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1、专业课程设计报告题目 自习室节能控制系统院系 自动化工程学院专业 电子信息科学与技术班级 12电子科学02姓名 学号 2015年9月1、设计内容及要求12、系统总体设计42.1 自习室节能控制系统总体设计思想42.2自习室节能控制系统硬件设计72.2.1 CC2530单片机72.2.2 光敏电阻工作原理82.2.3 热释红外传感器93、 系统的具体实现103.1光照度检测子系统103.2人员检测子系统113.3数据处理部分123.4灯开关控制子系统144、设计总结151、设计内容及要求 随着社会经济和科学技术的发展，人类社会的进步越来越依赖于资源的开发与利用，然而与日俱增的能源需求和有限的资源
2、数量形成了巨大的矛盾,能源短缺问题日益突出，成为一个国家经济发展的“瓶颈”。在寻找替代品、提高能源利用率和节约能源等几种缓解能源危机的途径中，节能无疑是符合可持续发展要求。英国城市大型彻夜灯光照明现象很少见，无论公司和政府部门，都没有虚浮华丽的所谓“照明工程”。夜晚漫步在伦敦街头，看不到大面积光华淌泻与楼体通明的景观，所有照明都基本以不影响人们的正常生活节奏为准。许多店铺橱窗的灯光在打烊后会全部关闭，有些店铺还采用定时关灯装置。在政府住宅楼和公寓楼内，楼道里的公用灯也大多采用自动断电装置。作为提高能源使用效率最重要的途径之一，德国政府努力推动能源公司实施“供热供电结合”，鼓励能源公司将发电的余
3、热尽可能用于供暖。2002年，德国颁布了促进“供热供电结合”的法规，根据这一法规，政府向实施该措施的能源公司，尤其是小型能源公司提供补助，帮助他们置办相应设备。中国城市每年用于公共照明的能源支出高达280多亿，节能空间巨大。其中路灯照明能耗占30%以上。发展城市道路照明的同时，路灯以供街道照明以外，还大力兴建了不少景观照明工程，美化城市的夜景，但同时也带来了能耗的极大浪费。据统计2005年，我国全社会的总用电量约为24000亿kWh，照明用电量约为3000亿kWh，且每年以13%14%的速度递增，预计到2010年，照明用电量将超过5000亿kWh，新增照明用电2000亿kWh。对高等院校，据测
4、算，其照明耗电占本单位所有耗电的40%左右，可见在保证照明质量的前提下，对教室灯光进行自动控制，其节能效益和经济效益都是相当可观的。目前对灯光的智能控制，国内外已经开始采用，但针对教室灯光的控制智能系统还不是很完善，依然是人工管理占主导地位。现在伴随各类大、中专院校的扩招，教学楼不断扩建，教室用电负荷不断加大，教室用电系统管理不善，造成学校资源的浪费与经济损失，这种做法显然与当今节约能源的理念相违背。当今许多教室采用比较传统的照明系统：在主电源经过一个配电箱分出多个支路，这些支路再分别向灯具供电，然后再通过串接在照明中的单双极开关来通断供电线路，所以该控制系统只能通过开关来控制灯具，无法实现比
5、较人性化、多功能化的系统管理。如在国内外有些灯光控制系统采用声控形式但是其没有经过单片机等芯片的处理使用仍是将采集信号处理后传递给逻辑电路来进行灯光控制，假使外界条件恶劣如有噪声等仍会造成电能的浪费，而且逻辑电路只能实现较少功能，综合而言，整个系统虽然简单但是功能不全，而且无法人性化控制。现代自动化程度不断提高，计算机技术不断普及应用，教室灯光系统也应朝着更人性化智能化得方向发展。 本设计针对教室灯光的控制现状及用电大量浪费的现象，分析了教室灯光智能控制的原理和实现方法，提出了基于单片机控制的教室灯光智能控制的设计思路。该系统以CC2530单片机作为控制装置的智能部件，利用ZigBee机制工作
6、，采用热释红外传感器检测人体的存在，采用光敏三极管构成的电路检测环境光的强度；根据教室合理开灯的条件，系统通过对人体的存在信号和环境光信号的识别和智能判断，完成对教室照明回路的智能控制，避免了教室用电的大量浪费。该系统具有体积小，控制方便，可靠性高，专用性强，性价比合理等优点，可以满足各类大、中专院校教室灯光控制的要求，很大程度的达到节能目的。2、系统总体设计2.1 自习室节能控制系统总体设计思想 自习室节能控制系统针对自习室的灯进行控制，系统判断自习室内有没有人和光照强度进行自动控制。所以首先需要检测自习室内有没有人，和自习室内的光照情况，根据检测结果判断是开灯还是关灯，然后对等的开关进行控
