智能家居照明控制系统52.doc

摘 要 随着科学技术的不断发展 人类社会迎来了电子信息时代 而智能家居照明 控制技术随着智能化住宅的蓬勃兴起而飞速发展 成为照明控制技术发展的一个 重要方向 因此 针对现有的智能照明控制系统的优缺点 根据人们的行为模式 和住宅的光环境决定照明的控制规律 研究智能家居照明控制系统对提高人们的 生活质量 节约能源和提倡绿色照明等具有十分重要的现实意义 本论文主要从智能照明的基本概念 照明质量 家居照度标准 照明方式和 种类 电光源的选择 智能照明控制系统的控制方式 智能家居照明控制系统设 计等方面研究了家居式照明系统的设计的常用的方法 并且给出了智能化住宅各 房间的典型照明技术 同时指出在进行照明系统的设计时 不仅要根据场合的具 体环境使照明系统能够实现视觉需求的光环境 同时要注意节约能源 实现绿色 照明 本论文分析了现有的智能照明控制方式的控制原理及其优缺点 设计了基于 家居环境的智能照明系统 并介绍了该系统的功能及软 硬件的设计方法 系统 中的控制装置采用AT89S51 单片机作为控制器 用C 语言编程 采用光敏二极 管检测光照度和 PWM 方式进行调光 同时设计了正负12 伏直流供电电源 在 具体硬件设计中 本文主要设计了光照度检测 显示及补偿部分 经过调试 该 部分完全能够实现设计系统的功能 此外 还设计了灯光调节部分 根据环境调 光或进行手动调节 同时还预留了RS232 串行接口 为今后采用数字网络化调 节的应用预留了空间 关键词 智能家居 照明控制技术 光环境 照明质量 照度检测 照度补偿 Abstract With the development of science and technology human come in the era of electronic information So the technology of the electronic home lighting control make a great development with the rise of electronic home So the research on electronic home lighting control system is of great practical significance to improve people s life quality and to promote green lighting against with the Advantages and disadvantages of the existing Intelligent Lighting Control System and according to people s behavior patterns of residential and light environment This paper mainly does research in the commonly used method of the design of the home lighting systems according to the basic concept of smart lighting lighting quality home illumination standards methods and types of lighting the choice of light source the control of the electronic home and gives the typical residential lighting technology of every room At the same time this paper pointed out that in the design of lighting systems not only need according to the specific occasion to achieve the demand lighting environment but also should pay attention to energy conservation and green lighting This paper makes an analysis on the control theory and the advantages and disadvantages of the existing smart lighting It designs the electronic home lighting systems and introduces the method of the software system and hardware system in designing The controller of this system uses AT89S51 and makes program with C language It uses the photodiode to detect light and make a dimming in the PWM way At the same time it designs a plus and minus 12 volt DC power