毕业论文-微机照明控制装置设计

桂林电子科技大学毕业设计（论文）用纸页共43页1绪论1.1研究的目的及意义当今世界经济飞速发展，人均资源占有量及其消耗量也大幅提升，照明作为我们日常生活中不可缺少的一部分，是一项重要的能源消耗，日益受到人们的关注。随着信息技术的飞速发展和社会的不断进步，人们对照明的高效控制和功能多样化的要求也不断提高，智能照明系统应运而生。而我国更是一个人口众多、资源相对不足的国家，资源节约型、环境友好型的可持续发展战略是我国的一项基本国策，做好智能照明工程一方面可以大幅度的节约照明用电，减少发电带来的污染，保护环境，同时能给人们带来更舒适的照明环境。“中国绿色照明工程”以发展和推广高效照明产品，节约照明用电，减少环境污染为理念，同时能满足人们对于照明的质量和环境的要求，建立一个优质高效、经济舒适、安全可靠、有益环境的照明系统。智能家居照明控制系统的研究在现实生活中具有极其广泛的发展前景。智能照明控制系统在确保灯具能够正常工作的条件下，给灯具输出一个最佳的照明功率，既可减少由于过电压所造成的照明眩光，使灯光所发出的光线更加柔和，照明分布更加均匀，又可大幅度节省电能，智能照明控制系统节电率可达20%-40%。智能照明控制系统它可在照明及混合电路中使用，适应性强，能在各种恶劣的电网环境和复杂的负载情况下连续稳定地工作，同时还将有效地延长灯具寿命和减少维护成本。智能家居照明控制系统的研究，首先，提高了家居光照环境的质量：在住宅的照明光环境设计中除充分考虑到视觉作业、合适的照度、亮度分布、视觉舒适性、眩光控制、显色性、照明装置的外观以及使用者或参观者的主观感觉等八个因素外，还需要考虑到人体因受到季节光照减少而产生的“季节性情感紊乱”因素和根据含不同光谱成分光源对褪黑素分泌的抑制能力强弱不同，视具体情况采用不同的光源。其次，照明的自动化控制：系统最大的特点是场景控制，在同一室内可有多路照明回路，对每一回路亮度调整后达到某种灯光气氛称为场景；可预先设置不同的场景（营造出不同的灯光环境），切换场景时的淡入淡出时间，使灯光柔和变化。时钟控制，利用时钟控制器，使灯光呈现按每天的日出日落或有时间规律的变化。利用各种传感器及遥控器达到对灯光的自动控制。最后，智能家居照明控制系统是智能家居的一个组成部分，家居布线系统、家庭网络系统、智能家居（中央）控制管理系统、家庭安防系统、背景音乐系统、家庭影院与多媒体系统、家庭环境控制系统等七大系统共同构成了智能家居系统。1.2研究的现状智能照明控制系统，也称为建筑调光系统。系统能够根据环境变化、客观要求、用户的需求等条件采集照明区中的各种信息，并能对所采集到的信息进行相对的逻辑分析、推理和判断，将分析的结果按特定的要求存储、显示和传输，从而进行相应的工作状态控制反馈，以达到预期的控制效果。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&D智能照明控制系统是一套由计算机微处理器控制的低压继电器配电盘组成，按照客户对室内外照明的具体要求，设定照明控制的时间、区域、方法来控制每一个独立的回路，也有手动开关直接控制。国内生产的真善美智能照明系统具有集中控制、多点操作、集中显示、停电自锁、免打扰、遥控功能等智能功能，使家居生活更加方便与舒适。1.3研究的内容自动可调光的照明系统在当前工作和生活中有广泛的应用。由于各种高效的卤钨灯和LED具有亮度高，调节方便的特点，被广泛应用于各种对光照度调节有要求的场合，此外，对气体放电灯的调光控制也发展很快。采用微机调光的方式便于与灯具的工作特性相配合，能实现多种调光模式，给人们带来更多的自主选择和一个舒适的照明环境。本课题基于家居智能照明的要求，基于微机控制调光技术，设计一套简单的照明控制系统。它能实现照度信息采集及显示，根据照度的强弱实现自动的照度补偿，以点亮不同数量的灯源实现光补偿，实现5级调光。手动调光实现灯光的8级连续调节。并有灯光的驱动电路及手动、自动切换电路。2智能家居的照明设计2.1智能家居的概述20世纪80年代初，随着大量采用电子技术的家用电器面市，住宅电子化（HE,HomenElectronics）出现。80年代中期，将家用电器、通信设备与安保防灾设备各自独立的功能综合为一体后，形成了住宅自动化概念（HA,HomeAutomation）。80年代末，由于通信与信息技术的发展，出现了对住宅中各种通信、家电、安保设备通过总线技术进行监视、控制与管理的商用系统，这在美国称为SmartHome，也就是现在智能家居的原型。智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、智能家居系统设计方案安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。智能家居系统包含的主要子系统有：家居布线系统、家庭网络系统、智能家居（中央）控制管理系统、家居照明控制系统、家庭安防系统、背景音乐系统、家庭影院与多媒体系统、家庭环境控制系统等八大系统。2.2照明质量介绍2.2.1人眼的视觉特性(一)明适应与暗适应人眼的杆状细胞只能感光，不能感色，但感光灵敏度极高，是锥状细胞感光灵敏度的10000倍。锥状细胞既能感光，又能感色。两者有明确的分工：在强光作用下（约1以上的亮度水平），主要由锥状细胞其作用，所以在白天或明亮环境中，看到的景象既有明亮感，又有彩色感，我们称之为明视觉，或白日视觉。