地铁智能照明控制系统的设计

前言1.1背景与意义由于工业的快速进步，社会的经济实力日益增强，人们的生活质量和生活习惯也在持续改善。过去十几年来，随着世界经济的飞速增长，中国紧紧把握这一历史性的机会，并取得了巨大的进步。中国已进入一个全新的发展阶段，其经济实力、技术创新以及可持续发展等方面都有显著进步，但同时也伴随着极其昂贵的财政投入、土地开发、生态破坏等问题。目前中国的能源消耗主要集中在不可再生资源，根据中国统计年鉴数据，2015年，中国能源消耗总量为430000万吨标准煤，其中煤炭、石油、天然气消耗占比就达88%0这些不可再生资源的使用不仅会造成今后面临资源短缺的困境，同时也带来大量的污染源，使得环境污染问题日益突出严重。为了改善我们的生活质量，保护我们的家园，我们必须采取措施来减少对自然的破坏。中国已经开始大规模地采取措施来改善我们的生活质量，并且一直致力于通过各种方式来实现对环境的保护。2011年以来，中国已经对处理工业废弃物的方面的投资超过七百亿元，占当年的总预算的0.46%。从2011年到2015年，中国在环境保护方面的投入显著增加，如图1-1所示。图1.1国工业污染治理总投资为了应对日益严峻的环境问题，如资源紧张、能源匮乏，实现可持续发展提出了要努力打造一个具有可持续发展特征的、以节约为基础的、以环保为重点的社会，并加快经济结构的优化，以达到低碳发展的目标。因此，坚持落实科学发展观，积极推进节能减排，已成为当务之急。近年来，由于城市轨道交通的发展，特别是城市地铁的发展，使得能源的有效使用和污染物的降低变得更加明显，给人类的生活提供了巨大的便捷。但同时，由于城市地铁的发展，相应的能耗问题也受到了日益增长的关注。随着科技的发展，地铁系统的安全性和舒适性得到巨大的提升，因此，照明和空调等基础设备的安装和维护变得尤为关键。此外，随着科技的进步，地铁系统的安全性和舒适性也得到巨大的改善，使得乘客能够更加安心、舒适的乘坐。由于车厢内的空气和光线的消耗量往往会比乘坐者的实际需求更高，因此，这种持续的能量消耗是一种常见的现象。随着技术的飞速发展，地铁车辆的照明已被认定是三大能源消费（动力、空调和照明）中的一个，引起了全社会的普遍关注。因此，研究和开发出具有较低能源消耗、可持续性、安全性和可靠性的新型节能灯具，已被视为当今社会的必由之路。近年来，各界都致力于推动这条具有挑战性的技术革命，使其达到更高的水平。20世纪50年代，美国通用电子公司的伊曼在第二次世界大战之前，首次开创性地研制出了荧光灯，它的亮度比传统的白炽灯要强，而且节能性也极强，因此，它在当时的照明领域得到了大量的使用。1974年，荷兰飞利浦公司取得了一项突破，他们开创性地开发出三种颜色的荧光灯，这标志着荧光灯的历史进入一个新的阶段，而这一技术的进步，使得卤粉的价格大大降低，同时也提升了它的发光效率和热稳定性。三种不同的颜色的荧光粉被混合成三种不同的亮度，这种预先加温的阴极气体放射灯被称为三基色荧光灯。通过三基色稀土荧光粉的混色，荧光灯可以实现在暖色光、暖白色光、冷色光三种范围内发光，基本满足各种照明场景的需要。由于稀土元素的独特结构，其能量水平极其多样，其能量跃迁和发光性能也十分出色，因此，三基色荧光灯的显示指数可以达到85%，而且可以使被照射的物体呈现出完美的色彩。而且三基色荧光灯寿命长达10000小时，比热光源灯具节能70%，光线柔和、无频闪，可使被照人员舒适、放松。因此三基色荧光灯就被广泛的应用到了包括地铁照明等在内的各种照明场景中。2008年，香港地铁（MTR）与四川九洲光电公司联合推出了LED技术，这标志着地铁车厢照明的一次重大突破，为深圳、重庆、北京、天津、广州、成都、西安、杭州、昆明、苏州等地的地铁建设提供了LED照明解决方案，开启了一个崭新的时代。LED作为第四代照明技术的代表，拥有巨大的潜力，可望实现本世纪的可持续性。与传统的led技术，如荧光灯，led技术更加经济实惠，更易于操作，更耐用，更耐用。随着当前全球能源紧张局面的日益严峻，LED技术已经成为一种可持续的、高效的照明方式，得到全球社会的广泛关注。LED照明使用低压电源，单颗灯珠电压在1.9-4V之间，比使用高压电源更安全。相比于传统光源，LED照明的光效更高。LED光源的理论光效可达3701m/w，实验室最高光效己达2541m/w，而应用到地铁车辆照明的LED光效达1101m/w，是目前为止地铁车辆照明中光效最高的照明产品。同时LED是固态光源，耐冲击振动，其光通量在在寿命期内具有极高的稳定性，在工作50000h,LED的光衰为初始的百分之七十。LED灯具的启动时间为纳米级，启动响应快，且无频闪。LED发光纯，无杂光，发光波段可覆盖整个可见光部分。且LED不含汞等污染元素，不产生对人体有害的紫外线和红外线。LED光源作为一种高效节能，绿色环保，健康耐用的照明产品，运用在地铁车辆照明中，使其与其它传统照明灯具具有明显的优势。今天，在技术的飞跃之下，人类的日常生活受益匪浅，从最初的电子设备，到现在的智能手表，再到最近的无人驾驶汽车，以及最近的移动支付技术，都在不断地改变着人类的未来。由于科技的发展，照明控制技术取得了巨大的进展，使得整个照明系统正式迈向一个更加先进的智慧时代。1.2国内外研究现状随着技术的进步，照明系统的应用范围越来越广泛，使得它们的功能变得更加复杂和丰富。因此，照明控制技术也必须不断发展和演进，才能满足日益增长的实际应用需求。随着计算机技术、网络技术、新一代总线技术以及自动化技术的不断进步，照明技术正在迅速迈入一个全新的智能时代。通过利用先进的计算机技术、无线通讯技术、扩频电力载波技术、智能信息处理系统以及节能电器控制技术，智能照明系统可以实现对照明设备的远程监控、控制和调节，从而提高照明系统的效率和安全性。随着技术进步，智能照明已经成为一种更加先进、更加环保、更加便捷、更加实用、更加经济实惠的解决方案，它不仅仅是一种普通的灯具，而是一种更加先进、更加环保、更加实用的灯具。