于这样的电路设计我们以不必为其烦恼 因为有了声音传感器 可以直接将声音信号转换为电信号 大简化了电路结构 使声控电 路的设计显得更加容易 下面就运用声音传感器设计的声控照明电路加以分析 声控照明 电路的主要原理 是利用了声学和电子学的原理即用声音传感器将声音信号转换成电信号从 而推动触发器触发使电路导通工作 作为一个智能化声控照明电路应具有以下功能 能在声音的控制下实现电路的导通与截止 声音的发出应是多方面的如脚步声 物体打击声等 响应时间应越短越好 为此在选择电路元器件时应选择灵敏度较高的声音传感器组成声控照明电路控制电路的前 端 同时我们还要为该传感器设置传感条件如声音响度必须在 20DB 以上才能响应等 中间 端采用触发器构成 利用触发器不触不发 一触即发的特点去推动照明电路工作 触发器 的选择也应选择灵敏度高 响应时间短的触发器如 D 触发器 JK 触发器等 4 2 光控照明电路 在第三次科技革命的推动下 光能这一伟大的 自然的以及人类生存所必须的宝贵资源在 被人类遗忘了若干年后 今天终于得到了广泛的应用 太阳能热水器 太阳能电池 太阳 能浴场等都成为人们热议的话题 大到天上的人造卫星 小到街道的路灯太阳能的应用无 所不在 而作为智能化电路的设计考虑光能的应用也是理所当然的 在半导体技术的飞速 发展下大促进了光能应用的快速进步 在发电 取暖等方面尤为突出 智能化电路设计引 进光技术已不是新奇事了 在光控电路的设计中不同于声控电路复杂的结构 随着半导体 光敏元器件的快速发展 我们在设计光控电路时面临的问题已由怎样使光信号转化为电信 号变为怎样 在电路中加大电信号的强度 这一问题如今也以得到了较好的解决 光敏元器件的应用在 光照的情况下使其电参数发生变化从而使其对电流的阻碍作用减小或增大 进而使电路导 通或截止 电信号强弱的改变光控转化为电控电路功能的实现便容易了 在这样的电路设 计中 对电路元器件的要求也极为高尤其是光敏元件是光控电路功能实现的核心 必须保 证其各项参数的精确 稳定 故在选择这类元器件时一定要选择高灵敏度 工作稳定可靠的元件 当然电路工作的稳定是否 功能能否实现 并不仅仅只和电路元器 件有关 外加电源也是不可忽视的 与声控电路一样最好也是给光控电路加上一个稳压电 路确保电路能正常工作 现就采用光敏元件设计光控照明电路作如下分析 电路原理 利用光敏元件随光照强度的变化而阻抗发生变化的特点 去控制电信号的强弱 再由传感器将变化的电信号传递给触发器 只要电信号强度达到一定程度将触发触发器使 其导通工作 光控照明电路其主要功能是实现当外界光照强度降低到一定程度时 使照明 电路导通工作 就其方案而言多种多样 但我们在设计时必须要考虑方案的可行性 稳定 性以及元器件的灵敏度 尤其是光敏元件必须选择灵敏度高的这样电路功能才能较容易实 现 为此我们在设计光控电路时 不但要尽量使电路结构简化 而且要使电路功能强 功 能的实现要可靠稳定 4 3 延时电路 从 20 世纪中后期数字电路的飞速发展到今天技术已越来越成熟 自从电子计数器的出现之 后各式各样 功能万千的定时 计数器层出不穷 然而正是电子计数器的出现才使得电子技 术的发展上了一个新的台阶 定时 计数这一功能在电子电路中的应用 使智能化电路的设 计更加名副其实 我们常见的交通红绿灯 公园里的娃娃车等都是采用了定时计数技术的 典型示例 我们大家都看过智力竞赛 都有知道抢答器 然而抢答器更是电子定时 计数器 的典型应用 虽然我们可以花几元钱就可以从街上买一个不错的抢答器 但要让我们自己 动手做一个出来就不是一件容易的事的 它不仅只是我们所看到的结果能够抢答更为重要 的是其功能的实现是集成了很多技术 如定时 锁存 显示等等 由此可见定时 计数器的 应用不仅广泛 而且意义深远 现就延时电路作如下分析 电路原理 利用电子计数器的原理实现定时功能 延时电路其构成方案一般有三种 硬件构成 软件构成 软硬相结合构成 对于由硬件构成的定时器 一般是用改变 R C 元件值控制定时的 其效率较高 但灵活性 通用性较差如 555 定时器 而由软件构成的定时器是用执行一段程序来实现定时的 其灵 活性通用性较高 但效率较差 故现在设计定时器一般都是采用软硬相结合的方法集两者 之长通过编程设定不同的延时常数 而由硬件控制定时过程 其效率和灵活性都得到了较 大的提高 如大规模集成电路可编程计数器 8253 51 单片机通过编程构成计数器等 在一 个实际的电路中延时不是主要目的 而主要目的是为了完善电路功能 故作为一个延时电 路 在整个电路中其应在延时结束后能发出一个结束信号 控制电路是否继续工作下去 所以前述声控 光控电路尽管也能实现控制电路的功能 但其功能是不完善的 为此应对 其进行改进有三种方案可行 声控延时 光控延时 声光联控延时 此三种方案可 用于不同的场合 