supply In the specific design of hardware this paper mainly designs for lighting detection display and some compensation After commissioning the design can completely realize the function of system Furthermore it reserves the RS232 interface make the space for the using digital networks in future Key words intelligent home lighting control technology light environment lighting quality lighting detection light compensation 目 录 引言 1 1 绪论 1 1 1 智能家居的概念 1 1 2 智能家居照明的发展概况 1 1 3 智能照明控制系统的优势 1 1 4 现有智能照明控制系统的分析 4 1 5 本课题的研究意义 4 1 6 本文的主要研究内容 5 2 智能家居的照明设计 6 2 1 智能照明的基本概念 6 2 1 1 人类的视觉特性 6 2 1 2 光照度及其单位 7 2 2 照明质量 8 2 3 家居照度标准 8 2 4 照明方式和种类 9 2 4 1 照明方式 9 2 4 2 照明方式的确定 9 2 4 3 照明的种类 10 2 5 电光源的选择 10 2 6 智能照明控制系统的控制方式 12 2 6 1 开环控制 12 2 6 2 闭环控制 13 2 6 3 应急照明控制 13 2 7 智能家居照明控制系统设计 14 2 7 1 系统的基本功能 14 2 7 2 系统的基本结构 14 2 7 3 各个房间的照明设计及要求 15 3 智能家居照明控制系统硬件电路设计 18 3 1 主要元器件的选取 18 3 1 1 控制器的选择 18 3 1 2 显示器件的选择 18 3 1 3 光照度检测元件的选择 19 3 2 电源电路设计 20 3 3 主控制电路设计 20 3 4 数据采集及处理电路 22 3 4 1 数据采集电路 22 3 4 2AD 转换电路 23 3 5 显示电路设计 25 3 6 照度补偿电路设计 26 3 7 调光电路 26 3 8 串行接口电路设计 27 4 智能家居照明控制系统软件设计 29 4 1 结构设计 29 4 2 流程图 29 4 2 1 主程序 29 4 2 2 显示子程序 30 5 实验与调试 31 5 1 实验模拟装置的制作 31 5 2 实验模拟装置的调试 31 6 结论与展望 32 谢 辞 33 参考文献 34 附 录 35 引言 我国是一个人口众多的 资源相对不足的国家 发展节约型 创新型社会是我国 的一项长期基本国策 在现续代化建设中必须实施可持发展战略 智能家居照明工程 是可持续发展战略的一个内容 做好智能照明工程的工作一方面可以大幅度的节约照 明用电 减少发电排污 保护环境 另一方面可以改善照明质量 形成一个优质高效 经济 舒适 安全可靠 有益人们工作和生活的照明环境 智能照明工程的内涵是节能 高效 舒适 安全 有益于环保 家居照明设计应 坚持 以人为本 的原则 按照现代绿色照明设计的原则 使照明系统产生综合的效 益 既要降低能耗指标 满足环保的要求 又要创造良好的照明环境 保证人们的身 心健康 促进国民经济的迅速发展 本文具体对于家居环境的特点 提出了相应的节能措施 设计了相应的智能照明装 置 先介绍了智能家居的的具体含义 存在的背景以及智能照明的现状与发展趋势 然后重点介绍设计的照明装置各个模块的原理与设计思路 最后叙述了硬件的设计调 试过程和软件的编程 1 绪论 1 1 智能家居的概念 智能家居 或称智能住宅 目前与此含义近似的词汇相当多 诸如 家居智能化电 子家庭 Electronic Home 数字家园 Digital Family 家庭自动化 Home Automation 家庭网络 Home Net 网络家居 Network Home 智能家居 建筑 Intelligent Home Building 实际上智能化住宅的发展分为三个层次 首先是家庭电 子化 HE Home Electronic 其次是住宅自动化 HA Home Automation 最后是 住宅智能化 美国又称智慧屋 WH Wise Home 欧洲称为时髦屋 SH Smart Home 尽管名称五花八门 但它们的含义和所要完成的功能大体是相同 曾经有文章这 样描写一种智能家居 当早晨起床时间一到 卧室音响设备就会自动播放主人爱听的 起床曲 唤醒主人 卧房浴室的电灯也会在主人进入梳洗时自动亮起 这时 厨房 的煮咖啡器也会自动煮水 等主人出来时 就有热腾腾的咖啡等着他 在客厅里 主 人只需轻轻按动综合功能遥控器 就可以十分方便地通过家庭影院系统播放电视节目 CD 点播 DVD 播放 上网查询邮件和当天的新闻 以及多媒体游戏 当主人出门后 智能家居系统就会自动启动安全保卫系统 一旦有人非法进入住宅或发生意外事故 如火灾 煤气泄漏 老人疾病紧急救助 系统就会自动拨电话通知主人 或向有关 部门报警 在外的主人接到报警后 也可以拨电话回家接上家庭智能化系统 开启家 