随着技术的不断发展，目前，智能照明已被广泛地应用于各个行业，包括教学、医学、交通、城市基础设施、景观规划、住宅和商业空间。图1.2智能照明的应用近年来，随着科技的发展，智能照明技术的广泛使用，尤其是在教育领域。它的出现，大大改善了传统的灯具的使用，使其成为一种更加有效的灯具，可以有效地改善教室内的空气质量，使学生们可以获取更加舒适的视觉体验，同时也有助于保证课堂的顺利进行。近年来，科学家们通过深入探索，揭示了光线对人类健康的重要作用。他们指出，长期处于一个灯光较暗的环境下，除了对眼睛的健康造成负面影响外，灯光的颜色也可以改变个人的心态和身心状态。研究表明，适当的冷色调可以提高人的思维敏捷性，使其变得更加清晰，但是，若是长时间沉浸在这种环境之下，就会导致身心疲劳，精神恍惚。相比之下，柔软的暖色调能够让他们的精神状态达到平衡，让他们的身体感受到安宁与安全在当今社会，一种新的思想正在被探索，即利用智能技术来改善教室的空气质量，并且它不仅仅是一种按照室内的光线和课程要求来控制的灯具，它还具有自动变换亮暗的功能，从而有助于改善学生的学习条件，增强他们的学习兴趣，减轻他们的负担。近年来，由于传感器技术、卫星定位等前沿科学的进步，汽车的自适应智能照明已经成为一个热门话题。它既可以提供夜间行车的安全保护，又可以有效地避免由于驾车者的操作失误而导致的视野盲点，从而提高驾乘者的驾驭体验。为了改善夜间行车的安全性，科学家们开发出一种新型的智能汽车照明，它可以根据实时的道路状态，采用多种传感器科技和卫星定位科技，并通过模糊控制技术，实现对道路状态的实时监测，进而根据实时的道路状态，对照明灯的光线和亮度进行精准的控制，使得司机可以获得更加清晰的视线，减少可怕的交通事件的发生。采用先进的高新技术，例如速度传感器、转向盘位置传感器和卫星位置，可以有效地检测到汽车正在经历的弯路，并且可以根据实际情况，精确地控制前照灯的亮度，以最小的光线覆盖到最窄的路段，有效地减少了驾驶者的视野盲点，保证了行车的安全性。2地铁车内布局2.1车厢照明平面布置地铁站的车厢里的路面上的路面灯一般采用双排排列的方式，即一排排的，一排排的，一排排的。双排排的路面灯能够给乘客们提供更加舒适的环境，而双排排的路面灯能够更好的适应乘客的需要，而双排排的路面灯能够更好的适应乘客的需要，而双排排的路面灯能够更好的适应乘客的需要，而双排排的路面灯能够更好的适应乘客的需要，而双排排的路面灯能够更好的适应乘客的需要，而双排排的路面灯能够更好的适应乘客的需要，通过采用散落布局，我们能够大大改善汽车的照明系统。它既能够适应汽车的光照需要，又能够节约空气，使汽车的外观更为美观。此外，它还能够有效地减少汽车的重量，并且能够更好地保证汽车的安全。然而，由于汽车的外形比较复杂，所有的汽车灯都必须专门安排，使得汽车的安全系统变得更为困难。图2.1地铁车辆车内照明布置举例为了更好地实现安全、可靠的汽车内部空气净化，我们将汽车的照明设备按顺序安排，并且将其分散放置于汽车的左右两边，以保证汽车的安全性。详情请参考附件B。为了提高使用效率，我们在改进汽车照明系统时，特意增加3000mm和1460mm两种不同的照明尺寸。3000mm照明系统使用“一灯两罩”的安装模式，一半由两个独立的电池组提供照明。这句话描述了两种常见的汽车配件，它们的尺寸各异。其中，3000mm的灯是相同的，并且能够相互替代。然而，两个1460mm的灯是完全独立的，因此必须通过改变它们的连接方式来进行更新。此外，两个光感探测器被安装在汽车的两个侧面，它们的位置相差800mm到430mm。在这个地方，由于没有任何障碍物，所以可以很容易地监控到整个车厢的亮度。此外，这样做还可以防止在行驶中，由于车厢之间的亮度差异导致的光学传感器的误差。通过多次尝试，我们发现这种设计方式非常适合监控整个车厢的亮度。为了确保智能照明系统的正确运行，我们将它的集成电源和调节光的控制装置安装在了二楼的电气柜内，这样既可以保证它的正常运行，也可以更加轻松地安装和配备。图2.2车厢照明布置图2.2灯具结构设计这句话描述了一种特殊的照明系统，它由四个组成部分组成：照明器、照明器材、照明器材和照明器材。这种系统使用了一个统一的电源，所以它没有需要额外的照明器材。它被紧紧地固定在汽车的前后盖子和底座的框架上，并且有一个圆柱状的照明器材来照亮整个系统。通过将灯光线穿过整个汽车，使得整个汽车呈现出一条连续的光线。图2.3照明灯具结构示意1.灯体灯体被视为汽车照明系统的核心组成部分，它不仅负责承载和安装照明设施，还负责与汽车整个身躯紧密连接。因此，它必须拥有良好的抗压能力，能够承受汽车的载荷，一般由优质的铝合金制造，可有效降低汽车的质量。这个项目的照明系统使用了6063-TS铝合金制造。这种材料具有出色的塑性和适当的热处理强度，并且在焊接方面表现出色灯体被精心设计的长圆孔分别位于左右两侧，并且通过螺栓将其固定在顶板骨架上，以确保灯具的稳固性和可靠性。2.灯罩灯罩是一种有效的光源传播器，它能够将LED点光源转换成面光源，使得照明更加清晰，减少眩光，从而达到更好的照明效果在汽车灯罩的制作中，玻璃是最常用的材料，它的防火性能优于其他材料，但是PC材料更加耐用，它的可塑性更强，重量更轻，光线的传播效果更加灵活。目前，必达福和拜耳公司都能够提供高品质的PC灯罩，因此我们选择了这种材料进行挤压成型。灯罩采用卡扣式安装，可以轻松地进行维护和拆卸，而且它们之间还配备了金属安全绳，以确保灯罩不会因意外脱落而造成乘客的伤害。3.发光元件LED光源板是一种高效的LED照明设备，它通过将大量LED颗粒贴片到PCB板上来实现发光。采用PCB铝基板制造的LED灯具具备出色的散热、隔离、耐磨、耐腐蚀等特点，不仅可以显著减少灯具的温升，而且还具备更强的功耗、更稳定的可靠性，从而大大增强了灯具的耐久性。金属基覆铜板，也称为铝基板，因其五层结构而闻名。