【智慧照明优化设计14000字（论文）】

盐城工学院本科生毕业设计说明书智慧照明优化设计摘要：能源短缺是目前中国甚至国际社会共同面临的问题，为了实现“碳达峰”和“碳中和”两个指标，中国在过去一年做出的努力有目共睹，达到的效果也是非常显著的。“碳达峰”向我们释放出一种节约减排的信号，其中电能的节约是关键的一部分。所以在这种大环境下，国内外学者和科技爱好者纷纷提出一种自动控制系统，代替之前楼道或者教室中必须人为开关灯的方式，期望达到一种人走灯自动停，人来灯自动开的控制系统。针对宿舍楼的长明灯问题，提出一种优化设计，实现灯具的自动开关系统。系统由上位机和下位机共同进行控制，下位机系统具有光照强度采集、人体红外采集、声音采集电路，可以控制灯具的亮灭；当人体经过灯具附近时，系统会通过声音或者红外感应接收到来人信息，然后通过判断当前环境的光照强度进行判断是否需要开灯。上位机系统跟下位机实时通信，可以实时显示每个灯具的开关状态，并且可以获取当前时间传输给下位机，下位机可以根据时间段进行控制方式的切换。本文通过查询书籍等方式确立研究内容，随后通过硬件和程序的配合实现优化系统的功能，验证了本系统的有效性。关键词：能源短缺；声控；长明灯；自动开关系统。目录1.绪论 .绪论1.1本文研究的背景及意义时代在不断进步和发展，国家经济也不断增加，带领国内的照明行业一起迅速发展。随之而来的是能源利用问题。国家的现状是领土面积大，但是人口数量多，基数大，引发的能源短缺问题日益严峻。这种能源短缺还有能源浪费的问题很大程度上会制约我国的经济可持续发展现状。国内大部分的建筑中，电能占有60%到90%的能量消耗，特别是一些大城市中的高科技公司[1]，主要消耗在电子产品中，其中照明也能占到10%到20%的消耗。因此，涌现出各种技术类型的厂家，生产拥有智能开关的照明产品。智慧家居系统通常是指利用电脑、有线或无线通信传送、扩展电磁载波技术、单片机智能信息化处理以及节约节能型电气控制等技术组成的具有离散分布式无线、有线控制、遥控、通信来实现对照明等家具设备的智能化控制[2]。在此控制系统中，所有的电器设备可以远程控制，例如灯具具有亮度的改变、灯具的软驱动、可定时操控、不同场景切换等功能，并且更具人性化、安全、环保节能、高效等特点。智慧照明系统是智慧家居重要的一环节，又具有其独特性，其对于灯具的智慧调节功能非常符合目前节约减排的政策，迎合了人们对智能生活、绿色环保能生活观念的转变。系统与控制器相互传输控制状态，可实现全自动调光，根据场景进行灯光切换，实现人走灯停人来灯开等功能[3]。与其功能相适应的是其应用场景的扩展，其中包括交通路灯的无人控制系统，办公楼宿舍楼的照明控制，还有日常家居生活智能控制照明系统[4]。该选题的意义在于迎合当前社会的发展趋势，绿色节能，开发出一个即节能，又不影响人们正常生活的智慧照明控制系统，实现节能与智能控制的合二为一。将该系统应用于宿舍楼道的照明系统中，可以更好的迎合节约环保的观念。1.2国内外发展现状随着环保绿色的观念深入人心，智慧照明系统也随之而起。在灯光的控制模式中，很多建筑在以往很长时间都是以传统的人为开关灯控制照明，随着智慧智能技术的发展和进步，很多高科技公司等大厦楼宇逐步采用自动控制系统(BA)去控制室内和室外照明，但是都只能实现简单的局部照明控制和单纯的定时开关功能。国外近年研发出的楼宇(EIB)控制系统是由主网络线路和分布式的分网络线路组成的控制系统[5]。(BA)自动控制系统应用于楼宇的控制系统时，通常使用方法是在局部的回路中串联成带有接触触点的电路。随后通过分布控制每个局部触点电路实现局部的区域控制、定时器开关灯、还有中央监控功能。所有的串联局部回路通过控制中心集中控制，以至于每个现场无法干预照明系统，调节不便。而且只能实现控制功能简单、定时开关灯等功能[6]，没法实现场景预设、智慧照明灯复杂功能。(EIB)控制系统是由主网络线路和分布式的分网络线路组成的控制系统[7]，每个分网络分别通过网桥与主干网相连，在此网路下的数据传输速率只有9600bit/s，没有高速的数据传输通道，如果将整个网路扩大，增加控制模块，救护造成系统失控，数据传输瘫痪。