教室照明智能控制系统

选题背景及意义 随着我国教育事业的发展，学校照明用电量越来越大，电能损失也随之增加。现在大多数教室的照明控制系统都是采用传统的手动（开和关两种）控制方式，浪费现象比较严重。教室中的开关虽然能够实现分区控制，但是很少有人去关心哪排灯由那个开关去控制，因此就出现了所谓的长明灯现象。这样长期以来，无形中浪费的电能是非常惊人的。 在传统的楼宇控制系统中，一般只包括综合布线、计算机网络、安防、消防 等子系统。但近年来，随着经济的发展和科技的进步，人们对照明灯具节能和科学管理提出了更高的要求，使得照明控制在智能化领域的地位越来越重要。相对商业楼宇而言，大学校园里的大功率动力和制冷设备比重较少，照明灯具则相对比重更多。因此，选择合理的照明方案，配置先进的控制系统，不仅体现在节约能源，降低学校运行费用，提高学校的科学管理水准，而且具有极大的经济意义和社会效益。在一些欧美发达国家，照明系统的智能化控制已成为现代化学校不可分割的组成部分，而且应用范围越来越广。因此，很有必要对学校教室照明进行智能控制管理。 1.2智能照明控制系统的优越性 与传统的粗放式的管理状态相比，智能管理系统具有总体拥有成本低(一次费用较高，但运行维护费用低)、维护方便(单个部件损坏不影响系统的整体性能)、功能丰富(可实现灯光的任意合)、优异的可扩展性(软件设置即可)、便于系统集成(配有通讯单元)等特点。其主要优越性具体表现有以下几点： ◆达到良好的节能效果，延长灯具寿命 节能是照明控制系统的最大优势。传统的照明工作模式，只能是白天开灯，晚上关灯。而采用了智能照明控制系统后，我们可以根据不同场合、不同的人流量，进行时间段、工作模式的细分，把不必要的照明关掉，在需要时自动开启。同时，系统还能充分利用自然光，自动调节室内照度。控制系统实现了不同工作场合的多种照明工作模式，在保证必要照明的同时，有效减少了灯具的工作时间，节省了不必要的能源开支，也延长了灯具的寿命。 ◆改善工作环境，提高工作效率 良好的工作环境是提高工作效率的一个必要条件。合理地选用光源、灯具及性能优越的照明控制系统，都能提高照明质量。智能照明控制系统具有开关和调光两种控制方法，可以有效地控制各种照明场所的平均照度值，从而提高照度均匀性。同时，系统能根据不同的时间段，人们的不同需要，自动调节照度。 ◆实现多种的照明效果 多种照明控制方式，可以使同一建筑物具备多种艺术效果，为建筑增色不少。现代建筑物中，照明不单纯地为满足人们视觉上的明暗效果，更应具备多种的控制方案，使建筑物更加生动，艺术性更强，给人丰富的视觉效果和美感。一栋建筑物中，室外景观照明、泛光照明可以预设为春夏秋冬四季变化，周末节假日场景，大型庆典场景；会客厅、会议室等可以预设会议、投影、会间休息等不同场景。在传统的人工控制方式下，难以实现如此多种多样的照明效果。 ◆提高管理水平 智能照明控制系统是以自动控制为主、人工控制为辅的系统。在一般的情况下，不需要有人的参与，照明系统自动实现开关和调光功能。既大大减少了管理人员的数量，也排除了由于人为因素而出现的不定时开关，影响学校的正常教学、生活秩序的情况出现。 ◆较好的投资收益效果 虽然智能照明系统最基本的功能是开关，似乎与传统的照明系统并无二致。但前者以自动控制为主、人工控制为辅，而智能照明控制系统减少灯具使用时间和管理费用的同时，能有效节约能源。根据一般办公大楼的运营经验，节能效果能达到40％以上，一般的商场、酒店、地铁站等节能效果也能达到25％-30％[7]；学校在这方面还没有得到具体的统计数据，但根据分析，效果还是令人满意的。由于我国以前的粗放型经济的增长方式己经导致资源匾乏，这种一味地靠资源和牺牲环境来换取GDP的增长的外延扩展方式已经走到尽头，所以调整产业结构，在照明行业推广智能照明系统具有重要的意义。 ? 1.3方案的比较及选择 ? 目前，高校教学楼照明用电的管理基本是处于一种粗放式的管理状态。