在弱光作用下(约在0．01以下的亮度水平)，主要由杆状细胞起作用，所以在黑夜或弱光环境中，看到的景物全是灰黑色，只有明暗感，没有彩色感，这种视觉叫做暗视觉。人们从明视觉状态到暗视觉状态时，须经过35min方能看到周围的物体，这个适应过程叫暗适应；反之，从暗环境到明亮环境的适应，则仅需约36s，此称为明适应。（二）感光机理感光过程大致分为四个步骤：（1）景物经过水晶体聚焦于视网膜形成“光象”，视网膜上各点光敏细胞受到不同强度的刺激，锥体细胞和杆状细胞中的感光色素分别是视紫蓝质和视紫红质，它们寿光后发生化学变化，化学变化向相反方向进行。（2）因上述光学变化，使视网膜上的点产生与光照度成正比的电位，即在视网膜上将“光象”变成“电位象”。（3）视网膜上各点的明位分别促使各对应的视神经放电，放电电流是振幅恒定而频率随视网膜电位大小变化的电脉冲。话句话说，视神经将网膜的“电位象”按频率编码方式传给视觉皮质。（4）视觉皮质通常用接受到多达200万个频率编码的电脉冲信号，首先将它们分别存入视网膜光敏细胞相对应的细胞特殊表面中，然后进行综合的图像信息处理使人产生视觉，看到景物的图像。关于视觉皮质图像信息处理，还是一个谜，人们正处于研究与探索之中。（三）光量效应人眼感到房间照度变化差值与照度水平之比称为光量效应。它是个常数，即：△EE例如，照度为l0Lx的房间，增加lLx的照度就可感觉出来照度变了；而在照度为100Lx的房间，则需增加l0Lx的照度，才能觉察出照度的变化。两者的比率都是0．1。(四)眩光在视野范围内出现亮度极高的物体或亮度对比过大时，可引起人眼不舒适的感觉或造成视度下降。这种现象称为眩光。眩光光源或灯具的位置偏离视线的角度越大，造成眩光的可能性就越小，超过60o后就无眩光作用发生。在采光和照明设计中，应尽量限制眩光的产生。(五)影响人眼视度的主要因素有：(1)被视物体的照度或亮度。照度或亮度高，则视度也提高；(2)被视物体的尺度大小。物体大则看得清楚。物体的大小用视角α表示；(3)被视物体的亮度与其背景亮度(或颜色)的对比。对比大，即亮度或颜色差异大时，视度就高；亮度对比系数用C表示：C=式中L0——被视物的亮度；Lb——背景的亮度。(4)对于小尺度的被视物，采用天然光照明比采用人工光照明时视度提高；(5)观看时间：视度随着观看时间的增加而有所提高。因此，如果识别对象是活动的，识别时间短促，就需要增加识别对象的亮度，来相应提高视度。2.2.2光源随着社会的发展，家庭作为休息、生活的场所，更是被人们所重视，人们对家居照明的要求也不再满足于简单的照明，优秀的照明环境仅仅是自然光的延续，也是建筑饰中明与暗、光与影在空间中的组合创造，是一种艺术的表现手段，可以在心理和生理上给人们带来影响，家居照明设计的基本要求包括宜人的光色，合适的照度，恰当的显色性，避免眩光的干扰，合理的照明方式等。色温，光源的发光颜色是与温度有关的,当温度不同时,光源发出光的颜色是不同的.如白炽灯,当灯丝温度低时,发出的光以红色为主;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.不同色温，不同照度下对人心理上的影响：图2.1：照度对人心理的影响家居照明常用的光源：（1）白炽类普通白炽灯价格便宜，应用方便，拥有各种功率和外形，拥有宜人的色温和出色的显色性，缺点是寿命较短（约1000h），光效不高（仅7~101lm（2）卤钨灯在灯泡壳内部都充入卤素气体提高光效，延长光源使用寿命，在泡壳内壁有一定量的反射型涂层，使灯泡能将光线推向前方，这样就能比普通白炽灯更方便地控制光束，在拥有出色的显色性（RA=100）的同时比常规的白炽灯的光效更高（15~25lm（3）荧光灯荧光灯的光效非常高（15~150lmW），相当于普通白炽灯的十倍左右，比那些白炽的灯的寿命更长（最大1200h）,荧光灯分直管荧光灯和紧凑型荧光灯（节能灯），其中节能灯用于大部分家居灯具，E27或E14的灯头的节能灯能很直接替代普通白炽灯，荧光灯能提供多色温（（4）LED灯LED节能灯是用高亮度白色发光二极管发光源，光效高、耗电少，寿命长、易控制、免维护、安全环保；是新一代固体冷光源，光色柔和、艳丽、丰富多彩、低损耗、低能耗，绿色环保，适用家庭，商场，银行，医院，宾馆，饭店他各种公共场所长时间照明。无眩光，对眼睛起到很好的保护作用，现今之LED灯的光效普遍在，大部分LED灯的显色指数为80左右。2.3家居照明控制系统家居照明控制系统可以根据环境变化、客观要求、用户预定需求等条件而自动采集照明系统中的各种信息，并对所采集的信息进行相应的逻辑分析、推理、判断、并对分析结果按要求的形式存储、显示、传输，进行相应的工作状态信息反馈控制，以达到预期的控制效果。家居照明控制系统不是家居照明系统，照明系统只是光源、灯具以及相关辅件，但家居照明控制系统还包括调光模块、开关模块、控制面板、液晶显示触摸屏、智能传感器、编程插口、时钟管理器等设备。按照狭义的理解，家居照明控制系统是不包括照明系统中的光源、灯具、电线等设备的。反过来，未生产家居照明控制系统，而只是生产光源、灯具产品的企业，也不属于智能家居生产企业。智能照明系统一般由主控模块、采集器模块、执行器模块、监控上位机四个部分组成。主控模块是系统的控制者，负责总线上信号的仲裁和传递，同时负责总线的供电。它是系统中的核心部件，每个系统必须有一个主控模块。