这五层包括：涂层、电子层、介电层、基板层以及保护层。涂层的目的在于阻止电子元件的焊接，并且可以降低LED的辐射。电子层使用电镀铜，通过电镀工艺生产电子元件，并将电子元件串并联。介电层则是金属基板的关键部件，负责连接电子元件，并维持电子元件的稳定性。铝基板的主要目的在于提供良好的隔离效果，同时也提供良好的导热效果。它的优良的热传导特性、良好的机械特性以及优异的电学特性，都让它成为LED的理想选择。此外，它还拥有优异的抗腐蚀性，一般会选择PI膜来提供良好的防水防晒效果。当LED处于运行状态，它所释放的能量会迅速被金属表面吸收，随即被转移至其他部位，以便有效地降低整个设备的温度。综合LED上述特性，本设计采用LED进行模拟仿真。图2.4PCB铝基板结构示意2.3连接方式通常，LED照明系统的发射部件包括许多独立的LED元素。正确的LED安装方法会直观关联到系统的稳定性和寿命。所以，在实施LED安装时，应该考虑到这些因素，以确保系统的高效运行。当前，LED的安装可以通过四种不同的形态实现：串联、并联、混合和网络化安装。a）LED串联通过LED串联，可以将电路中的各个LED颗粒按照一定的顺序连接起来，从而使得每个LED颗粒的工作电流保持一致，从而达到相同的亮度。这种LED的连接方法很容易，但它的缺陷在于，如果某颗LED出现问题，它会导致整颗LED都无法正常运行，从而降低了整体的可用性。图2.5LED简单串联连接为了提升电路的可靠性，一种新的改良型LED串联连接方式应运而生。采用的齐纳二极管具有较低的击穿电压，这样可以有效地阻止LED的过载，保证它们的正常发光。然而，当LED的故障时，齐纳二极管将被触发，以便为其它LED提供可靠的输入。由于LED的并行齐纳二极管的存在，使得该类型的led串行电路必须添加更多的元器件，进一步加剧了其结构的复杂性，并且也提高了整台灯的制造和维护费用。图2.6LED带旁路齐纳二极管连接b）LED并联LED的并联使得它们的每一部分的功率可以得到最大化，而且它们的驱动电流可以根据需要进行调整，从而避免了单独使用时可能出现的LED。如果使用恒定的ledled，一旦有一个LED出现问题，另一个LED的输出会变得更强，这会导致另一个LED的过热，从而产生一个恶性的循环。所以，使用LED串联的连接方法的优势在于，电路结构简单，操作方便，而且驱动电压更低，更加稳定，但会导致LED的分布不平衡，降低整体的亮度。图2.7LED并联连接c）LED混联LED混联技术可以将LED灯具的不同部分进行组装，从而提高灯具的性能。它可以将灯具的单个部分与其他部分进行组装，从而提高灯具的整体性能。这种技术可以满足不同的灯具的需求，例如，如果灯具需要单独运行，可以选择LED混联技术。由于LED的多种连接形式，不管是串联还是并联，它们的结构会变得更为复杂，从而导致更大的生产成本。而LED的混合使用，不仅能够解决电源的搭配难题，而且还能够大大提升电源的稳定性，从而使得LED电源的使用更为经济实惠。LED混联电流的均流问题至关重要，为了实现最佳的电流平衡，通常会通过精心设计的电流分布图，将电流分布图与电阻分布图进行匹配，从而实现电流的有效分布，从而提升电流的平衡。图2.8LED混联连接3智能照明新技术和方法3.1照明的基本概念3.1.1色温“色温”指的是一个物质的亮度和反射率，它通过测量物质的反射率来衡量。一个物质的反射率通常用K来衡量，它的反射率越高，反射率越大，反射率越小。反射率越大，反射率越小，反射率越大，反射率越小。色温作为衡量光源光谱质量的重要参数，TC可以反映其变化趋势。在黑体辐射的情况下，当温度上升时，其发出的光线会从红变为黄，然后又变回原来的样子，这样，当色温较高时，其发出的蓝光会更加丰富，而红光则会更加稀疏。一般的蜡烛的亮度可以达到1930K，而钨丝灯的亮度则可以达到更高的2760K-2900K，而日光荧光灯的亮度则更高，甚至可以达到更高的6000K0.图3-1展示了不同类型的光源的色温差异。图3.1日常光源的色温通常，我们将低于3000K的温度称为暖色调，而高于5000K的温度则被称为中间色调，而低于5000K的温度则被称为冷色调。这些温度差异会对人的身体和精神产生不同的影响。根据最新的研究，当光线较暗的地方，如果持续暴露在光线较暗的地方，可以使人的思考活跃，提高注意力，并且使人的行为更为理性。然而，如果光线较暗，则会使人的精神状态不佳，导致身体的不适。因此，在选择光线的颜色方面，应该选择柔和的暖色，以便使人的精神状态保持平衡。表3.1常见照明场景的色温序号照明场景色温选择效果1教室、图书馆等4500K—500OK安静、严肃，又不失活泼，保护视力，培养2商场350OK—4500K自然、活泼、放心、舒适，引起购买欲望3会客室400OK—4500K便于宾主互动，沟通顺畅4餐厅300OK——4000K舒适、安稳，引起人食欲3.1.2光通量光通量是一种衡量光照强度的物理量，它可以用流明来表示，而且随着光照强度的增加，光通量也会发生变化由于辐射功率的变化，不同波长的光通量也会发生变化。根据多个国家的实验室的研究，当辐射功率为555nm时，人类对光的敏感性最强，其光谱光视效能最高，可达到戈二6831m/W。因此，555nm波长的光的传播速率可以通过一个简单的公式来描述：3.1.3显色指数显色指数是一种衡量物体在不同光源下的色彩变化的指标，它反映了物体在不同光源下的色彩变化情况CR工（ColorRendition工ndex）是一种衡量光源显色性的重要指标，它可以准确地反映出物体在照射光源时的颜色变化，其最高值可达1000，可以说是目前评估光源显色性的一种有效方式。当一个物质的表面没有受到它自身的反射光的影响，它的表面将不再呈现原有的颜色，从而表示它的表面质量不佳。为了衡量一个物质的表面质量，我们可以使用显色指数来进行测量，它可以用来衡量一个物质的表面质量，并且可以用来评估一个物质的表面质量。