在该系统中传感器和总线耦合器必须连在一起，不方便调试、检修相比较而言，采用一种全新的智能照明控制系统以克服以上系统的缺点显得尤为重要[8~9]。1.3本设计的主要内容本设计对宿舍楼道的灯具开关系统进行优化，主要分为上位机和下位机两部分内容，下位机设计有光照采集电路实时检测当前的光照强度，当光照强度足够时无需开灯；还设计有人体红外感应电路和声音采集电路同时检测人体经过情况，以判断是否开灯等操作。上位机设计有灯具的开光状态，可以实时观测灯具的状态，也可以将时间信息传输给下位机，以进行控制方式的切换。本文通过AltiumDesigner软件画出原理图和PCB图，随后经过电路加工和焊接，经过硬件和软件的配合，最后验证本文提出优化设计的可行性。第一章：提出本设计的研究背景和国内外研究现状。第二章：提出本设计的整体设计要求和思路。第三章：本设计的硬件设计。第四章：本设计的软件设计。第五章：本设计的结果分析。第六章：对本设计进行总结。

2.智慧照明系统的整体设计方案2.1系统设计要求本设计是基于单片机的一种智慧照明优化设计，因此针对宿舍楼的照明问题进行优化设计，宿舍楼的照明有几个问题：1、当晚上11点宿舍楼熄灯时，楼道的灯光依然时常亮状态，尽管此时无人在楼道中走动，这种模式不利于睡眠，而且造成电资源的严重浪费。2、在白天时楼道的灯时熄灭状态，但是当出现阴天下雨时，封闭的楼道由于采光并不好，因此楼道黑暗。3、楼道的灯开关还是由宿管人员在固定的时间进行人为控制，极大的造成人力浪费。4、当楼道的灯具出现故障时，由于检修人员是固定时间进行楼道的巡视，并不能及时的发现楼道里哪个灯具在何时出现问题。因此，通过分析以上的问题，本设计进行针对性的设计优化。因此本设计提出以下要求：1、根据时间将一天分成两个时间段，分别是晚上11点到早上6点，早上6点到晚上11点两段。根据时间段的不同采取不同的灯具控制方式。在早上6点到晚上11点这段时间称为白天段，楼道采用声控的方式进行控制灯具开关，在晚间段，楼道切换成人体感应的方式进行控制。2、针对下雨天和晴天的采光问题，本设计采用光传感器进行楼道的环境实时采集，当楼道的环境亮度达到一定值时，我们切断左右开关控制，即是此时由于环境亮度足够，关闭所有灯具。当采集到的环境亮度低于一定的值时，此时会根据当前的控制方式进行灯具的开关控制。3、针对灯具的故障问题，希望通过设计电路可以实现灯具故障的实时检测。2.2系统设计方案系统设计主要分硬件和软件两个部分，硬件主要是模拟楼道灯具的情况，进而验证算法的有效性，通过PCB画板制图，搭建实验环境。软件分成程序和上位机两部分，通过程序编写将上位机和下位机进行连接和通信。本设计将从三个部分进行结构建设，分别是硬件部分，软件部分和通信部分。首先是硬件控制电路如图2-1所示图2-1硬件主控电路图如图2-1所示为整个电路控制图，主控芯片采用MINI51单片机，外围电路分别采用声控模块、光感模块、人体感应模块和故障检测电路实现控制，用RS485通信技术进行通信，还有电路的供电模块。根据要求我们设计相应的优化程序，本设计的程序思路是根据硬件电路去编写，其中包括对当前时间的判断，当判断出当前时间后根据时间段去切换灯光的开关控制方式，其中包括白天段和黑夜段。白天段定义为早晨6点到晚上11点，黑夜段包括晚上11点到早晨6点。当判断出时间段后我们利用两种方式进行控制，一种是利用人体感应模块去实时检测当前楼道是否有人经过，当人体靠近到可探测区域后，传感器感应到人体的活动时，自动打开灯的开关。当人体经过区域后，灯具自动关闭。当时间段在白天时，程序会优先检测当前的环境亮度，当环境亮度足够亮时，本设计不会产生开关的控制。当检测到当前楼道的亮度太低时，本设计会将人体感应控制方式切换到声控开关控制，当楼道的环境音量达到一定值时开灯。最后运行时都会有一个故障检测电路。这个程序在实时运行检测灯的状态，然后通过通信模块将灯的状态转送给上位机显示。图2-2通信示意图如图2-2所示是上位机和下位机的通信示意图，上位机是Labview软件，可以方便的跟单片机进行通信，当单片机检测到的所有的灯具的实时状态都可以通过通信模块传输给上位机，并且还可以通过上位机去控制单片机进行相关的开关控制。2.3本章小结本章首先总结了当前宿舍楼道存在的控制问题。针对各种问题，本设计分别进行优化，首先通过软件画图和制图了相关的硬件电路，搭建完成实验环境后通过不同的问题进行编程设计，最后通过单片机将所有灯具的状态通过RS485模块传输给上位机实时显示。