采集器模块是系统信息的输入通道，控制指令由用户或传感器经它发出。目前，采集器模块基本上包括按键和传感器。执行器是具体的驱动单元，系统的信息输出通道，它根据控制指令去驱动具体的对象，如灯、电源开关、警灯、警铃等。监控上位机提供了整个系统的集中显示，实时监控，可以对现场进行直接操作，具有系统生成、信息诊断等功能，通过主控模块与其他设备连在一起，要求具有较高的可靠性和良好的稳定性。2.4使用智能照明系统的效果（1）照明的自动化控制系统最大的特点是场景控制，在同一室内可有多路照明回路，对每一回路亮度调整后达到某种灯光气氛称为场景；可预先设置不同的场景（营造出不同的灯光环境），切换场景时的淡入淡出时间，使灯光柔和变化。时钟控制，利用时钟控制器，使灯光呈现按每天的日出日落或有时间规律的变化。利用各种传感器及遥控器达到对灯光的自动控制。（2）美化环境室内照明利用场景变化增加环境艺术效果，产生立体感、层次感，营造出舒适的环境，有利人们的身心健康，提高工作效率。（3）延长灯具寿命影响灯具寿命的主要因素主要有过电压使用和冷态冲击，它们使灯具寿命大大降低。LT系列智能调光器具有输出限压保护功能：即当电网电压超过额定电压220V后调光器自动调节输出在220V以内。当灯泡冷态接电瞬间会产生额定电流5－10倍的冲击电流，大大影响灯具寿命。智能调光控制系统采用缓开启及淡入淡出调光控制，可避免对灯具的冷态冲击，延长灯具寿命。系统可延长灯泡寿命倍，可节省大量灯泡，减少更换灯泡的工作量。（4）节约能源采用亮度传感器，自动调节灯光强弱，达到节能效果。采用移动传感器，当人进入传感器感应区域后渐升光，当人走出感应区域后灯光渐渐减低或熄灭，使一些走廊、楼道的"长明灯"得到控制，达到节能的目的。例如：某饭店为了节电，将全部走廊灯换为5W节能灯，以减少能耗，但带来的问题是节能灯光照舒适度很差，照度降低，使饭店档次降低。建议采用移动传感器控制。（5）照度及照度的一致性采用照度传感器，可以达到室内的光线保持恒定。例如：在学校的教室，要求靠窗与靠墙光强度其本相同，可在靠窗与靠墙处分别加装传感器，当室外光线强时系统会自动将靠窗的灯光减弱或关闭及根据靠墙传感器调整靠墙的灯光亮度；当室外光线变弱时，传感器会根据感应信号调整灯的亮度到预先设置的光照度值。新灯具会随着使用时间发光效率逐渐降低，新办公楼随着使用时间墙面的反射率将衰减，这样新旧会产生照度的不一致性，通过智能调光器系统的控制可调节照度达到相对的稳定，且可节约能源。（6）综合控制可通过计算机网络对整个系统进行监控，例如了解当前各个照明回路的工作状态；设置、修改场景；当有紧急情况时控制整个系统及发出故障报告。可通过网关接口及串行接口与大楼的BA系统或消防系统、保安系统等控制系统相连接LT-net智能照明控制系统通常由调光模块、开关功率模块、场景控制面板、传感器及编程器、编程插口、PC监控机等部件组成，将上述各种具备独立控制功能的模块连接在一根计算机数据线上，即可组成一个独立的照明控制系统，实现对灯光系统的各种智能化管理及自动控制。2.5家居照明各功能区具体分析现代家居照明设计的几个重要点为：门厅、客厅、餐厅、厨房、卧室、卫生间和书房。好的灯光模式能营造出一种温馨、舒适、愉悦的环境，增添其艺术的魅力，利用灯光的时间设置、感应控制、不同的颜色、投射方式和不同明暗亮度组合可创造出灯光环境的立体感、层次感，不仅使客人有个舒适的居住环境，而且还可以产生一种艺术欣赏感。表2.1是居住建筑照明标准值：表2.1：居住建筑照明标准值房间或者场所参考平面及其高度照度标准值（LX）Ra起居室一般活动0.75m水平面10080书写、阅读300卧室一般活动0.75m水平面7580床头、阅读150餐厅0.75m水平面15080厨房一般活动0.75m水平面10080操作台台面150卫生间0.75m水平面10080注：*适合混合照明（1）门厅门厅是家的形象，是客人其一印象突破点，起着照明和点缀的双重作用。门厅要求明快有宾至如归的干活，体现主人修养和气度，侧重点在对装饰品的表现，通过层次分明的意识照明给来宾一个良好的印象，整体色温采用暖色温，可以局部点缀彩色做出艺术化效果，平均照度100LUX左右。（2）客厅客厅除了接待功能外，还是娱乐、活动中心的存在，是住宅中使用最多的功能空间，在客厅中，我们大致可以分为休息洽谈区、接待区，休息区照明营造的一种柔和、温馨的光环境，让贵客感受轻松、惬意的休闲气氛。高档的装修配合柔和的漫反射暖色灯光让人心情放松，除环境照明外，我们可以针对墙面高色温射灯的照射，增强局部照射、增强空间美感又避免了眩光的产生。台灯和落地灯暖色灯光洒落在轻柔的布艺沙发上和木色茶几上，形成有机的对比，组合成一幅美妙诗意的客厅空间。接待区，采用高亮度的射灯照射装饰品或艺术作品，突出重点，采用虚实结合的灯光效果营造情景空间，然人深深的体验主人的文化内涵。客厅整体色温左右，平均照度约，局部功能区补充阅读照明，功能区照度约左右。（3）餐厅餐厅是品尝美味佳肴、招待亲朋好友的场所。需要营造轻松愉快、亲密无间的就餐环境。餐厅的中心是餐桌，照明目的是把注意力集中在餐桌上，突出餐桌上的食品，使餐布、碗筷、食物、花卉等显得明亮美丽引人注目进食欲。