由于显色指数是一个关键的评估工具，它反映了一个光源的颜色恢复能力，它的值越大，说明这个光源的颜色恢复效率就越好，而且它的颜色恢复性能也更优秀。图3.2展示了显色指数与色彩还原。图3.2显色指数与色彩还原3.1.4照度“照度”一词来源于对一个物体在一个特定区域中能够吸收的太阳辐射的能力。“E”一词代表“勒克斯”，“Ed/dS”的关系就是一个物体在一个特定区域中能够吸收的太阳辐射的能力。当一个物体暴露于一个平方米的光线中，如果其表面的亮度达到1流明，那么其表示的亮度就会达到1勒克斯。这个数值可以用来衡量一个物体的亮度，也可以用来衡量一个光源的效率。表3.2常见照明场景的照度值序号场所照度值（Lx）1教室、实验室、办公室200-7502工厂流水线750-15003餐厅、洗手间150-3004商场室内陈列750-30005居家卧室、厕所70-150照亮效果取决于光源的亮度和反射率，因此，照亮效果（Eav）作为一个重要的指标，对于灯的亮度和反射率都至关重要。Eav的大小取决于灯的亮度和反射率，而且还取决于灯的反射率和反射率，因此，eav的大小应该根据灯的亮度和反射率来确定。在这句话里，n代表的是一组光源，φ则指的是每组光源的总能量，而CU则指的是它们的可使用性，MF则指的是它们的可维持性，而s则指的是它们所覆盖的区域。然而，要想获得最佳的照亮效果，就必须避免过分的强烈的日晒，因为这会导致身体的疲惫，以及对眼睛的刺激，从而影响视觉效果。在某些特定的环境下，调节照亮的强弱程度，能够让人们更加舒服，更加安心。然而，这种调节也必须兼顾环境的特性，才能达到最佳的视觉和心灵上的满足.。因此，在调节照亮强弱时，应该综合考量环境的特性，并且根据实际情况进行合理的调整，从而达到最佳的视觉和心灵上的满足。大多数场合车厢内的照度标准值为300-500（Lx）。本设计用400Lx作为照度标准值。图3.3显示了色温、光照强度和照明舒适度之间的相互影响。3.1.5照度均匀度照度均匀度是衡量物体表面光照强度的一个重要参数，它由物体表面的最低光照度和平均光照度之间的比值U来决定，具体计算方法如下：if的测量结果可以用来衡量一个物体的亮度和阴影程度，它可以用来评估物体在一个特定的区域的亮度和阴影程度。当if的测量结果达到1时，这意味着物体的亮度和阴影程度都较低，使得物体在一个较亮的区域更加安静。通常情况下，在需要良好光照条件的环境，例如学校、医院、工业生产线，光亮程度越好，人们会更加愉悦。然而，在需要良好光照条件下，例如花坛、广告牌、游泳池、餐厅、商店，光亮程度越低，人们会更加不快乐。因此，在这些环境下，衡量光亮程度并不重要。3.2照明灯具的结构与供电照明设备通常包括四个基本单位：发射器、控制器、支架、外壳。它们共同为我们提供了亮度、颜色、功率等信息。发光元件是照明灯具的关键组成部分，它们的选择和使用可以极大地影响灯具的性能和使用寿命。近年来，随着科技的进步和人们对照明的日益增长，发光元件的种类也在不断演变，从而使得照明灯具的性能和使用寿命得到了显著的改善。从1879年爱迪生首次提出的白炽灯开始，人类的照明技术不断演进，从普通的荧光灯到现在的气体放电灯。三个时代的发展。其中以荧光灯为代表的气体放电灯，自第二次世界大战后便广泛应用到了各个行业中。1974年荷兰飞利浦公司成功研制出三基色荧光灯，更是成为了荧光灯发展史上的一个重要里程碑。三基色荧光灯可以实现在暖色光、暖白色光、冷色光三种范围内发光，基本满足各种照明场景的需要，而且三基色荧光灯寿命长达10000小时，比热光源灯具节能70%，光线柔和、无频闪，可使被照人员舒适、放松。因此，在地铁车辆照明中，三基色荧光灯一直以来被作为发光元件的首选。20世纪90时代末期，第三代半导体GaN的诞生，掀起了光照科技的新浪潮，这也带来了固态照明技术的诞生。LED（太阳能电池板）成功地作为第四代照明技术，它不仅代替了传统的白炽灯和荧光灯，而且还成功地被应用在日常灯具中。LED灯具的核心部分LED光源板，通常采用P-N结构，包括P型半导体、N型半导体以及少量的载流子，这些半导体可以通过串行连接，也可以通过并行连接，形成一个完整的led灯具。当P型半导体受到外力作用时，其中的大部分电荷被转化为N结，这种结构由P型半导体的多数电荷组成。当PN型半导体的两端受到外力作用时，N部分的电荷便转化为P部分的多数电荷，这些多数电荷最终被转化为p部分的空穴，并最终转化为p部分的光子，从而产生可见的光。LED芯片的发光原理可以通过它来解释。图3.4LED芯片发光机理2008年，香港地铁首次尝试使用LED作为照明技术，这种技术的优势显著：它的固体表面反射率极低，可以抵御地面的冲击和振荡，同时还可以提供更好的视觉质量，使乘客更加舒适。36]年，LED技术的应用越来越普遍，成为当时最受欢迎的地铁照明技术。驱动电源是用来控制照明设备的能量来自于它的能量来源，并且它的使用寿命很长，但是也有一定的缺陷。通常，它们会被划分成静态的或者运行的两种。1.恒压驱动电源线性恒压源是一种用于测量电压的电子元件，它的工作原理是：将电压从一个固定的电路中转换到另一个电路中，并将转换的电压作为一个可以被测量的电压，这个电压可以被多个电路测量，并且可以被多个电路放大，从而达到恒压的目的。详情请看图2-5。线性恒压源具备优异的性能，其反馈迅捷、噪声极少、输出波形极其平滑，而且其输出压力远远低于输入压力，但同时也存在着较高的效率和较高的温升。（1）线性恒压源线性恒压源是一种用于测量电压的电子元件，它的工作原理是：将电压从一个固定的电路中转换到另一个电路中，并将转换的电压作为一个可以被测量的电压，这个电压可以被多个电路测量，并且可以被多个电路放大，从而达到恒压的目的。详情请看图2-5。线性恒压源具备优异的性能，其反馈迅捷、噪声极少、输出波形极其平滑，而且其输出压力远远低于输入压力，但同时也存在着较高的效率和较高的温升。