电气工程及其自动化-高效节能的照明系统设计与控制

高效节能的照明系统设计与控制

一、引言

随着经济的发展和科技的大幅度进步，人民的生活质量不断提高，对生活无线照明系统的需求不断加大。LED灯、冷阴荧光灯和高光氙灯等新型高科技智能照明技术发展迅速，渐渐成熟。所以就对节能、环保和人工照明智能提出了新的要求。

另外，传统的照明系统采用的是手动控制模式，使用固定的光开关和可调开关来切换照明灯并控制其照明。这种控制法看起来简单有效，并且是目前最常见的控制法。但是，这种做法过于依赖于人们的行为，控制权的分散和管理效率的低下。显然，这会导致能量损失。目前，市场上无线照明系统的设备落后。他们主要以电缆的形式实现对整体照明系统数据的控制，不仅有反应时间长的致命缺点，而且后期相关硬件设备维护起来难度大；旧照明系统的更新要在原有线路的基础上恢复，施工的难度更大；集中布线也增加了居民生活的风险，影响了楼宇的外观，极不利于新型无线照明系统的发展传播。

二、系统总体设计

（一） 系统设计方案

办公室无线照明控制系统根据办公室的光照强度和员工所处的位置来控制办公室的照明设备。这里选用单片机作为核心设备，对自然光信号和员工所处位置信号做出相应的检测和处理，进而控制办公室照明设备的开关。具体工作流程分为两种情况：第一，在办公室正常工作时间，不需要检测员工位置，只需要检测办公室的自然光强度。如果办公室的自然光能满足工作要求，无需打开办公室的照明设备；当办公室的自然光不满足工作要求时，打开办公室的所有照明设备。第二，在办公室非工作时间，应对办公室的自然光和员工位置进行测试。如果办公室的自然光强度不符合工作要求，且相应位置有人员办公，则打开相应位置的照明设备；如果办公室的自然光不满足工作要求，但该位置没有人员办公，则关闭相应位置的灯；如果办公室的光照强度满足工作要求，且办公室内没有人体，则关闭办公室内的所有照明设备。在检测职员办公位置时，有必要在一定延迟后重新判断人体位置，以避免因员工暂时经过而导致误操作。考虑到以人为本的管理模式，在办公楼规定的熄灯时间到后会发出警告，并在足够长的延迟时间后关闭办公室内的所有照明设备。为了增强系统可靠性，完成所需的功能，设计了相应的单片机外围电路。

无线照明系统包括：办公室内部环境数据采集、单片机分析与处理、自然光探测、红外内外检测电路、办公室控制模块和液晶显示器。基于ATS8951单片机为核心，根据外部自然光检测办公室光强。LCD用于显示数据，红外控制电路用于确定室内是否需要开关照明设备，LCD用于观察室内自然光和切换照明设备。系统框图如图2-1所示：

图2-1 系统框图

（二） 传感器实现功能

1.传感器探测模块

光学控制传感器由以下几部分构成：相应的菲涅耳光学控制系统、低精度光学噪声放大器和光学热放电传感器。元件自身无法产生任何类型的电磁辐射。这些设备本身价格便宜，用电损耗小，体积小易于隐藏。光敏传感器系统的组成部分则由光敏探测器和光电晶体管构成。

2.微控制与通信模块

控制器可以集中管理和检测办公室内部情况，并显示室内用电能耗。同时提高了各单元的可移植性，极大提高了系统的可靠性。

终端连接是无线自动控制系统持续运行和顺利运行的技术依靠，数字楼宇自动控制系统覆盖整个办公室。所有经自动检测仪获取的各项数据以及使用和实时执行的常规数据都将连接到终端并发送给平板电脑或移动平台，提供远程控制和响应情况的视频显示。

该控制系统的主要特点是充分利用了数据串行和串行远程数据传输的综合计算能力，利用RS232对终端进行串行数据传输，从而可以直接控制整个办公室的图像显示和相应信息集中化管理。通过RS232控制线路接口，计算机可以自动手动获取所控每个模块的所有基本控制数据，自动获取办公室每个控制模块中包含的相应信息、数据。

3.软件实现模块

本模块的主要功能是自动获取经自动统计的员工人数的数据。同时可以实时采集亮度等数据，并经基于单片机的驱动实现直接自动控制。另外，我们亦可以查看显示屏上的当前人数，完成办公室照明设备实时启动和模式切换。如灯具的实际照明范围少于系统所设定的标准照明范围，灯具会根据实际员工人数自动开启，然后透过RS232串口传送至无线终端电脑。

（三） 系统实现功能

基于单片机的无线照明系统设计的主要目的是实现写字楼照明设备的规范化，从而大大提高电气设备的合理使用化程度。房间里的灯可以在所设置的固定时间开闭。当办公室人员多时，他们会被系统远程检测并发送到终端机进行相应的记录。也可以远程控制办公室的照明设备开启程度和设备照明时间，使管理人员可以便捷地控制整个办公楼的办公用电。