为防止眩光，防止灯光直射在人身上灯光，灯光应限制照射范围，并能营造一种适宜的气氛，用不同照明方式，满足不同就餐和娱乐的需求，餐厅除了用餐功能外还是一个亲情展示空间和约会空间，以局部封面挂上亲情照片，采用中窄光束射灯有序的照射展示墙面，墙面明暗交替的光影效果和餐座、台面的整体效果形成视觉上的“动”与“静”的对比，营造一个和谐舒适的就餐空间，约会光线：用古典艺术的餐吊灯，唯美在于历史精髓的沉淀，在灯光的作用下空间弥漫着贵族的气息，尊贵般的享受柔和宁静的光环境彰显古典空间的风华绝代。餐厅照明方式可以采用餐吊灯或射灯针对桌面进行重点照明，光源以白炽类光源为主，白炽灯出色的显色性能使食物看起来更加美味、诱人，餐厅整体照度约100LUX左右，餐桌重点照明可达300LUX以上。（4）厨房明亮、低照度，昏暗的灯光环境看起来没有清洁的感觉，在低照度下行动会变得迟缓，缺乏积极性明亮的灯光能使人兴奋，提高劳动效率，要求有一定的防水防尘功能，还要方便清洁，嵌入式荧光灯具或吸顶灯能提供高质、节能的基本照明，局部使用卤素射灯，满足配菜做菜的需要。灯具选择应以功能为主，同时满足防水防尘防油烟的要求。厨房主体环境照度约100LUX左右，局部重点操作功能区可达200-300LUX，整体空间色温可采用中性色温或高色温（5500K），明亮的高色温能使整体空间更加清洁，部分功能单一的厨房也可以采用暖色温（3000K），如仅制作沙拉等食物的厨房。（5）卧室主要是睡觉、休息的场所，人的一生有三分之一的时间是在卧室度过的，，需要舒适安逸的环境，在这里要保证能足够的放松。很多人在卧室有学习的习惯，宜采用一般照明和重点照明相结合。卧室的整体要求是宁静、温馨、柔和、舒适。一般照明的照度值一般在40LUX左右。依房间的不同，照明可以满足看报、看电视、化妆和换衣服的鞥生活行为，并根据居住者的年纪、生活方式不同应有所区分。灯具可选用台灯、天花射灯、筒灯、暗藏灯带、壁灯、聚光灯等。卧室整体色温选用暖色调，长时间处于6400K的冷色温下会对夜间睡眠有一定的影响，常规方案中不建议使用。整体空间平均照度约左右，局部阅读、梳妆等功能区通过局部补充照明将照度控制在左右。卧室根据不同的风格可以分成：宁静舒适型，豪华气派型。现代前卫型。豪华气派型：用材高档，如以暖黄色灯光配高档家居，主照明灯具采用柔和的高档工艺灯具和反射型卤素PAR光源射灯，再搭配精致的台灯或落地灯，显示宫廷气象和金碧辉煌、光彩夺目。宁静舒适型：大多采用泛光型或宽光束灯具，照度相对较低且相对均匀。适合于大众生活起居，闲居闹市，悠然自得。现代前卫：在装修上追求自由化随意的风格，突破传统观念，体现超前意识。在照明上以简洁为主，追求造型完美。光色选用较自由，主要根据装饰风格而定，层次感叫丰富。除此之外，还有一些专为老人、小孩准备的特殊卧室，老人房和小孩房。老人房照明设计要按老年人的生理特征设计，照度适中，不要留下死角。。少使用台灯和落地灯，开关要放在进门等方便使用的地方。开关一般要求双控的，具备夜灯功能。儿童房考虑到孩子的天真活泼，首要考虑的问题是安全，其次才是光线、色彩和艺术造型、活泼跳跃的气氛。（6）卫生间卫生间需要营造的是一种干净、整洁、舒心的洗浴氛围。洁白的洗手盆、浴缸在高显色性射灯照射下更显得纯洁灵性。整个卫浴间温和的明暗光影对比，颜色饱满的墙身和冷白色的洁具产生鲜明的色彩对比，给人一种强烈的视觉美感冲击。干净、简洁是现代卫浴空间的诠释，光滑洁白的洁具和光线的亲密接触，使其表现圣洁、完美无瑕的质感，让人忍不住享受这一刻的美感。需要照明能满足刮胡子、化妆、洗澡等活动。浴室里，镜前灯能通过镜面的反射给空间提供一定的照明。卫生间的整体色温可以比家居整体空间略高，一般在左右，平均照度过100LUX左右。此外，在选择卫生间灯具的时候，一定要注意灯具的防水雾能力，长时间处于水雾环境中，可能使一些防雾性能不佳的灯具不能正常运行。（7）书房书房空间是陶冶情操，修身养性的地方。不仅仅是为了工作，在忙碌之余抽闲出来，饮一杯茶或咖啡，并思考感悟着人生，悠闲自得的体验感受。照明设计就是在这一指导思想下，孕育而生。桌面照度较高，但也要有宁静的光环境。照明整体要求光效高、光线柔和、漫射性好。照明需要能满足阅读、书写和电脑工作，同时可以考虑给奖品和照片等有意义的物品重点照明，可以采用卤素射灯、嵌入式筒灯、移动式灯具和吊灯。整体空间平均照度左右，桌面以台灯补充，阅读区照度约300LUX左右。空间色温可以选择2700K或者6400K。2.6系统要求实现的基本功能（1）调光功能：能对灯光源进行明暗、显色性进行调节，能对不同场景的进行不同的调节。（2）测量和显示功能：能实现对照度的测量并相对应的将测量的照度显示出来。同时应当包括时间、场景和季节的显示。（3）手动控制和自动控制：实现手动、自动调节功能的切换，手动调节时能根据自己的需要调光，自动调节时，能根据场景及测量的照度进行想对应的照度补偿。（4）可编程：能根据用户的需求修改程序以适应不同的场景转换要求。（5）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。（6）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。3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。3.1系统设计的总体框图根据系统要求完成的功能，系统的基本结构主要由以下几部分组成：控制面板、光照度检测电路、调光电路、照度显示等。图3.1：系统框图（1）照度检测电路照度检测元件采用光敏二极管，由于它能检测到的光对应输出的光电流很小，设计中加入了一个运算放大器。