图3.5线性恒压源原理（2）开光恒压源PWM脉宽调制芯片与开光管构成了开关恒压源的主要组成部分，它们通过调节导通与关闭的时间差来实现恒压输出，如图2-6中展示的那样。开光恒压源具备出色的性价比，它的功率更强，而且电源的功率更小，使得它更加可靠。目前，它已被认定为恒压驱动电源的首选，并且已被普遍地运用到电子、电脑、通讯等各个行业。图3.6开光恒压源原理2.恒流驱动电源电源驱动器可提供持续的电流，并且可根据电阻值的不同来进行电流的调整。这种电源可以被设计来适配不同的环境，并且可以防止电阻过大。电源驱动器可以被设计来提供持续的电流，并且可以被设计来适配不同的环境。两种广泛使用的恒定电压来源如何。（1）常用简易恒流源采用两只具备良好性能的同型三极管，我们能够构筑出一种普遍适用的恒流源，其中be的电压保持一致，从而实现I=e/Rl的恒定输出。这种恒流源具备了操作方便、输出量大、价格实惠的优势，大大减少了产品的开发和运行费用。鉴于be电压的波动幅度很高，以及相似类别的三极管在性能上存在显著的差距，使得采用该技术来实现准确的恒定输出无法达到预期的效果。图3.7简易恒流源（2）运放恒流源通过引入一个运放来实现对电路的控制，以达到更准确的输出，并且利用场效应管来抵消由于be电压变化而产生的偏移。此外，这种运放的输出值可以设定在I=/R1。此类电源为恒流源的标准电路，使用的元件普通，在电流精度要求不高的前提下，可将场效应管替换为三极管，且电路易于搭建与调试，具有足够精度和可调性。缺点就是代。需要额外提供。图3.8运放恒流源驱动电源是照明灯具的核心部件。LED照明灯的发光特点是：随着LED的两端电压的变化，它的驱动电流也会相应地变化，这会使得LED的可发光照明降低，使得LED的使用寿命降低。因此，在选用led的过程中，必须注意控制驱动器的输出，以保证led的准确性和可靠性。目前，LED灯具的故障率达到了80%，这大部分都与LED芯片的5万小时的使用期有关。此外，由于LED的发射能力较弱，使得其发射效果受到限制，而目前的ledled发射能力大多只有70%-90%。3.3智能照明的控制技术近年来，由于科学技术的飞跃，许多领域都取得了长足的进步。例如，电子学、网络、主动控制、感应器工艺、微电子技术都取得了巨大的成就。这些高新技术的融合使得照明技术得到了极大的提升，并且已经迈向了一个完整的智能化控制的阶段。在轨道交通中，将照明系统进行智能化改造，旨在三个方面：首先，它将极大地改善列车内部的照明设施，降低其维修费用；其次，它将大大降低能耗，降低其使用费用；最后，它将极大地提升车载设备的智能性，从而更好地适应当前市场的发展趋势。通过使用智能化技术，我们可以在不同的情况下，如外部环境的改变和某些特殊的规则，让汽车的照明系统可以自主地收集和处理数据。这些数据可以通过逻辑分析、推理和决策来得出最终的决策，然后将这些决策的结论转换成可用的格式，从而使汽车的运营更加高效和可靠。当前，智能照明控制技术可以根据其控制目标和目标进行划分，包括：自动调节照度、情景模拟和人流识别三种技术。3.3.1照度自动调节技术通过使用照度自动调节技术，我们可以根据周围环境的光照情况，自动调整灯具的亮度，以满足乘客的需求。这种技术有助于合理利用光线，实现节能。照度自动调节技术的核心在于实时监测客室内的光线变化，并将其转换成可以实时调整的模式，这一过程需要感光器的参与，以便实现对光线的实时监测和精确控制。通过信号处理器，我们可以对客厅的照明强度进行实时监测，并根据实时监测结果输出控制信号，从而自动调整客厅的照明强度。在自然光充足的情况下，灯具可以有效地减少照明，从而节省能源。照度自动调节技术原理见图3-9所示。图3.9照度自动调节技术原理为了更好地控制照明灯具的亮度，照度自动调节技术通常与PWM脉宽调制技术相结合，使得照明灯具的亮度可以更加均匀和稳定地变化，并且可以通过PWM波的形式输出，从而达到更高的控制效果。节约资源的照明控制器拥有独特的优点，它的输入照明量随着周围的光线变化，并且可以通过控制来减少灯泡的开启时间和消耗的电力。然而，这种控制器需要额外的照明设备，这将导致更高的成本。3.3.2情景模式控制技术通过使用情景模式控制技术，我们能够在各种场合下，如日常生活中的各种场合，对照明设备进行智能化的调整，以便为乘客带来更加舒适、协调、美观的旅行氛围。颜色是一种非常重要的元素，它可以改变环境的氛围和气氛，从而使得室内空气更加清新、舒适。为了更好地满足这一点，我们可以使用颜色的分类标准，如图3.10所示。图3.10色温分级表越是深邃的蓝，其颜值就越高；而越是明亮的红，其颜值就越低。一天之内，太阳的颜值也会发生着巨大的改变。早晨，40分钟的太阳会呈现出淡淡的金黄，其颜值在3000K左右；而下午，太阳的颜值会从4800-5800K。当太阳西沉，天空的颜色变得更加深沉，从2200K到3300K，每一个颜色都会带来独特的魅力。低于3000-5000K的颜色给人一种沉着而安详的气息，而高于3000-5000K的颜色则给人一种清新而愉悦的体验。当色温超过5000K时，人们会产生一种寒意的感受。3.3.3人流识别控制技术采用先进的人口智能识别和控制系统，我们可以对乘客的出行情况进行实时的监控，同时根据客流量的变化，智能地调整照明设备的亮度，从而达到节约资源的目的。通过应用先进的人流识别和控制技术，我们可以通过使用红外成像来监测车厢内的温湿度。这样，我们就可以准确地估算出车厢中的座位和座位的比例，并通过调整光线来调节车厢的温湿度。此外，我们还可以通过调整车厢中的光线来改善车厢的整体氛围，并最大限度地发挥车厢的功能。图3.11红外成像人流识别示意图人流识别控制技术的核心挑战在于如何利用红外成像技术来快速分析和处理车厢内的人流情况，从而实现对灯具的精确控制。这一过程需要将红外成像技术应用到灯具的驱动电源上，以便实现对灯具的精确调节和开关操作。