中的数码电话机上的特别对讲器 听听家里有没有奇怪的声音 甚至质问不速之客 你想干什么 主人在下班回家前 可以通过电话遥控家里的空调并调节到舒适的温 度上 以及其他的电器设备 当主人完成操作后 电话里会传来优美的应答声 1 2 智能家居照明的发展概况 智能家居是综合计算机 信息通信等方面最先进的技术 使住宅内的电力 空调 照明 防灾 防盗 运输设备等 实现住宅综合管理自动化 远程通信和办公事自动 化的有效运作 并使这三种功能结合起来的家居环境 随着智能建筑 特别是智能家居式建筑的出现 使建筑要求和设计方法跟传统的 住宅比 大为不同 照明作为建筑不可缺少的部分 随着国际上智能家居的大量出现 与之配套的智能照明技术也迅速发展 并成为 21 世纪的照明技术发展的一个重要方向 预计在本世纪 人工智能技术在建筑和照明中的应用趋势将会进一步扩大 面对 这一发展趋势 开发了不少智能照明设计 如智能灯具 智能照明控制与管理系统 包括在照明方面的计算机硬件和软件 此外计算机在照明设计和测试方面也得到广泛 地应用 澳大利亚邦奇公司开发的 Dynalie 智能照明控制系统 日本的智能照明建筑 特别是现代化办公室的智能照明技术等都值得我们研究与借鉴 1 3 智能照明控制系统的优势 智能照明控制系统是指用计算机技术并辅助其他手段 对电力照明实行自动控制 提供合适照明环境的同时降低照明系统的电能消耗和其他使用费用 智能照明控制系 统于手动照明控制系统相比有很多优点 包括创造环境气氛 改善工作环境 提高工 作效率 良好的节能效果 延长光源寿命 管理维护方便等 创造环境气氛 使用智能照明系统 可以根据使用情况和住宅内的日光亮度来预设回路 可在回 路中实现灯具的单独控制或成组控制 每个回路或灯具都可以设置为不同的亮度级别 这些级别存储为 场景 可以理解为一个房间或某一区的完整面貌 设置场景后 即 可方便地使用墙上的控制面板或遥控器手动调用 可以根据定时器 日光传感器和使 用情况自动调用这些场景 使其达到丰富的艺术效果 改善工作环境 提高工作效率 智能照明控制系统以调光模块控制面板代替传统的平开关控制灯具 可以有效地 控制各房间内整体的照度值 从而提高照度均匀性 同时 这种控制方式有效地解决 了频闪效应 不会使人产生不舒适 头晕脑胀 眼睛疲劳的感觉 良好的节能效果 智能照明控制系统借助各种不同的 预设置 控制方式和控制组件 对不同时 间不同环境的光照度进行精确设置和合理管理 实现节能 这种自动调节照度的方式 充分利用室外的自然光 只有当必需时才把灯点亮或点亮到要求的亮度 利用最少的 能源保证所要求的照度水平 节电效果十分明显 一般可达 30 以上 延长光源寿命 智能照明控制系统能成功地抑制电网的浪涌电压 同时还具备了电压限定和 WE 流滤波等功能 避免过电压和欠电压对光源的损害 智能调光器慢慢地把灯光调亮到 一个设定的水平 刚打开灯时 这是相当重要的 在这一点上 白炽灯由于灯丝的热 冲击易于失败 通过把灯慢慢地调亮到设定的水平 也被称为 软启动 避免了冲击 电流对光源的损害 可以相当多的延长灯泡的寿命 降低灯泡的亮度也可以延长灯泡 的寿命 减低 10 的亮度 灯泡可以延长一倍的寿命 而减少 50 可以延长到 20 倍 以上 还可以实现 软关断 灯光慢慢地熄灭 当切换场景时 灯光的变化是渐变的 使人们不会有突然变化的感觉 充分考虑到人眼对灯光的亮度的适应性 延长光源寿 命不仅可以节省大量资金 而且大大减少更换灯管的工作量 可以降低照明控制系统 的运行费用 管理维护也变得简单 管理维护方便 智能照明控制系统对照明的控制是以模块式的自动控制为主 手动控制为辅 照 明预置场景的信息存储在内存中 这些信息的设置和更换十分方便 使建筑物的照明 管理和设备维护变得更加简单 例如在客厅中 可根据时间设定晚上 11 点后 场景照 明自动切换到睡前场景照明 睡觉前还可以从集中显示器中查看各房间的灯是否关闭 1 4 现有智能照明控制系统的分析 澳大利亚奇胜场景照明控制系统 可以对同一个场所中最多 18 个灯区 照明回路 供 电和调节亮度 用户可以调节和预设每个灯区的亮度以适应最多 5 种场景 只需按一 下按键就可以为你的活动选择满意的照明环境 美国 LC当灯丝温度高时 灯丝发白 发出的光由红 变白 显色性 当某种光源照射到物体上时 该物体的色彩与阳光照射时的色彩是不完全一样的 有一定的失真度 所谓光源的显色性 就是指不同光谱的光源分别照射在同一颜色的物 体上时 所呈现出不同颜色的特性 通常用显色指数来表示光源的显色性 2 1 2 光照度及其单位 光通量 按人眼对光的感觉量为基准来衡量光源在单位时间内向周围空间辐射引起光感的 能量大小 称为光通量 光通量用符号表示 单位为流量 lm 照度 通常把物体表面得到的光通量与这个物体表面积的比值叫做照度 由 E 表示 2 1 式中 A 光通量 lm A 面积 E 照度 lx 下面举几种常见的照度情况 在 40W 的白炽灯下 1m 远处的照度约为 30lx 加搪瓷伞形后增加为 73lx 晴朗的白天室内为 100 500lx 照度为 1lx 仅能辨别物体的轮廓 阅览室的照度要求不低于 50lx 2 2 照明质量 良好的照明质量 对提高学习和工作效率及减少视觉疲劳和创造一个舒适的生活 环境等都具有重要的作用 此外 随着生活水平的提高 人们对照明质量的要求也越 来越高 影响照明质量的因素主要有下面两点 照度的均匀性 在视野内 照度的不均匀很容易引起视力疲劳 