之后接入AD转换中。（2）AD转换电路单片机能识别的信号是数字信号，而检测到的照度输出是模拟信号，需转换为相对应的数字信号。这里采用ADC0832为主要的元件实现功能。（3）照度显示将检测到的照度处理后显示出来，这里采用实用性较强的二位一体的LED显示。（4）调光电路调光回路采用PWM调光方式，通过软件编程输出不同的占空比的方波，从而得到适当的光强补偿，达到调光的效果。3.2主要元器件的选择3.2.1照度检测元件光敏器件包括光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管等。光敏器件可以用来以可见光红外光的的形式控制报警器、测试仪、自动开关等多种装置或执行机构。光敏器件在自动化中起着极其重要的作用。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）。根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。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。通过特殊的生产工艺可以生产出对特定波长范围光线更敏感的电阻,但是自然光、阳光的波长范围太宽,所以一定会影响光敏电阻或者其它光敏器件的应用。光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。当具有光敏特性的PN结受到光辐射时，形成光电流，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相当于β倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。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、体积小和使用方便等优点。一般不用三极管代替二极管，前者为受控器件，后者为自控器件，相同功率下三极管比较贵所以，在者从PCB布线和电路布局乃至体积上，光敏二极管是比较有优势的。综上所述，本设计的照度测量元件采用光敏二极管。3.2.2控制器控制器是硬件电路的核心部分，系统信号的采集、处理功能由控制器的性能决定。控制器主要有单片机和可编程控制器。单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而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。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！可编程控制器简称PC（英文全称：ProgrammableController），是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。具有可靠性高，抗干扰能力强，硬件配套齐全，功能完善，适用性强，易学易用，容易改造，体积小，重量轻，能耗低等特点。单片机只是芯片，而PLC则是建立在若干芯片上的一个完整的系统。前者用途广泛，价格低廉。后者专门用于工业控制，使用快捷，成功率高，可靠性好。基于本系统的具体设计，选用单片机。而单片机中，AT89系列单片机具有优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，是目前单片机应用的主流。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。综上分析，我们的控制器选用AT89S51型单片机。3.2.3显示器的选择通常，我们使用的显示器主要有LED和LCD两种，LCD（LifeCycleDesign）生命周期设计又称生态设计，以降低产品生产和消费过程对环境的影响，使其与地球的承载能力想一致的设计，其特点主要是低压微功耗、显示信息量大、长寿命等，价格较昂贵。LED（LightEmittingDiode），发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的特点非常明显，体积小、寿命长、光效高、无辐射与低功耗。一般LED工作时，加10mA足以使之正常工作，故电阻值为，Vo即为外加电阻的值，如+5V的电压下可以使用500欧姆的电阻。显示器主要有7段和“米”字段之分，有共阴极和共阳极两种，显示分为静态显示和动态显示。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。从本设计的具体情况下，用二位一体的LED显示器较为合适。3.2.4.模数转换器的选择由于单片机所具有的许多独特的优点，尤其是面向控制的设计更使它特别适用于实时测控系统。但自然界中所测控的对象均是连续变化的物理量，欲用计算机处理，则需将其转换成计算机能接受的数字量。基于本设计的具体要求，选用的模数转换器为ADC0832。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。由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。