由于乘客的流动具有较大的不确定性，而且照明灯具的亮度也受到限制，因此，要想达到最佳的照明效果，就必须对其进行分区域的控制。利用人流识别控制技术，列车可以实时监测和调整照明灯具的亮度和开关，大大提升了列车的科技水平，同时也可以有效地节约资源，从而获得更高的效率和效益15]。然而，这种技术也存在一定的缺点，比如需要安装大量的红外热传感器，这不仅会增加照明系统的成本，还会增加安装结构的复杂性。随着人流识别控制技术的不断发展，目前国内轨道交通车辆已经开始采用这项技术，并取得了良好的效果。4设计方案4.1照明控制系统功能分析通过使用AT89C51单片机，我们可以构建一个智能照明控制系统，它可以根据车辆的运行情况和状况，自动调节照明灯的开启和关闭。4.2单片机的选择单片机芯片是嵌入式系统中常用的一种电子器件，也称为微控制器（MCU）。它可以在一个芯片上集成处理器核心、存储器、IO口、定时器、计数器、AD转换器等功能模块[8]，极大地减小了设计的复杂度和成本。不同系列的单片机具有不同的优缺点，结合本文功能实现的特点以及其他经济因素，最终方案有以下两种：方案一：STC系列单片机芯片STC89C52是8051系列单片机的一种，其具有以下优缺点：优点：成本低廉：STC89C52的价格相对较为低廉。易于上手：STC89C52是一款易于上手的单片机，由于其基于8051内核，而这种单片机的编程器和开发环境等资源相对较为丰富。容易扩展：STC89C52具有多种外设和接口，可以轻松扩展到其他外部设备。具有低功耗模式：在工作时STC89C52可以通过低功耗模式实现高效能耗[9]。缺点：性能较低：相较于其他单片机产品，STC89C52的性能较为低端，限制了一些对于高性能需求的机构应用。存储容量较小：STC89C52内存容量较小，只有64KB，无法存储大型数据集成，不适用于对存储空间要求较高的应用场景。开发资源有限：相较于其他品牌的单片机，STC89C52的开发资源相对较少，开发者需要自行探索资源和解决器件的开发问题。总的来说，STC89C52作为一款低成本、易上手、易扩展的单片机，适用于对成本和功能要求不高的控制型应用场景。方案二：AT系列单片机芯片AT系列单片机是一种非常流行的8位微控制器，被广泛应用于各种领域。其中，AT89C51是最受欢迎的型号之一。以下是该系列单片机的优缺点：优点：高性能：AT系列单片机具有高速操作和微控制器特性，可广泛应用于各种控制和嵌入式系统。稳定性：AT系列单片机采用先进的CMOS技术，具有稳定性和可靠性，可以在各种恶劣环境下操作[10]。易于编程：AT系列单片机易于编程，支持多种编程环境和语言，便于工程师进行开发和调试。可重用性：AT系列单片机具有高度的可重用性，可以在多个项目中使用，减少开发时间和成本。缺点：与16位或32位微处理器相比，AT系列单片机的处理速度较慢，执行复杂的指令需要较多的时钟。AT系列单片机拥有的内存容量较小，只能用于较简单的应用。AT系列单片机的存储器不支持随机存储，存储容量有限。AT系列单片机需要外部电路支持，因此需要较多的硬件设计工作。总而言之，AT系列单片机具有高性能，稳定性高，易于编程，可重用性强等优点，但缺点是其速度较慢，存储容量有限，需要额外的外部电路支持。经过详细的比较，我们发现STC系列单片机和AT系列单片机各有优势，因此，在满足本次设计的要求的前提下，我们最终选择了方案二的AT89C51单片机作为控制芯片。4.3液晶显示模块的选择LCD模块，也被称为LiquiDCRystalDisplayModule，是一种专为显示终端而r&d的高性能显示模块，其结构包括lcd显示屏、驱动电路、背光源、外壳、连接件，能够实现高清晰度的显示，并能够提供丰富的内容，如文字、图像、视频、音频、游戏、视频等。基于AT89C51单片机的智能照明控制系统中，需要实时显示外界环境的照度，可以选择带有串行通信接口的液晶显示模块，这样可以将滑动变阻器和液晶显示模块之间通过串行通信进行数据传输，实现动态照度显示。故有以下两种方案：方案一：LCD1602液晶显示模块方案二;LCD12864液晶显示模块LCD1602与LCD12864区别：1、分辨率不同，LCD1602是每字5*8点阵，字符区域16*2个；LCD12864是128*64分辨率的点阵。这两者的差异显而易见。2、由于驱动芯片的差异，导致控制字和时间顺序存在一定的差异。LCD1602液晶显示优缺点：优点：1、这款字符型液晶显示器，能够轻松地显示出字母和数字信息。2、控制简单3、成本较低缺点：1、显示的字体有大小限制2、不能显示图形等等3、它不能显示曲线lcd12864液晶显示优缺点：优点：1、功耗低2、体积娇小不占面积3、重量轻，超薄等缺点：1、LCD12864液晶显示器具有丰富的信息量，但其编程和电路设计却相对复杂，需要更多的技术支持。2、价格较高综上所述，最终方案为方案一LCD1602液晶显示模块。4.4ad转化器的选择ad转换器是用于转换复杂的电子信息的设备。它通过在给定的时间内对多个电子信息进行转换，使它们能够在同一个频率下保持稳定。这种转换方法通常包括对多个电子信息进行采样，并与其他电子信息进行对比，以确保它们的平衡。结合本设计功能实现及经济效益有以下两种方案：方案一：ADC0832AD转化器ADC0832拥有出色的8位转换器性能，其转换效果可以达到惊人的256级，可以完美地支持多种数据传输任务。它的内置的电源设计，能够将0~5V的数字信号传递到外接的设备。该芯片的转换效率极高，只需32μS，并配备双重数据输入，从而大大减少了数据误差，其转换效率极高，而且稳定性也极佳。方案二：PCF8591AD转化器PCF8591拥有一个高效的单片设计，它能够提供8-bitCMOS的高精度信号，并且能够通过一个单独的供电系统实现高效的工作。它的四个模拟端子、一个模拟端子以及一个串行的I2C总线接口，使得它能够支持多个器件的连接，不必再安装任何其他的元件。