《電子技術(shù)應(yīng)用》
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高校教室燈光節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
摘要: 根據(jù)時(shí)間、照度、人員分布情況等對(duì)教室燈具進(jìn)行自動(dòng)控制,采用集成光頻轉(zhuǎn)換器TSL230 對(duì)照度進(jìn)行較為準(zhǔn)確檢測(cè); 在人數(shù)探測(cè)上引入模糊人數(shù)和人數(shù)閾值,不再單一的依靠人體存在信號(hào)進(jìn)行開關(guān)燈控制,增強(qiáng)了節(jié)能效果,進(jìn)一步完善控制方法,使設(shè)備的性能更加穩(wěn)定可靠;多模式控制且各模式之間自動(dòng)切換,使系統(tǒng)使用更加靈活,便捷。
Abstract:
Key words :

     1 引言

  隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人類社會(huì)的進(jìn)步越來越依賴于資源的開發(fā)與利用,然而與日俱增的能源需求和有限的資源數(shù)量形成了巨大的矛盾。

  在尋找替代品、提高能源利用率和節(jié)約能源等幾種緩解能源危機(jī)的途徑中,節(jié)能無疑是符合可持續(xù)發(fā)展要求且“可以從身邊做起”的選擇。據(jù)統(tǒng)計(jì)2005年,我國(guó)全社會(huì)的總用電量約為24000 億kW·h,照明用電量約為3000 億kW·h,且每年以13% ~ 14%的速度遞增,預(yù)計(jì)到2010 年,照明用電量將超過5000 億kW·h,新增照明用電2000 億kW·h。對(duì)高等院校,據(jù)測(cè)算,其照明耗電占本單位所有耗電的40% 左右,可見在保證照明質(zhì)量的前提下,對(duì)教室燈光進(jìn)行自動(dòng)控制,其節(jié)能效益和經(jīng)濟(jì)效益都是相當(dāng)可觀的。

  基于以上情況,本設(shè)計(jì)根據(jù)時(shí)間、照度、人員分布情況等對(duì)教室燈具進(jìn)行自動(dòng)控制,采用集成光頻轉(zhuǎn)換器TSL230 對(duì)照度進(jìn)行較為準(zhǔn)確檢測(cè); 在人數(shù)探測(cè)上引入模糊人數(shù)和人數(shù)閾值,不再單一的依靠人體存在信號(hào)進(jìn)行開關(guān)燈控制,增強(qiáng)了節(jié)能效果,進(jìn)一步完善控制方法,使設(shè)備的性能更加穩(wěn)定可靠;多模式控制且各模式之間自動(dòng)切換,使系統(tǒng)使用更加靈活,便捷。

  2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  該系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu),由上位機(jī)下位機(jī)兩個(gè)部分組成。

  2. 1 上位機(jī)

  上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)以下功能:

  (1) 通過鍵盤完成設(shè)定密碼、初始化時(shí)間、設(shè)置照度人數(shù)閾值和設(shè)置工作時(shí)間等任務(wù)。

  (2) 通過信號(hào)探測(cè)器判斷控制模式。

  (3) 根據(jù)接收到的下位機(jī)數(shù)據(jù),及內(nèi)部存儲(chǔ)的照度閾值和人數(shù)閾值計(jì)算控制燈組,并向相應(yīng)下位機(jī)發(fā)出開關(guān)燈指令。

  (4) 通過LCD 顯示當(dāng)前工作狀態(tài)和工作模式。

  上位機(jī)由5V 穩(wěn)壓電源模塊、微控制器STC89C54、時(shí)鐘模塊、液晶顯示模塊、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊、485 通訊模塊、自動(dòng)/ 強(qiáng)制開關(guān)以及由中斷擴(kuò)展的按鍵模塊( 其中包括確認(rèn)鍵,增減鍵和移動(dòng)光標(biāo)鍵) 組成( 如圖1)。

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圖1 上位機(jī)硬件圖

  2. 2 下位機(jī)

  下位機(jī)的主要功能如下:

  (1) 通過紅外熱釋電傳感器和光頻轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)采集人體存在信號(hào)、模糊人數(shù)和照度信號(hào),將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。

  (2) 依據(jù)主機(jī)發(fā)回的命令對(duì)燈組進(jìn)行開關(guān)控制。

  下位機(jī)主要包括: 中心處理芯片AT89C2051、5V 穩(wěn)壓器、光頻轉(zhuǎn)換模塊、紅外熱釋電模塊、地址選擇器、看門狗電路、485 通訊模塊以及固態(tài)繼電器組成的功率器件等( 如圖2)。