1.办公室检测控制模块的数据采集

子系统中的检测和控制组件由两种模式组成：自动采集、命令采集。自动实时数据采集是指办公场所检测和控制单位根据所设置的内部时钟进行数据采集。控制器通过RS232通信信道向上发送根据需要收集的信息，上位计算机经过RS232通信信道向办公室检测单元发送命令[7]。

2.办公室远程端控制功能

远程控制时通常会利用远程软件，这个软件通常由两部分组成。一部分安装在本地计算机上，则上位机成为照明系统的控制端，另一部分设置在现场控制器上，使系统中的现场控制器成为工作端，即为系统受控端。通过网络建立终端计算机与相应控制器的数据交换通道，使控制端能够向工作端发送命令，并控制终端完成规定的指令，此时，现场控制器负责在远程计算机上传输命令并显示程序运行情况，执行命令所需的系统资源由上级计算机负责[8]。执行命令时，实施了原有的办公室电气设备使用管理系统，并且可根据执行办公室的数据采集命令，使办公室使用的设备能够及时打开或关闭，实现节能减排目标。

3.数据与办公室状态的显示

这里显示每个采样点的数据，包括整个无线办公室控制系统：自然光强度、职工数和照明设备状态。由于办公室管理系统是用自动/手动按钮设计的，因此在特殊情况下，管理者不必前往其他地方。他们可以通过直接从上级机器接口点击这个按钮来调整，并且可以实时掌握每个办公室单位的实际情况。这里LCD1602用于执行显示任务。

（四） LED发光原理

普通荧光灯的缺点非常明显，如使用寿命短、所发光的质量差、灯光强度随使用时间的延长而逐渐减弱、产生一定的环境污染、照明效率底下等等。LED灯作为一种新型照明设备，近年来科研效果显著增加。早期科学家研发的LED灯由于成本高、价格高，无法得到广大用户的认可。但随着科研水平提高，LED灯成本被大大降低，随着全球节能需求的大趋势，LED灯凭借使用寿命长、所发光品质高、绿色节能等特点得到了广泛应用。无线照明控制系统计划用LED灯取代所有旧的荧光灯。尽管进行了一些初始投资，可LED灯具有良好的节能性能，可以在短时间内节省初始投资。目前市场上LED灯的光功率为16W，可降低60%的能耗。此外，现阶段所研发的LED设备具有内置直流驱动，不需要其他设备，接入原有220V交流电源可以实现稳定的要求[9]。

LED是一种固体发光半导体元件，能够实现电能转化为光能。基于半导体材料的电致发光。LED的基本结构由P型半导体材料和N型半导体材料组成的P-N结点组成，发光的过程如图2-2所示：

图2-2 LED发光过程

如图所示，在设备正常工作时，LED会在元件上设置正偏压。LED发光过程可分为载体注入和组合辐射发光两部分。

载流子注入主要依赖于正偏压。LED零件组成也是一种P-N结点结构，在不受外界影响的情况下，在载流子扩散时在材料P和N形材料的相应接触面附近形成空间电荷区，并能产生能够弯曲的内部电场，装置两端电压直接降下时，与所形成的空间电荷区电场方向相反，内部电场强度降低，势垒宽度减小，势垒高度下降，此时，空穴从P区注入N区，电子则相反，从N区注入P区，载体注入完成，在半导体的辐射重组过程中，有多种重组机制[10]。其中辐射重组可引起光的外显现象，注入的载体和另一侧区域的大部分载体混合，重组产生的能量则以光能的形式放出。仪器选用半导体材料，其能带间隙越大，光子能量越高，光子能量则反映了相应产生的色彩。

（五） 系统总体构成

1.控制单元的核心器件

单片机是信息时代的高新技术产物，目前常用系列的设备已经有100多种，仪器型号也有很多。不同类型的单片机可以提供了不同的应用程序。未来单片机将朝着CMOS进一步集成的方向发展，使单片机在非常小的尺寸下具有更大的储存量。与其他类型的元件相比，MOS器件的功耗更小，并且控制能耗效率更高。单片机将外部电路集成到内部的电路中同样具有很强的发展前途。

单片机在电路板上集成了各种模块，因此具有很强的控制功能，许多数据接口可以很好地拓展到外部设备中，适用于各种领域的研发。结合单片机单体小、封闭可靠等特点，在家电、汽车制造、航天制造、特种装备等方面有着广泛的应用。在各种型号的设备里面，MCS-51系列的单片机，凭借其强大的机器性能和合理的性价比，很快占据了相应设备应用的核心市场。

总体来说，单片机作为主控芯片相当于中央控制区的作用，依据中央控制区的指令，各模块分工明确，实现各部分的作用。一方面，单片机需要解码和分析各部分的数据信号，另外一方面，输出相应数据信号作为后续照明电路的控制指令。所以选择一种可靠稳定，功能较强并且经济安全的单片机实现整个系统的中控作用非常重要，本设计中采用AT89S51作为照明设备的控制核心。

AT89S51是一款功能损耗小且使用效率高的CMOS 8位单片机，主要特性见表2-1所示:

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