此外，它还拥有三个地址引脚，分别为A0、A1、A2，这些都能够方便的进行硬件地址的编辑。PCF8591器件可实现高效的地理位置、操作指令及其他相关的数字信息，这些信息均可通过高效的I2C总线实现高速的连接。ADC0832拥有双缓冲8bits的ADC，而pcf则拥有一个I2C总线，可以进行多个步长的8bits的渐进式ADC，以及一个内部的8bits单通道DAC。与DAC0832相比，pcf8591的性能更加突出，它拥有更加丰富的功能，更小的功耗，只需一个电源，更加便捷的IO口，而且还可以将一个pcf8591连接到一个其他的设备，使得它更加灵活、高效。这个系统可以提供更高级的解决方案。4.5总体方案及框图本文采用AT89C51单片机作为控制器芯片，整体的电路设计包括显示电路模块、AD转换电路模块、按键控制模块，其总体结构图如下：图4.1总体硬件设计图5系统硬件电路设计5.1电路总体设计该系统由AT89C51单片机驱动，包括晶振、显示、复位、光照度信息处理、车载光学元件和灯饰。5.1.1单片机电路AT89C51由ALU位置的8位微控制器（MCU）组成，它可实现复杂的计算机控制；它拥有128B的RAM，可容纳00H至7FH的时间段；此外，它还拥有21个专门的特性寄存器，它们散布在SFR块的80H至FFH之间。PC，一个16位的单一寄存器，可以记录程序的运算，以及它所需的指令的位置，它可以被设置成一个可以被读取的位置。51系列单片机在存储器配置上采用“哈佛”结构，即物理上具有独立的程序寄存器和数据寄存器，但逻辑上采用相同的地址空间，利用不同的指令和寻址方式进行访问。AT89C51内部有4kBFLASH，用来存储程序、原始数据、表格等，称为程序存储器（片内ROM）；有4个8位可编程I/O口（P0、P1、P2、P3）；一个UART串行通信口；2个16位定时/计数器；5个中断源，两个中断优先级的中断控制系统；一个片内振荡器和时钟电路。.图5.1AT89C51单片机5.1.2晶振电路设计晶振，也称为振荡器。oscillator，一种具备四个管脚、四个方向的设备，其中包含了功率、重量以及时钟输出的引脚，内部还配备了晶片与振荡器，不仅能够自动调节频率，而且还能够在产品出厂前进行精确的调整，具备了易于操作、频率稳定、电磁辐射低等优势。晶体振荡器，也被称为石英晶体振荡器，是一种具备高效、低噪声、高精度的电子元件，其结构包括石英晶体元件、集成电路、电阻电容器及其表面材料，在使用过程中，其能够产生持久的振荡信号。图5.2晶振电路连接图5.1.3复位电路设计复位电路是一种用于控制和保障数字电路正确启动的电路，它可以在系统通电时将所有相关电路初始化至已知状态并在必要时强制系统重新启动。复位电路通常由复位电路芯片、复位电源、复位信号生成电路等组成。其中，复位电路芯片是实现复位功能的关键部件，它能够实现从复位信号的检测、滤波、延迟到输出复位信号等功能。此外，复位电源是保证复位电路稳定工作的关键部件，通过对电源的滤波、稳压等处理来提供稳定的电压信号。复位信号生成电路则是在检测到复位信号后，对复位信号进行处理和调整，以生成符合单片机或其他数字电路工作所需的复位信号。总之，复位电路是数字电路和单片机设计中的重要组成部分，它能够确保电路在启动或异常情况下能够迅速进入正确状态，保证系统的正常工作。图5.3复位电路连接图5.1.4液晶显示电路设计LCD1602液晶显示器是广泛使用的一种字符型液晶显示模块。液晶显示电路是指用于驱动液晶显示屏的电路，主要包括液晶驱动芯片和液晶显示屏。液晶显示屏通过多个驱动引脚和控制信号与驱动芯片连接，根据驱动芯片发出的指令来实现图像显示和刷新。液晶驱动芯片是一种专用于液晶驱动的可编程逻辑芯片。该芯片可以将输入的数据和控制信号经过处理后传递到液晶显示屏的驱动引脚上，控制液晶显示屏的像素刷新，实现对液晶显示屏的驱动控制。图5.4液晶显示电路5.1.5AD转化电路设计通过使用半导体材料，我们可以创造出一种能够感知光线的电阻。这种电阻的电阻大小与光线的强度有关，当光线越强时，电阻大小就越低；反之，当光线越弱时，电阻大小就越高。PCF8591是一种高性价比的AD/DA转换器，它通过接收A1N1引脚的电压信号，并通过AT89C51调节，实现从模拟信号到数字信号的转化，从而实现液晶显示屏和LCE灯的调节和启停功能。图5.5AD转化电路5.1.6按键电路设计按键电路是指用于检测按键输入的电路，主要由按键、电阻、电容、开关等元件组成。本设计有一个车头灯按键，三个车厢灯按键。·图5.6按键电路6系统软件程序设计6.1主程序设计本次设计中的软件程序，主要包含了A/D采样程序、按键判断程序、数码显示程序、数据处理程序。通过PCF8591检测环境照度，并传送至AT89C51单片机，使单片机进行信号处理，对环境照度检测值与设定的临界值进行比较，如果照度大于临界值，则LDE灯灭，如果照度小于临界值，则LED灯亮。同时还会对采集到的数字信号进行处理，并做出判断，运用相关算法计算出环境照度并将信号传送至数码管显示器，进行数值的显示。图6.1主程序流程图C语言已经成为许多人工智能系统的核心语言，其优越的性能、易于操作和灵活性，为人类的工作提供了极大的便利。C语言的应用范围广泛，涵盖了嵌入式系统、操作系统、网络编程、游戏开发、桌面应用程序等多个领域。C语言编程具体具有以下优点：高效性：C语言可以直接访问计算机的底层资源，使得程序的执行速度非常高，能够处理大规模的数据和复杂的运算。可移植性：C语言编写的程序可以在不同的平台上运行，只需要做少量的适配工作就可以实现跨平台运行。灵活性：C语言提供了丰富的语法和数据类型，可以用来实现各种类型的应用程序。语言简洁：C语言的语法简单明了，使用方便，易于学习和使用。代码可读性强：C语言的代码结构清晰，可读性强，易于维护和修改。应用广泛：C语言可以被应用于多种领域，如操作系统、游戏、嵌入式系统、数据库、网络通信等。