为了使照明场所的照度比较均匀 要求房间由最大 最小照度分别与平均照度之差不大于或不小于平均照度的六分之一 可以从灯具的布置来解决 只要实际布灯的距离比 d h 小于各种灯具最有利的距 离比 d h 照度的均匀度便能满足要求 照度稳定性 为了保证照度在使用过程中不低于标准值 即应考虑光源老化 灯具污染等不利 因素 在设计时可适当增加光源的功率 其次防止因电压下降而引起照度降低 以及电压变化而引起的照度波动 特别是 每秒 20 次下的严重波动 对眼睛危害很大 更应该避免 这种电压波动是在网络内大 功率设备频繁启动所致 解决方法是动力和照明电源分开 以及照明变压器增设调压 器等 2 3 家居照度标准 照度标准是关于照明质量和数量的规定 即工作面上的亮度或照度 因此在照度 标准中主要是规定工作面的照度 在确定照度标准时 应根据建筑规模 空间大小 服务对象 设计标准等条件 在推荐照度范围内选择最适当的设计照度值 对于各类建筑的一般照明推荐照度值 建筑电气设计技术规程 有明确的规定 下面仅将家居住宅的照明推荐照度列于表 2 2 中 如下所示 表 2 2 家居住宅的照明推荐照度表 房间名称推荐照度 lx 厕所 洗浴室5 15 起居室 餐厅 厨房15 30 卧室 婴儿哺乳室20 50 单宿 活动室30 50 2 4 照明方式和种类 2 4 1 照明方式 照明方式是照明设备按照其安装部位或使用功能而构成的基本制式 它分为一般 照明 分区一般照明 局部照明和混合照明四种 一般照明 为照亮整个场地而设置的均匀照明称为一般照明 对于工作位置密度很大而对光 照方向无特殊要求的场所 或受生产技术条件限制不适合装设局部照明或采用混合照 明不合理时 则可单独装设一般照明 分区一般照明 对某一特定区域 如进行工作的地点 设计成不同的照度来照亮该区域的一般照 明称为分区一般照明 可以有效地节约能源 局部照明 特定视觉工作用的 为照亮某个局部而设置的照明称为局部照明 局部照明只能 照射有限面积 对于局部地点需要高度并对照射方向有要求时 可以装设局部照明 对于因一般照明受到遮挡或需要克服工作区及其附近的光幕反射时 也宜采用局部照 明 当有气体放电光源所产生的频闪效应的影响时 使用白炽灯光源的局部照明是有 益的 混合照明 由一般照明和局部照明组成的照明称为混合照明 对于工作位置视觉要求比较高 且对照射方向有特殊要求的场合 往往采用混合照明方式 2 4 2 照明方式的确定 要在满足照明舒适性的前提下节约能源 住宅中必须根据照明的功能目的采取合 理的照明方式 一般照明结合局部照明便可获得良好的照明光环境 例如卧室 卧室 主要是休息场所 当进行一般的活动 整理床铺 折迭衣服 交谈 时 可只打开一般 照明 照度为 50lx 左右 但当坐在梳妆台前化妆时 如只打开卧室中央的吸顶灯 灯 光可能从背后或侧面射来 脸上不能获得应有的照度 显得脸色晦暗 如果在梳妆台 上方可设置局部照度 300lx 并控制眩光的角度 不让光线直射入眼 就可以达到 很好的效果 不用时可以关闭 灵活 方便 一般人睡觉前会有床上阅读的习惯 可 在床两侧的床头柜上设置台灯 或在床的上方设置壁灯 并可单独控制 总之 在需要高照度的场所 尽量采用局部照明 尤其住宅中是以环境照明为主 如果都以高照度的标准设置室内的平均照度 不仅浪费有限的资源 而且达不到应有 的照明要求 2 4 3 照明的种类 一般包括正常照明 应急照明 值班照明 警卫照明和障碍照明这五种 在本设 计中主要采用正常照明 各种照明的具体定义及适应范围这里不在详细的介绍 2 5 电光源的选择 选择光源以优先选用光效高 寿命长 节约电能的光源为原则 结合环境特点及 工艺要求综合考虑 下面介绍几个选择光源的角度 1光源的发光效率角度 光源发出的光通量是以流量 lm 来度量的 而每瓦电能所能发出的光通量就是光 源的发光效率 简称光放 因为普通白炽灯 普通荧光灯的光效可以大大低子高效节 能电光源 节能白炽灯 紧凑型荧光灯 高效直管荧光灯 为节约能源 应尽量采用 节能电光源 2光源的色温角度 光源的色温 与所研究的光源色品度相同或最接近完全辐射体的温度 用绝对温度 K 表示 是将一标准黑体加热 温度升高至某一程度时颜色开始由红 浅红 橙黄 白 蓝白 蓝 逐渐改变 利用光色的这种变化特性 某光源的光色黑体在某一温度 下呈现的光色相同时 将黑体的绝对温度称为该光源的色温 在照明中 不同的光源 具有不同的色温 它们引起不同的外观效果 表 2 3 给出不同色温的光源所具有的外 观效果阁 在照明设计中 应考虑季节变化 夏季宜采用高色温光源 冬季宜采用低 色温光源 表 2 3 光源的颜色外观效果 色 温颜色外观效果 5000K 冷 3300 5000K 中 间 3300K 暖 不同色温不但给人们以不同的外观效果 而且要求的照度也不同 表 2 4 给出在不同 照度下 对光的不同颜色外观效果的总印象 表 2 4 不同照度下不同光色的外观总效果 光色外观效果照度 暖中间冷 500 500 1000 1000 2000 2000 3000 3000 舒适 刺激 不自然 中等 舒适 刺激 冷 中等 舒适 光源的显色性角度 光源显现被照物体颜色的性能称为显色性 也就是颜色逼真的程度 光源的显色 性是 由光源的光谱功率分布所决定的 光谱连续的光源显色性好 物体在该光源下 所呈现的颜色就比较逼真 显色性用显色指数定量地表示 CIE 显色指数是指 14 