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圖2 下位機(jī)硬件圖

  3 硬件部分

  3. 1 主從機(jī)中心處理芯片

  選用STC89C54、AT89C2051 單片機(jī), 其價(jià)位低,可多次擦寫,應(yīng)用范圍廣泛。單片機(jī)在系統(tǒng)中與其他電路模塊配合完成如上所述的上、下位機(jī)功能。

  3. 2 顯示模塊和按鍵模塊

  為了便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化、參數(shù)設(shè)置和模式選擇,主機(jī)配置了LCD 顯示屏和由四個(gè)按鍵組成的按鍵模塊。顯示部分選用帶中文字庫(kù)的液晶顯示模塊LM3033。四個(gè)按鍵由一個(gè)外部中斷擴(kuò)展而成。由于液晶顯示字?jǐn)?shù)和版面的限制,系統(tǒng)采用分屏顯示,需要用按鍵控制光標(biāo)移動(dòng)進(jìn)行選屏; 并在參數(shù)設(shè)置時(shí),使用按鍵對(duì)數(shù)值進(jìn)行增減控制。

  通過可視化界面對(duì)系統(tǒng)的照度閾值,人員閾值和工作時(shí)間進(jìn)行設(shè)置,使用戶可以根據(jù)實(shí)際情況和需要靈活的設(shè)置參數(shù),在增強(qiáng)系統(tǒng)可用性的同時(shí),擴(kuò)大了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。加入密碼控制界面,增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性,明確了用戶的設(shè)置權(quán)限。

  3. 3 光頻轉(zhuǎn)換模塊

  系統(tǒng)選用可編程光頻轉(zhuǎn)換器TSL230 作為光頻轉(zhuǎn)換模塊的主芯片。TSL230 是新一代集成化的智能傳感器,它將可配置的光電二極管陣列和電流/ 頻率轉(zhuǎn)換器等集成在單片集成電路中,無需外接元件即可完成高分辨率的光照度/ 頻率轉(zhuǎn)換,輸出較高精度的數(shù)字信號(hào),是一種高性能、低價(jià)位的智能傳感器。其輸出為占空比50% 的方波,且輸出頻率與照度成線性關(guān)系,靈敏度可調(diào)。

  3. 4 紅外熱釋電人體探測(cè)模塊

  紅外熱釋電模塊由紅外探頭和信號(hào)處理芯片LP0001 組成。LP0001 是一款高性能的傳感信號(hào)處理集成電路,具有獨(dú)立的高輸入阻抗運(yùn)算放大器,內(nèi)部的雙向鑒幅器可有效抑制干擾,內(nèi)設(shè)延遲時(shí)間定時(shí)器和封鎖時(shí)間定時(shí)器。該芯片可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大,鑒相,整形及展寬,其靜態(tài)電流極小,配以熱釋電紅外傳感器和少量外圍元器件即可構(gòu)成被動(dòng)式的熱釋電紅外傳感器。

  另外,系統(tǒng)選用MAX485 芯片實(shí)現(xiàn)主機(jī)與多個(gè)從機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸與命令控制。選用MAX813 芯片對(duì)下位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控,在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)下位機(jī)進(jìn)行復(fù)位。用撥碼開關(guān)對(duì)多個(gè)從機(jī)進(jìn)行地址設(shè)置,方便設(shè)備的安裝和使用。

  4 軟件部分

  4. 1 設(shè)計(jì)總體思想

  時(shí)間、光照度和人員分布構(gòu)成了系統(tǒng)控制依據(jù)的三大要素。將時(shí)間作為控制依據(jù)之一是為了進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)節(jié)能的監(jiān)管,使工作時(shí)間與非工作時(shí)間的界限具體化。根據(jù)教室光照明暗分布和紅外熱釋電模塊的探測(cè)范圍,將教室劃分成方形區(qū)域( 如圖3)進(jìn)行控制。分別將包含光頻傳感器和紅外傳感器的下位機(jī)板塊安裝在各區(qū)域天*板上,通過下位機(jī)對(duì)室內(nèi)光照強(qiáng)度及人員流動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)控,并將采集到的數(shù)據(jù)送給上位機(jī); 上位機(jī)將各下位機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)統(tǒng)籌比較,根據(jù)設(shè)定的人數(shù)閾值與照度閾值綜合考慮開關(guān)燈決策。這樣設(shè)計(jì)不僅考慮到了局部,而且能從整體上把握提出開關(guān)燈方案,進(jìn)一步增強(qiáng)了節(jié)能效果。