3.智慧照明系统的硬件电路设计本文研究内容是对宿舍楼的照明系统进行优化设计，原宿舍楼的LED采用的是宿舍人员在固定时间进行拉闸通电和断电的流程，但是当遇到阴天下雨时，楼道的采光很差，甚至看不清路面，容易产生危险。基于此种控制模式下的系统，本文同过查阅资料提出新的控制系统设计，根据宿舍照明系统的要求进行电路设计，实现小型化的楼宇智能照明系统，完成PCB原理图绘制和PCB布线图的绘制。3.1智慧照明系统的硬件设计框图硬件系统的搭建是整个设计研究的基础，本文通过硬件电路的实现来验证本文提出的创新点。所以设计一个高稳定性和高可靠性的硬件电路很有必要。系统以台湾新唐公司生产的微型单片机MINI51芯片为控制核心，很多电路制板采用该系列的单片机。外围电路包括针对MCU的最小系统设计、电源供电模块、模拟灯具部分、灯具的故障检测部分、光传感器部分、红外感应传感器部分、声音传感器部分还有通信部份。具体硬件设计框图如图3-1所示。图3.1硬件控制框图3.2主控电路设计本设计的主控制芯片采用台湾新唐公司生产的MINI系列单片机，该系列单片机需要极少的外围电路即可工作稳定。3.2.1单片机介绍NuMicroMINI51系列单片机是32位的微处理器，内部嵌入ARM公司的M0内核[10]，此系列的单片机经常应用于工业控制和一些要求功耗低和性能强的应用电路中。M0是是ARM最新的微处理器，有32位处理数据的能力和高性能，但是其成本跟传统8位单片机的成本相当，这种低成本高性能的单片机非常适合用来设计宿舍楼的智慧照明系统。图3-2MCU内部资源图内核：由图3-2可知该单片机的内核最高可以跑到24MHZ，并且具有一个24bit位的系统定时器，该定时器可以帮助我们更好的实现任务分配工作。利用定时器产生不同频率的中断，从而去运行不同的任务分配，符合分模块设计的理念和思想。内嵌LDO：一般单片机的工作电压很低，需要多级电压转换电路，这给设计电路带来成本提高，该系列单片机内嵌一个LDO线性稳压器，工作电压范围从2.3V到5.5V，降低电路的设计成本。内部工作电压更稳定。UART：该单片机集成一组UART接口，可以实现两个16字节的接收和发送，而且还可以对波特率进行编程，我们一般使用115200bit/s的波特率，支持RS485功能，本设计正是通过RS485的通信进行上位机和下位机的联合控制，进而实时显示控制楼道的灯具亮灭。ADC：该系列单片机集成了10-bit的SAR型ADC模块，转换速率可以达到150KSPAS，高的转换速率可以提高系统的响应，使设计更好的适应环境的变化，迅速做出响应的动作。该模块最多8个输入通道，而且可以由软件和外部触发一次转换。本设计用到的多个模块都需要准确的ADC模块去工作。下面是本设计对MCU的管脚设计。如图3-3所示。图3.3MINI51芯片管脚分布本设计选用4个管脚去控制模拟LED的亮灭，并且设立4个故障检查端口去实时监测当前LED的运行状态，检查是否出现LED短路现象，如果出现短路现象，立即进行相应的状态变换，以保护电路。并通知维修人员具体损坏地点，以便及时维护。并且电路采用两路ADC去检测，一路是电压的保护检测，实时监测电源电压是否稳定，一个稳定的电压源是电路板正常工作的前提，所以增加一个ADC管脚去实时采集电路电压源的幅值。如果出现电压震荡幅值超过系统的10%，则立即停止运行并通知维修人员及时维修。另一路ADC用来监测当前环境的亮度，本文认为当环境亮度足够亮时，可以自行关断LED的电源，当环境足够暗时，认为现在有必要开灯。并且设立两路控制输入管脚包括红外感应的输入和声音控制的输入。通过两种信号的输入，单片机判断现在是否运行相应的灯具控制。