种特殊规定的颜色中的任一色样 在待测光源下的颜色与在 参照光源下的颜色一致的程度的度量 用特殊显色指数 R 表示有关单个色样在被测光 源下的显色程度 前 8 个色样的显色指数 R1 R8 的平均值称为 CIE 的一般显色指数 用 Ra 表示 是 0 100 的数值 一般人工光源用 Ra 作为评价显色性的指针 光源的显 色指数愈高 其显色性愈好 显色性与参照光源完全相同时 Ra 为 100 一般认为 Ra 80 100 显色性优良 Ra 50 79 显色性一般 Ra 50 显色性较差 实验结果表明 在 相同的照度下 采用显色性好的光源 视亮度 主观亮度 较高 采用显色差的光源 视亮度 主观亮度 较低 若采用显色性差的光源 应相应地提高照度值 以提高色度 表 2 5 说明人工光源对不同颜色所产生的影响 表 2 5 人工光源对不同颜色所产生的影响 光源暖色 红 黄 橙 冷色 蓝 绿 黄绿 冷光荧光灯 能把暖色冲淡或使之带 灰 能使冷色中所有黄色及 绿色成分加重 3500K 白光荧光灯 能使暖色暗淡 对一般 浅绿的色彩及淡黄色捎 带黄绿 能使冷色带灰 但能使 其中的绿色成分加重 柔白光荧光灯 能使任何鲜艳的冷 暖 色看去都更有力 能使浅淡的色彩和浅蓝 淡绿等冲淡 使蓝色及 紫色罩上一层粉红 白炽灯 能加重所有暖色 使之 看去鲜艳 能使一切淡色 冷色暗 淡及淡灰 2 6 智能照明控制系统的控制方式 根据现有的智能照明控制系统的控制方式 分为开环控制 闭环控制和应急照明 控制 2 6 1 开环控制 1 定时控制 定时控制是一种常用的控制方式 分为计时器和实时时钟两种 计时器由手动操 作 一旦被驱动 打开灯光并保持一段时间 时间的长短是预设的 计数时间到就关 闭灯光 如要打开灯光需重新驱动定时器 一般的计时器可定时 5 分钟到两个小时 人离开后可 自动关闭灯光 可节约能源 但如人停留的时间超过定时时间 需再次驱 动 可能会造成灯光频繁的开关 计时器大多用在人只作短暂停留的场合或者正常工 作时间以外偶尔有人逗留的区域 实时时钟控制是根据预先的时间设定来进行控制 根据时间打开 关闭灯光或调 节灯光到某一设定的水平 有机械实时时钟和电子可编程实时时钟两类 机械实时时 钟简单易用 价格相对便宜 但只可设定一个时间 电子可编程实时时钟则可设定很 多不同的灯光区域和时间 采用实时时钟管理灯光方便 可节约能源 但有时需要设 置手动开关 2 手动遥控器控制 通过遥控器 实现在正常状态下对各区域内用于正常工作状态的照明灯具的手动 控制和区域场景控制 开关控制是灯具最简单 最根本的控制方式 采用这种方式可以根据灯具的使用 情况以及不同的功能需求 方便地开灯或关灯 这是目前最为常见 使用最普遍的照 明控制方式 开关控制可分为跷板开关控制 断路器控制 红外传感器控制等 其中 红外传感器与调光技术的并用 不仅可以控制灯的开关状态 而且还可以控制空间的 照度水平 这将使一个人走人完全黑暗空间时的不舒适感大为减少 目前又发展了定 时控制 光电感应开关控制 声控开关控制等 就目前现有技术而言 遥控开关大多采用可控硅或继电器作为开关器件 可控硅 的抗干扰和抗过载能力很差 不适宜控制感性和容性负载 可靠性差 长时间工作容 易损坏 而继电器工作时线圈有一定功耗 易发热不适宜长时间工作 继电器的触点 也不能长期工作在过载状态 同时这些采用可控硅或继电器的电子开关 一旦出现故 障将使受控电器不再受 电器处于长期通电或断电状态很不安全 安全性 可靠性 稳定性这些问题成为各种电子化开关成为各厂家努力寻找解决的目标 大约 80 的家庭拥有三个以上遥控器 过多的遥控器使人产生不方便感 而多种 功能合一的遥控开关集多种遥控功能于一身 首先它是无线遥控开关 可以控制家中 的照明 窗帘 空调等系统 同时它也是红外遥控开关 内置了许多品牌的电视 音响 VCD 等红外控制指令集 还可以学习两种红外线遥控器的控制功能 用于客厅或高级家 庭影院 将计算机 电话 视听设备 安全监控设备 厨房设备 电灯 窗帘等受控 设备的红外遥控码进行学习和对所有设备模拟控制 然后集中在一个无线液晶屏上 通过液晶屏上的中文菜单选择点击 只要拿着这只全能遥控器 就可以遥控家里的任 何一个角落的设备 3 区域场景控制 智能照明系统中 回路级别是根据使用要求和其它因素预先编程好的 照明设备 可以独立控制 或者在回路中成组控制 每个回路或者设备可设置成不同的亮度水平 这些亮度水平可以储存为一个 场景 其可以看作为一个房间或区域的一个完美外 观 场景一旦设计完成 场景可以很容易地通过操作墙上的控制面板或遥控器实现 也可以通过定时器 光传感器或者根据活动区域探测器自动地实现场景照明 一旦新 的场景被选中 照明设备将以预先设定的速率转换到新的设置水平 区域场景控制可 以实现多种照明效果 创造视觉上的美感 但其也有不足 就是在修改场景时必须通 过编程 2 6 2 闭环控制 照度检测控制 为了充分利用日光 节约能源 通过照度检测器检测窗户外边的自然光照度 根 据日光系数计算出室内某一点的水平照度 由计算得出的水平照度开启相应的灯光并 调节到相应的亮度 使该区域内的照度不会随日照等外界因素的变化而改变 始终维 持在照度预设值左右 这种控制方式是照度检测控制 但是这种控制方式利用昼间照 明 故存在两个方面的问题 1 建筑设计者需要确定一年中哪些时期日光在室内产生 的照度超过日常工作所需的照度 2 工程师安装由日光控制的人工照明系统时需要有 