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圖3 教室區(qū)域劃分

  系統(tǒng)在處理由紅外熱釋電傳感器采集到的人體信號(hào)時(shí),采用模糊控制理論對(duì)各區(qū)域人數(shù)進(jìn)行模糊統(tǒng)計(jì),解決了無法對(duì)人數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)數(shù)帶來的問題,并為人數(shù)閾值的判斷打下基礎(chǔ)。加入模糊人數(shù)判斷標(biāo)準(zhǔn)( 區(qū)域人數(shù)大于閾值Y0 才開燈) ,以解決人數(shù)分布過于分散時(shí)打開過多燈的問題,增強(qiáng)節(jié)能效果。

  在照度控制方面,單獨(dú)依靠照度小于300 lx 就開燈的判斷依據(jù)是行不通的: 在照度不滿足要求系統(tǒng)開燈后,照度就會(huì)大于300 lx,這時(shí)系統(tǒng)會(huì)誤判照度滿足要求,做出關(guān)燈的決定。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生,考慮到自然光與燈光發(fā)生的是非相干疊加,可以在控制中加入一個(gè)照度上限X0,當(dāng)自然光與燈光疊加照度大于X0 則關(guān)燈。于是,開燈的條件就變?yōu)樵跓粑创蜷_時(shí)照度小于300 lx 和燈打開后照度小于X0。

  系統(tǒng)采用多種模式控制,以滿足教室多種功用的需求,其模式主要?jiǎng)澐譃? 強(qiáng)制模式和自動(dòng)模式;自動(dòng)模式又細(xì)分為: 多媒體模式、板書模式和自習(xí)模式。在工作時(shí)間內(nèi),如有模式信號(hào)輸入則系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)的模式; 若無則進(jìn)入自習(xí)模式。不在工作時(shí)間,如有強(qiáng)制手動(dòng)信號(hào)輸入,則根據(jù)手動(dòng)任務(wù)的設(shè)定運(yùn)行;若無則關(guān)閉所有的燈。程序主流程圖如圖4。

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圖4 程序主流程圖

  4. 1. 1 各模式的控制方式和實(shí)現(xiàn)

  4. 1. 1. 1 強(qiáng)制模式

  管理員將自動(dòng)/ 強(qiáng)制開關(guān)置為低電平,使系統(tǒng)進(jìn)入強(qiáng)制模式。在強(qiáng)制模下,通過按鍵設(shè)置開關(guān)任意區(qū)域的燈,不再受工作時(shí)間、照度和人員分布的限制。

  4. 1. 1. 2 自動(dòng)模式

  管理員將自動(dòng)/ 強(qiáng)制開關(guān)置于高電平,系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)模式運(yùn)行。

  4. 1. 1. 2. 1 自習(xí)模式

  當(dāng)無任何模式信號(hào)輸入時(shí),系統(tǒng)進(jìn)入自習(xí)模式。

  在該模式運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)先檢測(cè)教室內(nèi)是否有區(qū)域亮燈,然后檢測(cè)光照度是否達(dá)到國(guó)家規(guī)定的300 lx。

  若是光照度大于此標(biāo)準(zhǔn),不管區(qū)域有沒有人都不開燈; 若是小于則探測(cè)區(qū)域是否有人,有人則根據(jù)情況開燈,無人則不開燈。具體開關(guān)燈控制規(guī)則如下:

  1. 開燈

  當(dāng)照度不足時(shí)有人進(jìn)入教室,如果教室內(nèi)沒有區(qū)域亮燈則打開人所在區(qū)域的燈,若是再有人進(jìn)入,則檢測(cè)第一個(gè)開燈區(qū)域的人數(shù)是否大于Y0,若不大于則不再打開其他區(qū)域的燈,若大于則采集各有人區(qū)域內(nèi)的人數(shù),并將人數(shù)進(jìn)行比較,打開未亮燈區(qū)域中人數(shù)最多的區(qū)域的燈, 依此循環(huán)打開第三區(qū),第四區(qū)……的燈。如果教室里有已亮燈區(qū)域,則分別記錄這些區(qū)域的人數(shù),如果有區(qū)域的人數(shù)少于標(biāo)準(zhǔn)值Y0, 不再打開其他區(qū)域的燈; 如果都大于該值,則打開未亮燈區(qū)域中人數(shù)最多的區(qū)域的燈。