为了和上位机通信并实现实时显示和控制，本设计采用RS485通信进行数据的传输，所以本设计利用单片机的UART功能实现数据传输。3.2.2最小系统介绍为了单片机能够更稳定的工作环境，有必要为单片机增加一些最小系统去配合单片机的工作，其中包括单片机的烧录电路、复位电路和滤波电路。MINI51系列的单片机内部集成很多外设，因此最小系统的外围电路可以很大程度的简化，减少了成本。如图3-4所示，为本设计搭建的最小系统工作电路。图3-4单片机最小系统工作电路（1）烧录电路烧录电路主要是应用于单片机的在线编程以及芯片内部的测试，本设计在下载调试时采用的是新唐公司生产的烧录器U-LINK，此烧录器具有5个通信端口，分别是VCC和GND、ICE-DAT和ICE-CLK和RESET，5个通信端口提供了芯片需要的工作电压，并且可以使U-LINK与板载芯片达到同频率，然后通过ICE-DAT端口将数据烧录进单片机的内部。（2）滤波电路本设计的5V电压由电源模块产生，由于散热等问题，容易产生文波，对系统的影响很大，所以增加一些滤波电容去滤掉系统产生的文波和高频杂波，以此来稳定单片机的工作稳定。（3）复位电路复位电路如图3.4所示，工作原理如下：系统上电后，电容开始充电，在R31电阻上产生电压，使得单片机复位；此时的电容选的是0.1uf的电容，在几毫秒后即可充满，电阻R31上的电流和电压都降为0，此时单片机进入工作状态。工作期间，按下复位键，电容紧接着放电，电阻产生压降，使得单片机复位[11]。松开复位键后，电容C55紧接着充电，电阻压降为0，随后芯片内部数据复位，重新进入工作状态。3.3声控模块设计声控模块在本设计中是关键的模块，在阴天或者熄灯之前如果楼道黑暗，本设计采用声音控制方式实现灯的开关。本设计采用全指向型咪头GMI6050P-60DB，此咪头可以采集60DB内的声音，灵敏度高，采集距离可以达到2米，非常适合用在宿舍的楼道，楼道的空间相对狭窄，因此声音在楼道中可以很好的被收集。图3-5GMI6060P咪头内部图如图3-5所示咪头的使用方式，只需要一个耦合电容和一个上拉电阻就可以正常工作，传统的咪头使用方式如图3-6所示，。图3-6传统声控开关当咪头采集到声音时，声音信号通过咪头转换成电路的电信号，此电信号通过耦合电容的耦合输入到集成芯片，芯片内部对电信号放大和稳定后进入后级稳态触发器，随后8管脚输出稳定的高电平，此高电平足以开通后级晶体管VT，随后经过VT放大后触发晶闸管VS，然后电路电源通电，此时EL灯具照明。此传统的方法也可以应用于宿舍楼的开关控制，但是存在一定的缺陷。当夜晚11点后，楼道要求保持安静，此时对声音传感器的精度要求很高，又有声音的分贝控制。所以本设计针对这一缺陷提出一种优化设计。本设计为了优化声音开关存在一定的时间控制问题，只采用咪头的基本采集和放大电路，但是通过电路采集到的信号经过单片机的控制就可以实现时间加声音的控制。电路图如图3-7改进的声控模块图3-7改进声控模块改进的声控模块是在传统模块上进行的简化，但是传输出来的信号进入单片机参与逻辑控制，根据环境亮度再进行控制。3.4光感控制设计楼道是相对封闭的环境，所以跟当时的天气也有一定的关系，当白天是阴天时，楼道的采光差，也是相对黑暗的状态，此时就无法自动判断当前的亮灭模式，必须人为的干预，因此本设计采用光敏电阻实时采集当前楼道环境的亮暗程度去判断是否可以开灯。如图3-8所示光敏电阻的光电特性。图3-8光敏电阻光电特性本设计根据光敏的光电特性进行电路设计。如图3-9电路设计。图3-9光敏电路设计光敏电阻5506可承受最大电压高达150V，只有90mW的功耗，工作环境在-30到70摄氏度之间，非常适合用在楼道的环境采集中。由图3.8和光敏电阻5506参数表知，在光照100LUX时阻值只有2~3K欧姆电阻，当光照低至10LUX附近时，电阻阻值达到0.2M欧姆，因此我们将下拉电阻设置为1K电阻，当光照达到100LUX时，通过ADC采集到的电压达到1.25到1.67V，当光照较弱时，阻值变大，采集到的电压接近0V，此时我们通过ADC将环境变量转化为数字量进行控制。3.5人体感应设计本设计关键的感应模块是人体红外感应模块。