一个准确的控制参数以保证有一个舒适的视觉环境 照明与窗帘的联动控制 电动窗帘控制系统是整个居室照明系统的一个重要功能部分 它把家中的窗帘系 统纳入整个智能照明中 而电动窗帘控制系统的核心就是窗帘电机控制器 利用它就 可以对窗帘进行控制 2 6 3 应急照明控制 应急照明控制是指智能照明控制系统对特殊区域内的应急照明所执行的控制 在 正常状态下 它能够自动调节照度和区域场景控制同调节正常工作照明灯具的控制方 式相同 在应急状态下 它能够对各区域内用于应急工作状态的照明灯具放弃调光 实现自动解除调光控制 使处于事故状态的应急照明达到 100 以上分析了智能照明控制系统中通常采取的几种照明控制方式 并不是一个照明 控制系统必须包含上述所有控制方式 而是根据需要 以及可行性 确定采用其中的 一种或几种的组合控制方式 2 7 智能家居照明控制系统设计 2 7 1 系统的基本功能 1 调光功能 即可对荧光灯 白炽灯等光源进行调光 可记忆多个场景以满足会客 家庭聚会 休闲娱乐 文化学习等多种场景的光环境的需求 2 编程功能 能够方便的修改灯光的场景 3 软启动和软关断功能 避免冲击电流对光源的损害 延长光源的寿命 4 显示功能 包括时间显示 场景显示 季节显示等 5 手动调光功能 当手动调光器在最大或最小值输出时 处于自动调光状态 当其 处于最大和最小值之间时 可根据需要进行手动调光 6 休假模式功能 当主人外出休假时 按下休假模式按键 系统即可进入休假模式 根据程序设定 就可模拟主人在家时最常用的灯光模式 7 不仅可以独立运行 实现对光环境的合理控制 而且具有通信和可扩展性功能 2 7 2 系统的基本结构 根据系统功能 系统主要由控制面板的输入电路 光照度检测电路 输出电路 调光电路和显示电路组成 光照度检测模块由光敏二极管和运算放大器组成 当把光敏二极管的两端连接起 来的时候 就会产生与光照度成正比的电流 这就是短路电流 由于电流很小 所以 经过运算放大器的放大作用同时转换成电压送入 A D 转换输入单片机去处理 模数转 换芯片采用 ADC0831 接收经过运算放大器处理后的光照度的检测值 经过 ADC0831 处 理后送单片机进行数据处理 处理后的信息将通过单片机控制 在 LED 显示管上显示 出光照度所对应的电压 并且控制八个发光二极管的亮灭 输入回路由控制面板组成 输入人们的控制指令 比如场景切换 进入休假模式等 电源电路主要把交流电源转 换为控制器 各芯片的工作电源及参考电压 显示电路完成时间显示 场景显示 季 节显示等功能 输出电路由固态继电器或调光器 灯光回路组成 完成对荧光灯 白 炽灯的调光 目前 采用可调光电子镇流器 PWM 调光技术 的方式来实现荧光灯的调 光 近年来 出现了一种先进的电脑调光控制技术 智能调光系统 系统中采用微处 理器 可据不同要求对光环境进行智能地调节 整个系统的原理框图如下图 2 1 所 示 控制面板 输入回路 图 2 1 系统框图 2 7 3 各个房间的照明设计及要求 客厅 厨房 餐厅 卧室 书房 卫生间 为现代 家居照明设计的六个 节点 构成了 智能家居生活的六面魔方 别小看空间中的灯光 这些看不见摸不 到的设计元素的确影响着你精心布置的家居 热烈或宁静 沉稳或活波 浪漫或温馨 同样的结构形式 装饰风格 不同的灯光却塑造出截然不同的气质 客厅 形式大于功能 客厅 家居空间中使用频率最高的区域 也是最能体现家居气质的中心地带 这 里的照明其装饰性往往大于功能性的要求 所以 我们尽可以挑选自己喜欢的灯具造 型 让灯具的外观也成为空间中独特的装饰品 值得注意的是 客厅通常属于公共空 间 这里需要相对柔和均匀的光线环境 所以 要记得将灯具的光源向上安装 并利 用顶面对整个空间进行漫反射照明 不同于直射照明 经过反射的光线总能触及到空 间的每一个角落 不至于让空间有明显的黑暗死角 同时 根据需要可以适当在角落 布置一些筒灯 这样既能够弥补艺术灯具照度不足的尴尬 又能让光线更均匀 增加 光敏二极管放大电路A D 转 换 AT89S51 单片机 LED 显 示 灯光显示 PC 机 光照检测 固态继电器或调 光器 调光回路 空间的视觉通透感 见图 2 2 所示 书房 功能至上主义 书房空间有明显的功能倾向 一般以雅致 宁静的气氛为佳 于是 在这种功能 至上的环境中 灯具的形式一定不能成为空间的主角 也就是说 书房的照明布置的 原则是以满足照度要求为准 需要注意是不要在书房里装射灯 由于其光线的刺激 突兀 有可能会造成眩光 其次为了满足不同的使用需求 除了在顶部安装整体照明 的吊灯之外 还需要在空间的局部位置安装点光源 如书架的顶部层板 沙发的背后 书桌上分别布置筒灯 落地灯 和台灯 这样既能照亮整个空间 又可以让点光源将 空间的焦点集中落在需要照亮的地方 于是 一个没有任何外界干扰的读书空间就因 灯光而形成了 见图 2 3 所示 图 2 2 客厅空 间设计 图 2 3 书房空间设计 3卧室 温情的漫反射 几乎每个人都希望自己的卧室能够尽可能得温馨 雅致 那么 除了改变墙面的 色彩 我们当然还能利用照明给空间来一番改头换面 尽量利用漫反射的方式照明整 个卧室空间 在顶角或踢脚的位置设计一些灯槽 让灯光向顶面或地面照射 然后通 过这些部位的反射光完成空间照明 同时 光照的强度不必很高 目的是让均匀且微 弱的漫反射为卧室创造一种宁静 安逸 舒适的氛围 见图 2 4 所示 图 2 4 卧室空间设计 