·8位分辨率；·双通道A/D转换；·输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；·5V电源供电时输入电压在0~5V之间；·工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；·一般功耗仅为15mW；·8P、14P—DIP（双列直插）、PICC多种封装；·商用级芯片温宽为，工业级芯片温宽为；ADC0832的各引脚如下图所示：图3.2：ADC0832的各引脚图芯片接口说明：·CS_片选使能，低电平芯片使能。·CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。·CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。·GND芯片参考0电位（地）。·DI数据信号输入，选择通道控制。·DO数据信号输出，转换数据输出。·CLK芯片时钟输入。·Vcc/REF电源输入及参考电压输入（复用）。ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。当ADC0832要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，硬件设计使用DO作为转换的数据输出端，则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能。到第3个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后开始数据输出DO进行转换数据的读取。从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下沉输出DATA0。随后输出8位数据，到第19个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。图3.3：ADC0832的时序图作为单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是0~5V且8位分辨率时的电压精度为19.53mV。如果作为由IN+与IN-输入的输入时，可是将电压值设定在某一个较大范围之内，从而提高转换的宽度。3.3各电路模块的硬件电路设计3.3.1主控制电路的设计AT89S51单片机的时钟电路引脚XTAL1和XTAL2，为了产生时钟信号，在AT89S51单片机内部设置了一个反向放大器，XTAL1是片内振荡器反向放大器的输入端，XTAL2是片内振荡器反向放大器的输出端，也是内部时钟发生器的输入端。当使用自激振荡方式时，XTAL1和XTAL2外接石英晶振，使内部振荡器按照石英晶振的频率振荡，即产生时钟信号。还可以使用外部信号源为其提供时钟信号，此时XTAL1应接地，XTAL2接外部信号源。两种方式下，内部振荡的方式比较稳定，也易于实现。晶振频率使用12M，再接上两个30p的电容，即是一个较为典型的单片机内部振荡的外部电路。图3.4：晶振电路AT89S51单片机的9号引脚RST/Vpd为复位/备用电源输入端。复位功能：单片机上电后，在该引脚上出现两个机器周期（24个振荡周期）宽度以上的高电平，就会使单片机复位。可在RST与Vcc之间接一10uF电容，如图，当按键按下，电容充电，RST就会得到一个高电平，实现复位。图3.5：复位电路3.3.2采集数据电路光电二极管的放大电路如图，这是简单的照度计电路，因为传感器（光电二极管）的输出电流较大，为5.5nA/1x，可采用通用FET输入型运放，这里采用LF411CN运放。另外，为防止电灯的闪烁干扰，接入0.47uF电容。模数转换采用ADC0832，将电压信号转换为数字信号。电路采用一个反比例放大器（LF411CN）将采集的电流信号转为相应的电压信号。输出电压Vout和光敏二极管的光电流Iin之间的关系为：Vout其中，Rf为R1和R2的和（Rf=R1标定好光敏二极管的输出电流是每一百勒克斯为0.55μA，此时若运算放大器的反馈电阻取为180kΩ，那么就可以得到1mA/lx的灵敏度，对于灵敏度的分散性，可以用电位器R2进行调整。可得煤1x的光产生的光电流为：I=图3.6：数据采集按（1）计算可得相应的输出电压为1mV。也就是说，每1x的光可以相应输出1mV的电压。3.3.3DA转换电路AT89S51单片机的P2口是一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O端口。硬件电路中，P2.4接ADC0832的CS端作为片选信号，电压信号从IN+输入，D0作为数字信号输出端，接P2.2到单片机中进行处理，CLR接P2.3，由其提供时钟信号。图3.7：模数转换器的接口电路3.3.4显示器控制电路图3.8：显示器控制电路AT89S51单片机的P0口是一个8位漏极开路型双向I/O端口，能以吸收电流的方式驱动8个LS型的TTL负载。二位一体的数码管，其中a-f接AT89S51单片机的P0口，低电平有效。3.3.5光源本设计针对一组LED的调光控制作为演示验证，一组LED灯组由8只5mm高亮度LED灯珠组成，每只LED灯珠的压降约20mA。图3.9：灯源电路（1）自动调光自动调光控制，根据检测到的照度值，能反映当前外部光的照度，根据程序的设定，能实行相对应的照度补偿，照度最低的范围内，灯全亮，照度最大范围内时，灯则全灭，处于中间状态时，则根据具体的照度，点亮不同数量的灯珠。