其管理一般为下列四种模式： (1) 根据室内的人员情况进行照明控制。在室内出入口安装人数流量计, 对室内的人数进行统计, 当有人时开灯, 没人时关灯。这一方法理论上可实现没人时照明灯自动熄灭的功能, 但由于统计室内人数十分困难, 在人员集中进出时,甚至根本无法正确统计人数; 由于没有自然光检测装置, 则会出现只要室内有照明灯就打开的情况, 即使在白天光线充足时也是如此; 当室内仅有一个人时, 由于无法确定使用者的具体位置, 只能打开全部照明灯, 故反而造成更大浪费。 (2) 根据室内光线情况进行控制。结合自然光检测,在自然光充足的情况下, 关闭照明灯以达到节能的目的,在光线不足时打开照明灯。依据这一设计思想实现的方案主要有下列问题: 由于不能进行室内是否有人的判断,所以会导致在室内无人但光线不足时打开照明系统; 如果仅使用模拟比较器的方式实现自然光充足与否的判断, 可能在光线充足与否的临界点产生频繁切换, 导致照明灯寿命缩减, 影响照明系统的正常工作。 (3) 基于时间控制。与上述两种方案相比, 一种更简单的方法是基于时间控制, 即设定在某一段时间内打开照明灯, 其它时间则关闭。这种方法不考虑有无人的情况,也不考虑阴天、晴天光线不同等情况。 (4) 上述控制方法的综合。目前比较成熟的方案是把上述几种方法结合起来实现, 以弥补上述各自的不足, 从而具备一定的智能水平和实际应用价值。但仍然存在由于不能准确定位室内人员位置, 导致不能对室内灯光进行分区域精确控制等缺点。 对教学楼照明管理的要求是在充分保证教室的照度的前提下，尽可能地节约电能。上述的四种管理模式都不同程度地存在着缺陷，而造成电能的浪费。照明节能主要有两种途径：一是选用高效电光源和灯具。在保证照明质量的前提下，降低照明用电量的根本措施就在于提高照明设备的效率，即提高光源与灯具的效率；另一种是在现有灯具的基础上使用智能照明控制系统，即通过优化照明系统的运行来达到节能的效果。本设计着重论述后面一种。 针对这种情况，本文设计出了一种用AT89S52单片机作为控制器的节能、智能控制系统，可以实现室内人员具体位置定位的方法, 结合自然光检测技术, 根据管理者设定的照明控制策略, 实现了真正意义上的室内智能照明系统。使整个系统处于自动的工作状态，实现对教室照明系统的智能控制。一方面减少了人工的参与，更为主要的是实现了人走灯灭，人来灯亮，使长明灯现象得到解决，使教室的照明用电得到合理有效的利用。 ? 1.4系统总体设计与分析 ? 本设计属于单片机应用系统。确定单片机控制系统总体方案，是进行系统设计最重要、最关键的一步。总体方案的好坏，直接影响整个控制系统的性能及实施细则。总体方案的设计主要是根据被控对象的任务及工艺要求而确定的。设计方法大致如下：根据系统的要求，首先确定出系统是采用开环系统还是闭环系统，或者是数据处理系统。选择检测元件，在确定总体方案时，必须首先选择好被测参数的测量元件，它是影响控制系统精度的重要因素之一。选择执行机构，执行机构是微型机控制系统的重要组成部件之一。执行机构的选择一方面要与控制算法匹配，另一方面要根据被控对象的实际情况确定。 选择输入/输出通道及外围设备。选择时应考虑以下几个问题：被控对象参数的数量；各输入/输出通道是串行操作还是并行操作；各通道数据的传递速率；各通道数据的字长及选择位数；对显示、打印有何要求；画出整个系统流程图和原理图。 3．1 系统的工作原理 该系统由两部分组成：探测系统和控制系统。系统的工作原理是：当教室无人时所有的灯都自动关闭；当教室有人且照明度达不到设定的要求时自动打开人所在区域的灯；当教室有人且照明度达到设定的要求时自动关闭人所在区域的灯。 首先，光亮度探测器对室内亮度进行检测，若亮度暗到设定阈值（白天不低于150lx，晚上不低于200lx，由可变电阻调节），则打开红外探测器电源。被动（静态）红外探测器若探测到人体进入室内信号，放大并输入到单片机主控电路，单片机得到有效信号后，立即发出开关闭合命令。