基于红外的原理，本设计采用红外感应传感器PIR，该传感器能够将8-12um的红外线辐射转化为电信号，并且可以对自然界的背光信号由抑制作用，也称为热释电红外传感器。在被动探头的可探测区域内，当无人体移动时，热释电红外传感器感应到的只有当前区域的背景能量辐射，当有人体通过可探测区域时，通过菲涅尔透镜，传感器感应到的是人体的能量辐射和背景的能量辐射差异，此时传感器就会失去电荷守恒，向外界释放内部的电荷，后续电路对该电荷产生的电压差进行采集，就可以得到人体经过时的电信号。菲涅尔透镜：透镜有两种方式，一种是反射式的透镜，一种是折射式光线的透镜。该器件主要的作用是聚焦和分离探测区域的能量辐射。聚集作用就是将传感器感受到的能量辐射折射到PIR上，分离作用即是将可探测区域根据能量的辐射大小分成明区和暗区，比如背景区和人体辐射后的能量区，在确定背景区和能量区后的差异后，程序即可初始化模块，当有生物经过背景区时，能量聚集，产生能量反应，随后传感器接收到能量辐射，以此判定有人经过此区域，也称热释电效应。图3-10菲涅尔透镜原理热释电效应：自然界中的晶体在温度变化时会产生相应的电荷反应，在晶体表面施加热量时，晶体内部会产生电荷运动，其两侧会产生正负数量相等的电荷，这种电荷运动也称为热释电反应，学者也称之为电极化现象。某些具有电极化反应的晶体，其表面都会附着电荷，而这些电荷在正常情况下会被晶体内部的正负电子和环境中存在的电荷中和，因此表现为中性状态。如图3-11所示热释电效应图。图3-11热释电效应根据以上的原理阐述，本设计搭建电路，通过放大电路等电路将探测到的温度变化产生的微弱电信号放大锁定，进而输入进单片机进行数字量控制。如图3-12电路所示图3-12红外检测电路本设计模块电路的工作电压是5V工作电压，当检测到人体时输出高电平3.3V，当没有人体经过时输出电压0V。采用的PIR传感器时以人体的能量辐射为目标的，也即是对人体发射出的10um的红外线很长敏感，对其他波长的辐射进行暗处理。并且为了避免其他波长的干扰，在硬件上加入一个特殊的菲涅尔光片，可以很好的抑制环境中其他红外线的干扰，增加对人体感应的灵敏度。通常使用的传感器是由串联和并联组合而成的电路模块，此电路模块也叫热释电模块，而且此电路模块的两边都具有正负两个方向的电极化趋势，当环境中背景区其他的能量辐射会将这两个电路模块的热释电效应抵消，因此在自然环境下不会产生效应即电极化反应，即不会产生电路所需要的电信号。人体也会产生特定波长的能量辐射，也红外线，当此能量辐射出现在透镜的探测区域内时，菲涅尔光片将人体特定的红外线波长进行聚焦，并且折射聚集到热释电的电路感应模块，但是两片模块接收到的能量大小不同，产生的电荷数量也不同，从而产生电压差，通过放大即可识别。菲涅尔透镜需要根据性能要求不同，选择不同的焦距，从而产生不同的监控现场。如图3-12所示电路，前端当识别到人体移动时，会产生微弱的电信号，但是信号太过渺小，无法被单片机采集并识别，因此常用一种放大器芯片对信号进行放大锁定，因此我们选用BISS0001芯片对信号进行放大。图3.-3BISS0001内部电路如图3-13所示芯片内部电路图，芯片由运算放大器，电压比较器和状态控制器、延迟时间定时器、封锁时间定时器及参考电压源等构成的数模混合专用集成电路。可广泛应用于多种传感器和延时控制器。根据图3-12的设计电路可知，本传感器可以工作在两种模式，一种可重复触发模式和另一种不可重复触发模式。当传感器工作在可重复触发模式时，在人体经过设计的可探测区域内时，电路会输出高电平，并且产生一段时间的延时，如果在一定时间内人体重复的出现在透镜探测的区域内，电路会一直判定有人，也会也只输出相应的高值；待人体离开此区域一定时间后，电路检测不到相应的热释电效应，立马将电平进行反转。当传感器工作在不可触发模式时，在人体在可探测区域内移动时，传感器将感应人体并输出高电平，此时不管人体是否在区域内活动，电路在延时一段时间后依然会将高电平反转为低电平。3.6故障检测设计本设计的创新点在于整个灯光系统的故障自检实现，宿舍楼内最常见的就是楼道内的灯时不时出现故障，但是宿管是定期检查损坏情况，没办法实时检测哪个灯具出现问题。