4餐厅 明亮宽敞为主 餐厅的光照需要明亮 但要注意避免选择色温低的灯具 只有偏冷色调的灯光才 会让原本并不宽敞的空间显得清爽 通透 餐桌上方可以选择一些显色度高的灯具 同时注意灯罩朝下布置在餐桌上方 目的是让你的丰盛佳肴更加诱人 5卫生间 于细节处见真谛 卫生间的空间一般不会很大 所以能够增加空间感的偏冷色调的灯具应该是最佳 选择 另外 不必吝啬使用射灯或筒灯 安装在洁具正上方的射灯能够最大限度地表 现其光滑亮泽的表面质感 但要记得在这些灯具上安装相应的防雾罩 避免水蒸气进 入而损坏灯具 6厨房 生活奏鸣 厨房在生活的比喻中 一直有 锅碗瓢盆 奏鸣曲的美名 而如何让这首 曲子奏得欢畅 第一要保证有足够的亮度 尤其是在操作区不能有阴影和眩光 这关系到您在挥洒刀功的同时 不会伤害到手指 同时 厨房里经常需要煎炸烹 煮 油烟等物自然是少不了的 所以在选择灯具的时候 也要选择密封性好 易于清 洁且耐腐蚀的灯具 3 智能家居照明控制系统硬件电路设计 家居照明控制系统的智能化主要体现在两大功能模块上 一个是智能调光装 置 另一个就是光照度的检测 显示及补偿装置 下面主要就这两方面来介绍智 能照明系统的硬件设计 但这里要特殊申明的是 由于各种原因在硬件的具体制 作与实验方面 本人只制作了照度检测 显示及补偿的演示装置 3 1 主要元器件的选取 3 1 1 控制器的选择 硬件设计过程中控制器是系统的核心部分 它能够控制系统的信号的采集及处理 功能 它的性能的好坏决定着系统设计的成败与否 因此 必须对主控制器从功能和 应用性能进行选择 可选用控制器主要有可编程控制器 PLC 单片机两类 它们各有 自己的有缺点 可编程控制器 PLC 是专为在工业环境应用而设计的 它采用一类可编程的存储 器 用于其内部存储程序 执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数与算术操作等面向 用户的指令 并通过数字或模拟式输入 输出控制各种类型的机械或生产过程 它的 主要功能是逻辑控制 定时控制 计数控制 步进控制 PID 控制 数据控制 通信 和联网等 因此它的抗干扰能力强 工作可靠 但其无法读取外部存储器的数据 而 本文智能家居照明控制系统要实现对照明的人性化管理 也就是根据人的控制输入出 现相应的照明场景和自动执行相应控制输出相结合 具备很大的灵活性 方便修改相 应的场景参数 易于功能扩展 还可以与 PC 机以及与其它单片机进行通信 由于单片机技术在各个领域得到越来越广泛的应用 世界上许多集成电路生产厂 家相继推出了各种类型的单片机 而单片机的设计在满足大多数测控参数对数据处理 速度和数据容量相对要求不高的前提下 大力发展了其控制功能和控制运行的可靠性 因而更适合于检测 控制型应用场合 本系统并不需要进行复杂数学模型的计算工作 数据容量也不多 非常适合使用单片机作为本系统的微处理器 而在单片机家族的众多成员中 AT89 系列单片机以其优越的性能 成熟的技术及 高可靠性和高性能价格比 迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场 成为 国内单片机应用领域中的主流 目前 可用于 AT89 系列单片机开发的硬件越来越多 与其配套的各类开发系统 各种软件也日趋完善 因此 可以极方便地利用现有资源 开发出用于不同目的的各类应用系统 由于 AT89S51 单片机是在 8031 的基础上推出的 增强型产品 并提高了芯片的集成度 因此在性能上大为提高 增加了多种片内硬件 功能 并扩展了功能单元的种类和数量 通过以上分析 最终选择 AT89S51 作为本系 统的主控器 3 1 2 显示器件的选择 显示主要有 LCD 显示和 LED 显示两种 液晶显示器 LCD 是一种低功耗的显 示器件 在袖珍式仪表或低功耗应用系统中有广泛的应用 液晶显示器有标准段式液 晶显示器 字符点阵液晶显示器和全点阵图形液晶显示器三种 液晶本身并不发光 而是借助自然光或外来光源显示数码 它的优点是工作电压低 耗电极省 成本低 LED 显示器是由发光二极管显示字段组成的显示器 有 7 段和 米 字段之分 这种显 示器有共阴极和共阳极两种 显示器有静态显示和动态显示两种 静态显示是使需要 显示的字符的各字段连续通以电流 因而所显示的字段连续发光 动态显示是使所需 要显示的各字段断续通以电流 因而其发光是不连续的 对于本系统考虑成本及需求 等方面 选择 LED 数码管显示 3 1 3 光照度检测元件的选择 光照度检测元件有光敏电阻 光敏三极管 光敏二极管等三种光敏元件 使用光敏电阻作为光照度的检测元件 光敏电阻器由能透光的半导体光电晶体构 成 因半导体光电晶体成分不同 又分为可见光光敏电阻 红外光光敏电阻 和紫外 光光敏电阻 当敏感波长的光照半导体光电晶体表面 晶体内载流子增加 使其电导 率增加 即电阻减小 值得注意的是 光敏电阻的光照特性 随光照强度变化的特 性 温度系数 随温度变化的特性 伏安特性线性度不好 所以选择光敏电阻作 为本次实验的光照度检测元件不是很适合 使用光敏三极管作为光照度的检测元件 光敏三极管和普通三极管的结构相类似 不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的 PN 结作为感光面 一般用集电结作为受 光结 因此 光敏三极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的 