照度显示电压值与亮灯个数对应表如下：表3.1：电压与亮灯个数电压范围0~11~22~33~44~5点亮个数86420（2）手动调光手动调光控制时，数码管同时也会显示当前的照度，可根据具体的需求不同，把光调到合适的亮度值。实验装置设置了两个自动调光的控制按键：增加键由P3.6控制，每按下增加键一次，灯珠点亮的数目就会增加一个，但当所有的灯珠都点亮后，再按下增加键，亮灯数目维持在八个；较少键由P3.7控制，每按下减少键一次，灯珠点亮的数目就会减少一个，当灯珠全灭后，再次按下减少键，灯珠熄灭的数目维持在零。4智能家居照明控制系统的软件设计单片机目前的编程语言常见的有4种：汇编语言、C语言、PL\M和BASIC语言。单片机的C语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。C语言具有功能丰富的库函数，运算速度快，编译效率高，有良好的可移植性，而且可以实现直接对系统硬件的控制。此外，C语言程序具有完整的程序模块结构，从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保障。基于以上分析和所学知识具体情况，本设计的软件设计语言采用C语言设计。4.1设计的流程图（1）主程序流程图：工作方式工作方式开始读取AD值数据转换显示光照度中断的初始化读取AD值数据转换显示光照度有按键按＋？亮灯数＋1结束初始化NY亮灯数－1有按键按－？亮灯数大于0？亮灯数＜8？YYYYNN图4.1：主程序流程图ADC0832读入的数据转换为十进制显示voidconvdata(unsignedchari){ disbuf[0]=i/51;//个位disbuf[1]=(i%51)*10/51*2;//小数点后第一位}自动调光方式电压与灯点亮的关系while(AUTO==0){dat=readadc();convdata(dat);display();switch(disbuf[0]){case0:num=0;break;case1:num=2;break;case2:num=4;break;case3:num=6;break;case4:num=8;break;default:num=0;break;}}（2）显示子程序流程图：开始开始0832读入的数据转化为电压值0832读入的数据转化为电压值数码管扫描数码管扫描显示个位及小数点显示个位及小数点显示小数点后一位显示小数点后一位结束结束图4.2：显示子程序图5仿真、实验与调试5.1仿真首先是软件程序的仿真，根据实验装置所需要完成的功能，画出流程图，在此基础上，写好相关的程序语言，在软件中运行无误。其次是根据实验的原理图，在仿真软件中画出元件，把元件按照要求连接好，如图：图5.1：仿真总体图把相应的程序导入运行，给AD转换一个电压信号，可以有如下的结果输出：图5.2：数码管显示图5.3：自动调节的LED显示以上仿真的结果表明，根据流程图设计的程序和根据原理图画出的电路图是可以实现实验要求的功能的，可以进行模拟装置的制作。实验装置用到一些诸如单片机、模数转换器等器件的知识，需仔细了解实际器件的使用规范，才能确保相应的实验装置与仿真结果的一致性。5.2实验模拟硬件的制作在对实验各部分反复的思考和复习，对相关器件的使用规范进行了解后，进入到了实验装置的制作阶段。本次实验装置包括照度采集、照度显示、手动调光和手动自动转换等部分，数据采集元件采用光敏二极管，接OP07放大后接到ADC0832进行模数转换，数据送到单片机进行处理，然后用LED数码管显示照度。根据照度，LED光源自动调整到相应的光档，实现照度补偿，即自动调光的功能，自动调光设定为5档调光。手动调节包括手动调亮和手动调暗，当处于手动调光状态时，每按下调光键一次，光源亮度相应亮或暗一档，实现8档的调光功能。根据原理图画出PCB图，制作出模拟实验装置。5.3硬件电路的调试首先检查电路是否存在虚焊或短接、断路的情况，确保装置无误后，先是下载简单的程序检查各器件是否正常，这个过程表明，数码管显示、按键调光、LED光源都是正常的，数码管未经放大，所以亮度较暗，但自动调光的功能基本上能实现。当下载功能程序到单片机后，发现自动调光功能不能实现，OP07无输出，还可能的问题是ADC0832转换的问题，也可能是程序问题，当从ADC0832输入一个电压信号时发现，装置能模拟出自动调光的要求。给运放输入一个信号后，运放的输出端同样能检测到输出，经仔细的检查分析，认为是光敏二极管损坏造成的，更换光敏二极管后，接上电源，当光照度很强时，灯光全灭，光照很弱时，灯光全亮，实验器件基本达到实验自动调光的要求。装置的调试完成。6前景与展望传统的一开一关的控制方式，制约了现代人快节奏的生活方式。随着科技的发展和人民生活水平的提高，人们对家庭的照明系统提出了新的要求，除了要控制照明光源的发光时间、亮度，还要与家居子系统配合，对不同的应用场合营造相应的灯光场景，更要考虑管理智能化和操作简单化以及灵活性来适应未来照明布局和控制方式变更等要求。一个优秀的智能照明系统可以提升家庭环境的品质，确保家庭生活的舒适和健康。所以，网络开关代替传统开关，智能照明系统代替传统照明系统，是家居智能化过程中的必然一步。在家居生活中，智能化照明设备通过预设及储存不同的灯光场景，来调节房间内的灯光变化，迎合房间主人不同的需要。