社区支持丰富：C语言拥有庞大的社区支持，有许多开源项目和库可以供开发者使用，加快开发速度。综上所述，C语言编程具有高效性、可移植性、灵活性、易于学习和易于使用等优点，使得它在各个领域都得到了广泛的应用。，是一门非常重要的编程语言。6.2子程序设计6.2.1显示模块显示模块选择PCF8591进行环境的照度显示，C0,C1,C2,C3显示检测到的照度值，由信息采集模块决定。工作流程：PCF8591接收CPU发出的指令和数据；PCF8591根据接收的指令，设置内部寄存器状态；PCF8591根据寄存器状态进行驱动，屏幕显示相关操作结果；CPU读取PCF8591寄存器状态，进入下一操作；由此不断进行循坏。图6.2显示模块流程图7系统测试与分析7.1照明状态变化7.1.1初始状态如图，环境照度大于400勒克斯时，LED处于灯灭状态。图7.1照度低于400Lx图7.2LED灯灭状态7.1.2照明状态环境照度低于400勒克斯时，LED处于灯亮状态。图7.3照度高于400Lx图7.4LED灯亮状态7.1.3特殊照明状态当环境照度高于400勒克斯时，LED处于灯灭状态，遇特殊情况时，可手按优先级更高的按键模块，使环境照度高于400勒克斯时，LED仍处于灯亮状态。图7.5照度高于400Lx图7.6未按下按键开关由图7.5，7.6可知车头环境照度大于400勒克斯，车头灯处于灯灭状态。图7.7照度高于400Lx图7.8按下按键开关由图7.7，7.8可知，按下开关按钮以后，车头灯处于灯亮状态。7.2结果分析光敏电阻的阻值大小与环境照度成反比，改变光敏电阻的进光量，光敏电阻的阻值随之变化，电压值随之变化，PCF8591采集光敏电阻电压值，在其输入引脚端A1N1输入电压，经过转化后，在输出引脚端得到数字量。AT89C51得到数字量后，会比较数字量是否超过临界值400Lx，如果照度大于400Lx，则LDE灯灭，如果照度小于400Lx，则LED灯亮。如果遇到紧急情况，手动按下按键开关时，可在照度大于400Lx时仍使LED处于灯亮状态。8总结与展望8.1总结本文提出和设计了一种基于AT89C51单片机的地铁智能照明控制系统，以AT89C51单片机作为控制芯片，外设分别搭建了低功耗的PCF8591芯片、LCD1602显示屏、按键电路等模块。系统运用相关算法比较PCF8591所采集的数字信号是否小于标准值400来实现LED的智能控制，并将其数值显示到液晶屏上，可以得出结论，以上设备的性能通过实际的实验结果测试并且具有功耗低、可靠性高、响应速度快、实用性较强的优点。8.2展望本文设计的地铁智能照明控制系统虽然实现照明的智能化控制，提高乘车舒适性，提高能源利用率，节约成本。但是随着人们的需求增加，面对日益紧张的资源困境，所带来的体验仍不能满足以后的人们众多的需求和期望，资源困境依然不能解决。随着计算机、无线通讯数据传输、扩频电力载波通讯技术、计算机智能化信息处理及节能型电器控制等技术的成熟，相信智能照明可达到更加安全、节能、舒适、高效的程度。8.3经济学分析与价值评价本文设计的地铁智能照明控制系统以可靠性高、价格较为便宜、硬件设计方便的AT89C51作为主控制模块，具有很好的经济性；并且其中的PCF8591芯片也因为其实用性强和经济性好而广泛应用于各种场合；LCD1602显示屏在满足功能的要求的同时也尽最大可能性满足经济性的要求，做到在乘客能看清楚的前提下，只显示车厢号、照度值等重要信息，缩小显示屏的大小，尽可能的减少成本；而灯具也使用了发光性强、价格低廉的LED灯。参考文献[1]姚辉.地铁智能照明系统的能耗分析及节能优化策略[J].电工技术,2022（24）：235-237.DOI：10.19768/ki.dgjs.2022.24.072.[2]杨彩玲.地铁机电设备系统节能智能化应用探析[J].福建建筑,2022（07）：109-113.[3]李家旭,李小亚,刘海浪,詹浩杰,韦晶.地铁直流智能照明系统的调光应用分析[J].照明工程学报,2022,33（02）：76-83.[4]孙二杰.智能照明系统在济南地铁1号线的应用[J].光源与照明,2022（03）：49-51.[5]涂志飞.地铁车站的智能照明系统设计[J].集成电路应用,2022,39（03）：294-296.DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2022.03.134.[6]孙冬云.地铁智能照明系统现存问题与优化措施[J].光源与照明,2022（02）：98-100.[7]罗艳艳.地铁车站智能照明控制系统设计简析[J].智能建筑电气技术,2020,14（03）：71-73.DOI：10.13857/11-5589/tu.2020.03.022.[8]徐伟棠.地铁智能照明控制系统设计研究[D].广东工业大学,2019.DOI：10.27029/ki.ggdgu.2019.001530.[9]曾照聿.地铁车辆车内智能照明系统的设计与实现[D].华东交通大学,2018.[10]王志强.地铁车站智能照明控制系统方案设计[J].城市轨道交通研究,2013,16（06）：124-127.DOI：10.16037/j.1007-869x.2013.06.035.附录1附录2代码#include"lcd1602.h"#include"sys.h"#include"key.h"#include"iic.h"sbitled1=P1^0;sbitled2=P1^1;sbitled3=P1^2;sbitled4=P1^3;sbitbuzzer=P2^5;unsignedintkeyValue=0;bitadcFlag=0,keyFlag=0,led1Flag=0,led2Flag=0,led3Flag=0,led4Flag=0;unsignedintadc0Value=1000,