基于此问题，本设计提出一种带有自检电路并且可以实时上传到上位机显示的电路。在硬件部分在每个灯具加入电压比较器去实现故障检测。LM393的输出是一种开路状态，因此无法提供需要的高电平，所以在使用时会在后端加入一个上拉电阻，一般选择10k左右。我们选择8.2K的电阻。图3-14所示LM393的电路应用图，一般选择在反相端输入一个固定的电压信号，在同相端接入电路中需要比较的电压源。并且上拉电阻选择合适。此时当同相输入点的电压高于负端时，比较器后端输出低电平，当相反时，后端比较器输出高电平。图3-14LM393应用图本设计采用的电路图如图3-15所示，采用5V供电，8.2K的上拉电阻。在比较器的同相输入端输入固定的电压，本设计采用两个电阻分压的形式，可靠稳定的实现分压比较。本设计分压后输入端电压固定在0.5V，负相输入端连接在灯具的电路中，当灯具出现短路时，电压从0.8V降到0V，低于同相输入端电压，此时比较器会输出一个低电平，当单片机检测到低电平时，说明此时灯具出现故障。当灯具正常工作时，灯具会产生0.8V的管压降，此电压高于同相输入端电压0.5v，此时比较器输出高电平，说明此时灯具显示正常。图3-15LM393设计电路3.7电源设计每个系统都离不开电源系统的设计，本设计的电源模块采用芯片去转换电压，采用芯片的优点很多，例如可以宽范围的调节所需要的电压，文波小，对系统具有很好的稳定作用，所以本设计采用电压转换芯片的形式进行系统供电。本设计主要采用集成稳压器去转换电压。12V电源模块如图3-16可见，采用芯片LM2596电压芯片，LM2596/LM2596HV系列稳压器是单片集成电路，为降压（buck）开关稳压器提供所有有源功能，能够以出色的线路和负载调节驱动3A负载。这些设备的固定输出电压为3V、5V、12V和可调输出版本。这些调节器需要最少数量的外部元件，使用简单，包括内部频率补偿和固定频率振荡器。图3-16电源模块电路图本文设计利用了一种经典的电压转换芯片，三端式集成稳压器LM78M05。电子产品中最常见的稳压器包括三端集成稳压器LM78XX这一系列的芯片，这类芯片只有简单的三端口，其中包括输入端，输出端和接地端，这类稳压器芯片需要很少的外围器件就可以稳定的工作，因此可以极大的减少电路板的空间，进而可以控制成本。电路内部具有防止电流过大还有防止芯片温度过高的保护电路，使用起来可靠方便。该系列三端集成稳压器中LM78或LM79后跟随的数字代表该稳压器的输出电压，例如LM7805代表该芯片可以稳定5V电压。图3-175V电路在实际应用时，也应该在电电路板布置时，适当的放大电路散热区域。此系列的稳压器在温度过高时稳压与性能将变差，甚至损坏。当制作需要一个能输出1.5A以上的电流的电源模块时，经常利用几个三端稳压器并联，以此达到多个1.5A电流输出能力。为了主控芯片的ADC采集稳定，在电源模块末端，加入LRC电路进行电路滤波，以此可以达到一种隔离的电路效果，此电路可以更好的提供稳定的模拟电压，前面提到的ADC采集才会更准确。3.8通信模块设计本设计的通信采用RS-485通信，其实这是一种协议通信，在实际应用是需要可以通过串口将数据传输出单片机，但是这些数据没法直接被上位机识别，因此本设计利用转换芯片MAX488芯片。图3-18通信模块电路图图3-19芯片应用图如图3-19所示，可以实现数据的双向收发，因此符合我们的需求，可以实现上位机和下位机的实时通信。3.9本章小结本章通过原理的分析，查阅资料，制作了硬件的原理图，并且绘制了PCB图，根据系统的要求，本电路实现了模块的分别控制。其中有声控、人体感应、光感控制、通信和电源等模块，为实现系统的设计提供电路保障。