7、制，仅在自习室内有人且光照强度较差的情况下开灯，即可完成自动控制和节能。由光照度检测部分、人员检测部分、数据处理部分和灯开关控制部分组成。 光照度检测部分周期性采集自习室内的光照强度，每次采集完毕后将采集结果发送给数据处理部分； 人员检测部分也周期性判断自习室内有没有人员，每次判断结束后将判断结果发送给数据处理部分。 数据处理部分接收到前面两个部分发送过来的数据后，处理的方法是先看最后一次人员检测部分的检测结果，如果自习室没人，则直接向灯开关控制部分发送关灯命令，如果自习室有人，再接着判断最后一次收到的光照度检测结果，光照度较好就向灯开关控制部分发送关灯命令，光照度较差就向等开光控制部分发送开
8、灯命令。灯开关部分接收到数据处理部分的控制命令后根据指示开灯或者关灯。整个系统如此便可以智能、自动地实现灯的节能控制，如图 2.1.1 所示。图2.1 自习室节能控制系统框架系统利用ZigBee 进行网络架构。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,主要适合于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备中,同时支持地理定位功能。相对于现有的各种无线通信技术,ZigBee技术将是最低功耗和成本的技术。ZigBee 网络的工作方式是：首先由协调器节点建立通信网络，建立成功后，其它通信节点加入该通信网络。加入通信网络成功之后，所有的节点都可以发送数据到协调器
9、节点，也可以接收到协调器节点发送过来的信息。即可以相互通信。 本设计中，Zigbee 系统由协调器节点、灯开关控制节点、光照度传感器节点、热释红外传感器节点组成星形网络拓扑结构，通过Zigbee 网络完成数据传输，协调器节点是整个Zigbee 系统的核心，主控芯片通过与协调器通信可以控制执行节点，并且可以读取其他传感器节点的当前状态。 如图2.1.2所示。ZigBee协调器光照传感器红外传感器灯开关控制图2.1.2 ZigBee网络拓扑结构2.2自习室节能控制系统硬件设计2.2.1 CC2530单片机 CC2530 是TI公司基于51内核研发的用于2.4-GHzIEEE 802.15.4、Zi
10、gBee 和RF4CE 应用的一个片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530 结合了RF 收发器的优良性能，系统内可编程闪存，具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。电路连接图如图2.2.1所示。图2.2.1 CC2530核心板电路连接图2.2.2 光敏电阻工作原理 本系统采用光敏电阻来采集光照度信息。它的工作原理是基于光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻。为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。构成光敏电阻的材料有金属的硫化物、硒化物、碲化物
11、等半导体。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。当光敏电阻受到光照时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子空穴对的出现使电阻率变小。光照愈强，光生电子空穴对就越多，阻值就愈低。当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流也逐渐减小。电路连接如图2.2.2所示.图2.2.2 光照传感器电路连接图2.2.3 热释红外传感器 普通人体会发射10um左右的特定波长红外线，用专门设计的传感器就可以针对性的检测这种红外线的存在与否，当人体红外线照射到传感器上后，因热释电效应将向外释放