例如在客人探访、聚会时，可能需要较明亮的灯光，而在欣赏古典音乐或轻音乐时，则用柔和的灯光;而要把客厅变为家庭影院观看精彩影片时，灯光更需要调得暗淡，这一切，都可以安坐在沙发上从容操作，省却以往费事费力逐一开灯关灯的麻烦。一键在手，梦幻灯光随心创造。照明控制的智能化，使室内所有灯可以按照预先设置的方式工作，这些预设的状态会按设定的程序循环地工作。打个比方，当我们预设灯光在7点钟打开(或者说按照到家的时间设置)，在7点以后你到家时，灯光系统就会自动进入你设置好的工作状态，而且会根据不同的方式缓慢地调节屋内的灯光。我们还可以通过编程，随意改变各区域的光照度，以适应各种屋内主题和主人心情的需要。重要的是，智能化照明系统还可以很好地利用自然光照明，根据天气的不同而变化，调整照度到最合适的水平。智能照明系统使人们生活在最舒适的状态，而与室内面积无关。随着智能照明系统在市场中的推广，其越来越显示出优势，在这样的系统带来各种各样的功能的同时，还给主人更舒适的生活空间。谢词首先要感谢我的指导老师罗奕老师的细心指导，在他的指导下我才能如期的完成我大学里的最后一次毕业设计。在课题的选题、开发、和修改过程中都倾注了导师的大量心血。尤其在论文的设计过程中，导师给予了大量的引导和建议。对我的论文顺利进行起到了巨大的作用。同时，在做毕业设计的过程中，罗奕老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远，让我在学习知识的同时，在思想上也得到了很大的收获，在此对老师表示衷心的感谢。同时，要感谢在做毕业设计过程中给予我帮助的同学们，一起翻找资料，一起讨论问题的情景历历在目，感谢你们丰富的知识，更重要的是耐心的教导和帮助。参考文献[1]谢自美.电子线路设计.实验.测试[M].武汉：华中科技大学出版社，2003.[2]何立民.单片机应用技术选编1/2/3[M].北京：北京航空航天大学出版社，1992.[3]丁镇生.传感器及传感技术应用[M].北京：电子工业出版社，1998.[4]中华人民共和国建设部.建筑照明设计标准GB50034-2004[S].北京：中国建筑工业出版社,2004.[5]谢秀颖.电气照明技术[M].北京：中国电力出版.2004[6]LeeSW,KoDY,HuhDYect.SimplifiedcontroltechniqueforLCDbacklightinvertersystemusingthemixeddimmingmethod[C].AppliedPowerElectronicsConferenceandExposition,2001.[7]WestTG.FluorescentLampDimmingProgressReport[J].IndustryandGeneralApplications,IEEETransactionson.1965,IGA-1(4):252-258[8]中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册[M].北京：水利电力出社，1994.[9]李秉操.单片机接口技术及其在工业控制中的应用[M],陕西：陕西电子编辑部，1993.[10]苏铁力，关振海，孙立红等.传感器及其接口技术[M],中国石化出版社.2000.[11]王兆安，黄俊.电力电子技术[M]，北京：机械工业出版社.2000[12]邱关源，罗先觉.电路[M]，北京：高等教育出版社.2007.[13]赵全利，肖兴达.单片机原理及应用教程[M]，北京：机械工业出版社.2007.[14]康华光，陈大钦，张林.电子技术基础[M]，北京：高等教育出版社.2005.[15]王幸之，种爱琴.AT89单片机原理与接口技术[M]，北京：北京航天航空大学出版社.2005[16]刘鲲，孙春亮.单片机C语言入门[M]，北京：人民邮电出版社.2008.附录附录1.电路图及PCB图图1.照明系统电路原理图图2.照明系统PCB图附录2照明系统程序#ifndef__0832_H__#define__0832_H__#include<reg51.h>#include<intrins.h>sbitCLK=P3^0;sbitD0 =P3^1;sbitCS =P3^3;unsignedcharreadadc(void);//读取电压值#endif#include<reg51.h>#include<0832.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintuintnum;sbitKEY1=P3^6;sbitKEY2=P3^7;sbitS1=P2^7;sbitS2=P2^6;sbitAUTO=P3^4;uchardisbuf[]={0x00,0x00};ucharDIScode[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};uchardat;bitFLAG;//voiddelay5MS(void){ucharTcount=1000;while(Tcount--);}//voiddisplay(void){S1=1;S2=1;P0=DIScode[disbuf[0]]&0x7f;//显示个位和小数点 delay5MS();S1=0;S1=1;S2=1;P0=DIScode[disbuf[1]];//显示小数点后第一位 delay5MS();S2=0;}//voidco