4.智慧照明系统的软件设计4.1主控程序设计如图4-1所示程序框图，根据要求我们设计相应的优化程序，本设计的程序思路是根据硬件电路去编写，其中包括对当前时间的判断，当判断出当前时间后根据时间段去切换灯光的开关控制方式，其中包括白天段和黑夜段。白天段定义为早晨6点到晚上11点，黑夜段包括晚上11点到早晨6点。当判断出时间段后我们利用两种方式进行控制，一种是利用人体感应模块去实时检测当前楼道是否有人经过，当人体靠近到可探测区域后，传感器感应到人体的活动时，自动打开灯的开关。当人体经过区域后，灯具自动关闭。当时间段在白天时，程序会优先检测当前的环境亮度，当环境亮度足够亮时，本设计不会产生开关的控制。当检测到当前楼道的亮度太低时，本设计会将人体感应控制方式切换到声控开关控制，当楼道的环境音量达到一定值时开灯。最后运行时都会有一个故障检测电路。这个程序在实时运行检测灯的状态，然后通过通信模块将灯的状态转送给上位机显示。图4-1程序运行框图4.2主要功能子程序设计4.21红外感应程序设计当时间处在黑夜段时，本设计会根据是否有人体经过可探测区域内进行判断等的开关。具体程序框图如4-2所示：图4-2红外感应子程序当进入红外控制模式时，系统会不断的检测当前可探测区域的人体。如果有人经过区域，系统会自动开启灯具。随后系统会判断当前时间是否需要切换控制方式，如果不需要切换控制方式程序会自动回到灯具的判断控制流程中。4.2.2声控模式程序设计当时间处在声控阶段时，说明此时的时间段是白天段，但是也包含傍晚时分，因此为了更好的控制，加入环境亮度检测。控制框图如图4-3所示：图4-3声控子程序流程图通过流程图可以看出，在进入声控子程序后先是判断时候有人经过可探测区域。如果有人经过可探测区域，声控电路会检测到人体经过产生的声音，随后程序会判断当前环境中的亮度，如果当时的亮度不够，系统会立马开灯；如果此时的环境亮度足够，系统人为此时可以不用开灯。在程序最后系统检测是否有切换控制的信号，以此来判断是否在利用楼道里的声音去判断灯的开关。4.2.3上位机子程序设计由于本设计采用上位机显示控制的状态，需要传输灯具的开关信息、故障信号和时间信息等消息，因此每个信息之间需要明确的区分标志。在程序中体现的就是接收到当前的信息后是否符合我所要的信息标志。控制流程图如图4-4所示。因此给每个数据类型增加了一个标志位，称为包头和包尾。一般以一个固定的数据段作为包头包尾，中间的数据留给真正需要传输的数据。所以在收到数据包的时候，需要先检测这个数据包的包头和包尾是否符合我们设定的协议。如果不符合设定协议，说明此数据又可能是传输的乱码或者在传输过程中数据遭到损坏，只有一个包头和包尾都正确的数据包才会被存储到程序中，因此程序不会因为传输过程中的数据损坏而出现错误控制。而且这种方法还可以避免因为传输的数据太多而造成的数据识别错误等问题。图4-4上位机传输程序流程图4.2.4程序运行真值表本设计采用真值表的方式进行分级控制，如表4-1所示真值表。表4-1系统逻辑真值表信号类型时间信号控制方式环境亮度信号人体信号灯的开关状态参数作息时间信号类型环境光强人体逻辑状态白天声控亮有关白天声控亮无关白天声控暗有开白天声控暗无关黑夜红外暗有开黑夜红外暗无关通过表可以看出，当前的时间分为两段，一段是晚上11点到早晨6点，设定为黑夜段，早晨6点到晚上11点设定为白天段，因此时间段只有两种逻辑。在两种逻辑下回产生两种不同的控制方式，分别是红外感应人体和声控两种控制方法。随后检测当前环境的亮度，是否需要开灯。状态一：当时间是白天段时，当前环境比较亮，因此系统屏蔽灯的开关控制，默认当前不需要开灯。状态二：当目前是白天段时，检测到当前的楼道环境太过于黑暗，因此系统会进入声音控制模块，当检测到楼道中超过一定分贝时，系统认定此时有人经过，以此开灯。状态三：当目前时黑夜段时，系统不在检测当前环境的暗弱，只会通过人体感应模块去检测人体是否经过当前区域。如果人体经过当前探测区域，则开启附近的灯。4.3上位机软件设计4.3.1LabVIEW介绍LabVIEW是NI公司推出的一种图形化编程语言，这是实验室虚拟仪器集成环境(LaboratoryVirtualInstrumentEnginering