现就第三种方案加以事例进行分析 5 5 电路总体框架电路总体框架 600 makesmallpic this 600 1800 src file C DOCUME 1 ADMINI 1 LOCALS 1 Temp ksohtml wps clip image 3993 png width 520 height 100 图 1 声控照明节电开关电路原理方框 该图是该声控照明节电开关电路原理方框 由话筒 电压比较器 光控 电子开关 延时 和交流开关等部分电路组成 声光联控延时照明电路的主要原理就是利用光控部件控制电路白天不工作 而夜晚则由声 控部件控制其工作 再由延时部件控制其工作时间 在白天由光控部件控制电路 无论外界有无声音发出电路都不会工作 而到了夜晚光控部 件就不在起作用由声控部件控制电路 只要在一定范围内有声音发出且达到一定响度电路 就会导通工作 又由延时部件控制其工作时间 由该事例可知声 光 延时三部分是相互 联系的没有光控电路智能化实现不完善 没有声控电路也谈不上延时 而没有延时电路也 谈不上智能 该电路的设计较完备 在电能节约方面处理的较好 但该电路也存在一定的 缺陷如要使灯常亮则该电路无法实现 要对电路进行维护在白天需要灯亮则该电路也无法 实现 为此要对该电路进行升级 所谓升级就是对电路的功能进行进一步完善 我们可以 为其添加一些硬件使在不影响电路正常智能化实现的前提下 电路能受人为所控制以至更 好的为人们服务 6 6 电路主要组成电路主要组成 6 1 声音传感器 MIC 把声音信号转化为电信号 当这类信号转化为电信号时 电信号一般较弱 可对其 进行放大对此可选择功放电路 经过这一步实现了声音信号到电信号的转换 有了电信号 实现声控就容易了 我们可以让产生的电信号去触发触发器使电路导通 6 2 光控部分 光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器 入射光强 电阻减小 入射光弱 电阻增大 光敏电阻器一般用于光的测量 光的控制和 光电转换 将光的变化转换为电的变化 通常 光敏电阻器都制成薄片结构 以便吸收 更多的光能 当它受到光的照射时 半导体片 光敏层 内就激发出电子 空穴对 参与 导电 使电路中电流增强 可见光光敏电阻器 包括硒 硫化镉 硒化镉 碲化镉 砷化镓 硅 锗 硫化锌光敏电 阻器等 主要用于各种光电控制系统 如光电自动开关门户 航标灯 路灯和其他照明系 统的自动亮灭 自动给水和自动停水装置 机械上的自动保护装置和 位置检测器 极 薄零件的厚度检测器 照相机自动曝光装置 光电计数器 烟雾报警器 光电跟踪系统等 方面 光敏电阻的内部结构见图 2 本设计采用 MG 系列光敏电阻与 91K 的电阻串联 6 3 定时部分 集成定时器 555 电路 是一种数字 模拟混合型的中规模集成电路 应用十分广泛 它是 一种产生时间延迟和多种脉冲信号的电路 由于内部电压标准使用了三个 5K 电阻 故取名 555 电路 其电路类型有双极性和 CMOS 型两大类 二者的结构和工作原理类似 二者的逻 辑功能和引脚排列完全相同 易于互换 555 电路的引脚排列图 3 如图所示 其功能表如表 1 所示 555 电路构成 单稳态触发器 如图 4 输出电压 Vo 的脉宽 t RCln3 555 定时器内部电路见图 5 降压整流部分 D1 D2 C5 MC78L05CP 构成整流电路 为元件提供工作所需直流电压 如图 6 7 7 电路工作原理 电路工作原理 当白天时 光敏电阻 RL 成低阻状态 与非门输出高电平 555 定时器 3 脚则保持低电平 继电器开关 K 保持断开状态 照明电路断开 当夜晚时 光敏电阻 RL 成高阻状态 阻值远 远大于 R6 输出高电平 当话筒未接收到声音时 LM3900 的 4 脚输出为高电平 电容 C2 右端为高电平 信号通过逻辑门电路后变为高电平 输入到 555 定时器 2 脚 555 定时器 3 脚则保持低电平 继电器开关 K 保持断开状态 照明电路断开 600 makesmallpic this 600 1800 src file C DOCUME 1 ADMINI 1 LOCALS 1 Temp ksohtml wps clip image 5674 png width 502 height 241 图 2 光敏电阻内部结构 600 makesmallpic this 600 1800 src file C DOCUME 1 ADMINI 1 LOCALS 1 Temp ksohtml wps clip image 9837 png width 192 height 149 图 3 555 定时器引脚排列图 600 makesmallpic this 600 1800 src file C DOCUME 1 ADMINI 1 LOC