  2. 關(guān)燈

  開燈后,在自然光照不足( 照度小于X0 ) 的情況下,教室中只允許有一個(gè)亮燈區(qū)域的人數(shù)小于Y0,如有多個(gè)區(qū)域人數(shù)小于Y0,則保持這些區(qū)域中人數(shù)最多的區(qū)域的燈打開,關(guān)閉其他。在一個(gè)區(qū)域內(nèi)連續(xù)檢測(cè)不到人體存在信號(hào)則關(guān)閉該區(qū)域的燈,當(dāng)教室無人則關(guān)閉所有的燈。若自然光照充足,則關(guān)閉該區(qū)域的燈。程序流程如圖5。

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圖5 自習(xí)模式流程圖

  4. 1. 1. 2. 2 板書模式

  板書模式和自習(xí)模式的不同在于講臺(tái)上是否亮燈。要板書講課, 老師必然出現(xiàn)在講臺(tái)上, 所以,板書模式的輸入信號(hào)就轉(zhuǎn)換成了通過安裝在講臺(tái)上方的從機(jī)板探測(cè)人體存在信號(hào)。當(dāng)講臺(tái)上t時(shí)間內(nèi)一直有人才認(rèn)為講臺(tái)有人。當(dāng)講臺(tái)上有人且無投影信號(hào)輸入則進(jìn)入此模式; 該模式下對(duì)座位區(qū)依然采用自習(xí)模式的控制規(guī)則。特別說明,講臺(tái)區(qū)域與別的區(qū)域是相互獨(dú)立的, 即不受別的區(qū)域內(nèi)人數(shù)多少與燈亮與否的影響, 又影響不到別的區(qū)域, 開關(guān)該區(qū)域的燈還加入了照度的判斷。

  4. 1. 1. 2. 3 多媒體模式

  多媒體模式則是通過安裝在投影機(jī)電源導(dǎo)線上的光電耦合器來判斷導(dǎo)線中是否有電流通過,若有則認(rèn)為投影機(jī)在工作狀態(tài),則自動(dòng)切換到投影模式。

  進(jìn)入該模式則關(guān)閉前面區(qū)域的燈具,對(duì)教室后面區(qū)域依然采用自習(xí)模式的控制規(guī)則。

  4. 2 液晶顯示界面

  液晶顯示界面流程如圖6。該流程的實(shí)現(xiàn)由可視界面和按鍵共同完成。系統(tǒng)在初始化之后,可通過由一個(gè)外部中斷擴(kuò)展的四個(gè)按鍵進(jìn)行界面轉(zhuǎn)換和參數(shù)設(shè)置。在不同界面,按鍵的作用不同,用戶可根據(jù)界面提示輕松完成一系列設(shè)置。

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圖6 液晶顯示界面

  4. 3 通信子程序

  為了避免發(fā)生多從機(jī)同時(shí)占用數(shù)據(jù)線的情況,RS485 通信采用主機(jī)廣播,從機(jī)*的模式。當(dāng)主機(jī)發(fā)送地址幀時(shí),只有與呼叫地址相符的從機(jī)做出回應(yīng),其他從機(jī)仍保持*狀態(tài)。地址相符的從機(jī)隨后根據(jù)主機(jī)發(fā)來的命令幀做出相應(yīng)的反應(yīng)。

  5 結(jié)論

  綜上,經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)證明,本設(shè)計(jì)性能穩(wěn)定可靠,達(dá)到了較好的節(jié)能效果。設(shè)備采用光頻轉(zhuǎn)換器TSL230 克服了以往設(shè)計(jì)中不能準(zhǔn)確測(cè)量照度的問題; 加入模糊人數(shù)閾值判斷標(biāo)準(zhǔn)解決了人員分布過于分散時(shí)打開過多燈的問題; 另外,多模式控制的自動(dòng)探測(cè)轉(zhuǎn)換使系統(tǒng)運(yùn)行更加智能便捷。在節(jié)能觀念深入人心的今天,人們很容易接受這樣低成本、高性能、操作簡(jiǎn)便的節(jié)能產(chǎn)品。

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