Workbench)的简称。自其问世以来经历了一个快速发展的过程，如今已得到工控领域和学术界的普遍认可。和其它的软件相比，LabVIEW在数据采集、数据分析、实时和远程控制领域被认为是当今最专业的一款软件。和C语言或C++语言等计算机高级编程语言一样，LabVIEW也是一种通用的编程系统。它不但具备C或C++语言的基本功能，还包含了大量的控件、工具和各种各样的功能强大的函数库。而且LabVIEW也有极其完善的调试、仿真工具,.如设置断点、探针，单步控制等等，最重要的是它可以完成高亮执行，可以让开发者直观的看到程序中每-一个控件的数据变化和整个程序的数据流。这种动态的数据跟踪方式相比于其它的语言开发环境更加直观，简洁，高效。LabVIEW的图形化的编程简洁易懂，对于新手以及不懂编程的人都能快速上手，这使得硬件工程师们可以快速掌握其开发方法，省去了那些繁琐的编程规则和进行代码层面操作的时间，极大地缩短了开发周期且便于维护。LABVIEW采用数据流编程模式，可以同时运行多个线程、多个程序，完全符合温湿度上位机软件设计设计的要求。除此之外，此设计中LabVIEW可以进行实时编程，并且前面板简洁易懂，便于控制，集成度高。符合设计要求。4.3.2上位机界面根据程序要求，我们利用LabVIEW软件进行图形化编程。通过485协议跟单片机进行通信，本设计将上位机和下位机通过设定的固定协议进行通信。如表4-2协议表所示是上位机传输给单片机的命令和状态。表4-2上位机下发协议表协议状态FFA00001AA55开启自动控制FFA00100AA55关闭自动控制FFA20000AA55白天段FFA20001AA55夜晚段如表4-3所示，是下位机传输给上位机的通信协议。表4-3下位机上发协议表协议状态FFB10001AA55LED1故障FFB10002AA55LED2故障FFB10004AA55LED3故障FFB10008AA55LED4故障FFB20001AA55LED1亮FFB20002AA55LED2亮FFB20004AA55LED4亮FFB20008AA55LED8亮根据设定的协议进行上位机和下位机的通信，上位机的控制页面如图4-5所示图4-5上位机控制界面从图中可以看出，我们设计了通信的接口选择模块，接收和发送数据的显示模块，开启和停止按钮，还有灯具的故障状态和每个灯具的开关状态。4.4本章小结本章根据系统的设计要求，设计了相关的程序，程序设计根据模块进行分开控制，设计了程序框图，并定义了真值表。随后本设计根据通信协议设计了上位机控制界面，并且根据要去设计了上位机和下位机的通信协议。本设计将根据上位机和下位机的程序进行真实环境的模拟实验。

5.结果分析根据以上硬件和软件的设计，初步搭建了能够模拟真实环境的楼道照明优化设计系统，本系统本着真实的原则进行模拟分析。随后通过搭建上位机界面，将楼道里面的灯具状态进行上传显示，并且实时显示当前灯具的故障状态，以便及时的维修出现故障的灯具。下面本设计通过上位机的显示状态进行结果分析。5.1开关结果分析将程序通过烧录器烧录进入单片机以后，单片机可以正常工作，随后打开上位机软件，将通信线连接至板子上。1、工作模式一：白天段。如图5-1状态一所示，此时选择好串口和波特率后，点击开始按钮，上位机下发开始控制命令，此时单片机开始工作。上位机软件检测到当前时间在早晨6点到晚上11点之间，会给下位机发送一个白天段的标志位。当下位机接收到白天段的信息后，进行当前环境的判断。当目前的楼道环境足够的亮时，结果如图5-1所示，所有的灯时熄灭状态，并且没有故障产生。图5-1状态一当阴天下雨时，单片机检测到当前环境太过黑暗，系统会自动开启声控模式去控制灯具的开关，当有人经过灯具1时，灯具1亮如图5-2所示图5-2状态二由结果可以分析，当人体经过最近的声控模块区域时，附近的灯具会自动打开，但是距离人体比较远的的灯具依然时熄灭状态，等待人体走近时开灯。2、工作模式二：黑夜段。当上位机检测到当前的时间是黑夜时，会向下发送一个黑夜的标志位。当程序检测到当前此信号时，会自动将声控模块切换成人体感应模块去实时探测是否有同学经过当前的楼道。如图5-3所示。图5-3状态三从图中可以看出，当单片机接收到当前时间段时黑夜时，会自动将声控系统切换到人体感应系统。此时单片机不在需要检测当前的环境亮度，只需要实时检测是否有人经过当前的区域即可。图中