普通三极管 当人射光子在基区及集电区被吸收而产生电子一空穴对时 便形成光生 电压 由此产生的光生电流由基极进入发射极 从而在集电极回路中得到一个放大了 倍的信号电流 因此 光敏三极管是一种相当干将基极 集电极光敏二极管的电流 加以放大的普通晶体管放大 但结构原因使结电容加大 响应特性变坏 所以选择光 敏电阻作为本次实验的光照度检测元件也不合适 使用光敏二极管作为光照度的检测元件 光敏二极管是利用半导体材料的光特性 实现二极管的开关功能 光敏二极管和普通二极管相比虽然都属于单向导电的非线性 半导体器件 但在结构上有其特殊的地方 光敏二极管使用时要反向接入电路中 即 正极接电源负极 负极接电源正极 根据 PN 结反向特性可知 在一定反向电压范围内 反向电流很小且处于饱和状态 此时 如果无光照射 PN 结 则因本征激发产生的电子 空穴对数量有限 反向饱和电流保持不变 在光敏二极管中称为暗电流 当有光照射 PN 结时 结内将产生附加的大量电子空穴对 称之为光生载流子 使流过 PN 结的电 流随着光照强度的增加而剧增 此时的反向电流称为光电流 不同波长的光 蓝光 红光 红外光 在光敏二极管不同区域被吸收形成光电流 光敏二极管和光敏三极管 是光电转换半导体器件 与光敏电阻器相比具有灵敏度高 高频性能好 可靠性好 体积小 使用方便等优点 正因为这些特点本系统主要选择光敏二极管作为光照度检 测元件 3 2 电源电路设计 本系统主要采用 12V 电源和 5V 电源 电路图如图3 1 所示 图 3 1 电源电路 3 3 主控制电路设计 AT89S51 的 RST 引脚为复位引脚 只要在 RST 引脚上出现两个机器周期以上的 高电平 即可实现复位 本设计采用的是按键复位 如图 3 2 所示 当按下按键后 电容被短路 RST 引脚就处于高电平 就可以达到复位的目的 图 3 2 复位电路 AT89S51 单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到 内部振荡方式和外部振荡 方式 内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定 在引脚 XTAL1 和 XTAL2 外接晶体振 荡器 简称晶振 就构成了内部振荡方式 由于单片机内部有一个高增益反相放大器 当外接晶振后 就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲 内部振荡方式的外部电路 如下图 3 3 所示 图中 两个电容起稳定振荡频率 快速起振的作用 其电容值一般 在 20 30pF 晶振频率的典型值为 6MHz 或 12MHz 设计中电容取 30pF 晶振为 12MHz 图 3 3 晶振电路 本设计中单片机的各管脚的控制功能阐述如下 1P0 口是一组双向 I O 端口 它分时提供低 8 位地址和 8 位双向数据 在设计 中 P0 0 P0 7 接上发光二极管后与八个上拉电阻相连 用于模拟照度补偿 2P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 端口 本设计中 P1 口与两个 LED 数码管相接 构成光照度显示部分 图 3 4 主控制电路 P2 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 端口 设计中 P2 2 P2 4 用于外接 A D 转换芯片 P2 0 和 P2 1 用于三极管的驱动 P2 5 用于采用 PWM 方式调光 P2 6 和 P2 7 用于实现手动与自动切换及手动调光功能 P3 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 端口 在整个系统中 这 8 个引脚 还具有专门的第二功能 本设计中用到 P3 0 和 P3 1 作为串口输出 RXD 与 TXD 与电 平转换芯片 MAX232 相连 信号经过电平转换后在 PC 机连接 通过光照度监控系统 对光照度进行计算机监控 具体见上图 3 4 所示 3 4 数据采集及处理电路 3 4 1 数据采集电路 本设计中选择光敏二极管作为光照检测元件 具体电路如图 3 5 所示 由图可知 为了将电流信号转换成电压信号 这里采用了反相比例运算 即 或 3 1 outinF VIR out in F V I R 其中 输出电压 out V 光敏二极管的光电流 in I 反馈电阻 这里 F R 23F RRR 若标定好光敏二极管的输出电流是每一百勒克斯为 0 55 A 此时若运算放大器 OP07 的反馈电阻取为 180 k 那么就可以得到 1 m A lx 的灵敏度 对于灵 F R 敏度的分散性 可以用电位器 R3 进行调整 图中的电容的作用是将电灯光的明暗闪烁 进行平均 使得输出不产生闪烁的现象 每 lx 的光产生的输入电流为 3 2 此时 3 3 即每 lx 的光就可以得到 1 mV 的输出电压 图 3 5 数据采集电路 3 4 2AD 转换电路 模数转换芯片采用 ADC0832 接收经过运算放大器处理后的光照度的检测值 经过 ADC0832 处理后送单片机进行数据处理 ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种 8 位分辨率 双通道 A D 转换芯片