12、电荷，后续电路经检测处理后就能产生控制信号。这种专门设计的探头只对波长为10m左右的红外辐射敏感，所以除人体以外的其他物体不会引发探头动作。探头内包含两个互相串联或并联的热释电元，而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，于是输出检测信号。电路连接图如图2.4所示。 图2.2.3 热释红外传感器电路连接图3、 系统的具体实现 3.1光照度检测子系统 光照度检测子系统作为自习室光照度信
13、息监测的信息采集发送部分，由光照度节点完成功能。光照度节点带有光照度传感器，以ADC的方式得到两个字节的光照度数据。然后对采集数据和设定的光照度临界值进行比较，判断出光照度是明亮还是偏暗。然后向数据处理节点发送两个字节的数据，第一个字节为“光照度节点标签”，表明数据时由光照度节点发送的，第二个字节是初步处理的结果，是“0”代表光照度明亮，是“1”代表光照度偏暗，如图 3.1.1所示。图3.1.1 光照度节点工作原理光照度节点工作流程如 图 3.1.2所示：图3.1.2 光照度节点工作流程图3.2人员检测子系统人员检测节点带有人体热释电模块，该模块工作时，当附近有人就从输出端输出高电平，没人则输
14、出低电平。通过判断人体热释电模块输出口的电平高低得到检测结果，当检测到有人时，读取的返回值为“1”，检测结果是没人时，读取的结果为“0”。根据读取的结果，向数据处理节点发送两个字节数据，第一个字节为“人员检测节点标签”，表明数据是由人员检测节点发送的，第二个字节和检测结果有关，是“0”表示检测结果是没人，是“1”表示检测结果是有人，如图 3.2.1所示。图3.2.1人员检测节点工作原理人员检测节点流程如 图 3.2.2所示：图3.2.2 人员检测节点流程图3.3数据处理部分 数据处理部分（也称数据处理节点）接收光照度节点和人员检测节点的数据，并通过综合判断光照度信息和人员检测信息得出应该开灯或
15、者关灯的控制命令，然后将控制命令发送到灯开挂控制节点。数据处理节点由ZigBee网路中的协调器完成，光照度节点、人员检测节点和灯开关控制节点都会向数据处理节点发送数据。数据处理节点接收到数据的第一个字节判断是哪个节点发送过来的数据，第二个节点是该节点的信息。光照度节点和人员检测节点的信息内容和意义已经在前面叙述过。如果收到的信息表明自习室内有人且光照度较差，就向灯开关控制节点发送一个字节的数据“1”，表示“开灯”，否则发送一个字节的数据“0”，表示关灯。如果第一个字节是灯开关控制节点标签，则第二个自己表示当前灯开关的控制状态。数据处理节点会将其地址保存下来，留作向灯开关控制节点发送数据时用，如
16、图3.3.1所示。图3.3.1 数据处理节点工作原理数据处理节点流程如图 3.3.2 所示：图3.3.2数据处理节点流程图3.4灯开关控制子系统 灯开关控制子系统上带有4 个可控亮灭的LED，并周期性的向数据处理节点发送两个字节数据，第一个字节是“灯开关控制节点标签”，表明数据是由灯开关控制节点发送的，第二个字节是当前的控制状态。整个系统中，只有数据处理节点会向灯开关控制节点发送一个字节的控制命令，所以灯开关控制节点收到数据后直接调用状态控制函数，以接收到的数据作为参数，调整控制状态，即调节灯的开关状态，接收到“1”就会开灯，接收到“0”就会关灯，如图 3.4.1 所示。图3.4.1 灯开关控
17、制节点工作原理灯开关控制节点流程如 图 3.4.2 所示：图3.4.2 灯开关控制节点流程图4、设计总结 本课题对适合应用于教室灯光控制系统的控制部分进行了研究。以环境光、人体存在状况等外界环境为控制器的输入参数，比单纯的人员管理教室灯光更合理，更有效的降低教室灯光的资源费用;同时还加入了时间控制参数，使教室灯光的控制更加符合学校的作息时间。本控制系统的设计对于各类大、中专院校的教室灯光管理具有重要的意义，也适用于各类办公室的灯光控制 该自习室节能控制系统核心是CC2530片上系统，利用ZigBee网络进行通信，完成对整体系统的控制，采用一个二极管闪烁显示整个系统的工作状态，实现了对教室灯光的自动开灯、关灯控制。系统控制单元的硬件电路中多采用简易芯片，简化了电路设计，为系统进一步扩展留下了空间。系统功能的实现通过采用多任务模块编写，省去了一些不必要的延时程序，提高了系统的运行效率。系统的硬件及软件设计，经实验初步证实了系统具有很好的稳定性，提高了电能资源的利用率。
