基于单片机的智能灯光控制系统

随着我国经济的高速发展，能源消耗的节奏也越来越快。电力资源已经成 为一种稀缺资源。如何节能降耗已然成为近几年来值得研究的热门话题。

在本文中，我们研究的教室灯光智能控制系统就是在针对我国城市巨大的 能源消耗而开发的新的节能控制系统。它是一个集电压控制、软启动功能、智 能自动起停于一体的教室灯的控制系统。晶闸管功率转换单元和智能控制系统 的结合是这个控制系统的主要特点。

这里讨论了教室灯光智能控制系统的设计方案与构思，介绍了仪器的系统 设计与工作原理，分析了以ATC5为主要控制单元的硬件电路的设计。

实验表明，教室灯光智能控制系统可以明显提高教室灯的功率效率，在节 约能源，电力资源合理利用今天的当今时代，该系统有一个非常广阔的社会和 商业前景。

关键词 : 节能控制，单片机，软起动

目录

1 绪论 ......................................................... -..1. - 1.1 课题概述 ................................................... 1- 1.1.1 课题的题目 ............................................. -...1 - 1.1.2 课题研究的背景 ......................................... -..1 - 1.1.3 课题研究的目的及意义 ................................... -..1 - 1.2 课题的国内外研究现状 ....................................... 1- - 1.2.1 国外研究现状 ........................................... -..1 - 1.2.2 国内研究现状 ........................................... -..2 - 1.3 论文的主要研究内容 ......................................... 2- 2 系统方案设计 ................................................. -...3 - 2.1 智能教室灯节能控制系统的构思 ............................... 3- - 2.1.1 传统节能方法 ........................................... -..3 - 2.1.2 具有智能控制的节能方法 ................................. -. 3 - 2.2 智能教室灯节能控制系统方案设计 ............................. -4 - 2.3 智能教室灯节能控制系统结构设计 ............................. -6 - 3 硬件设计 ..................................................... -..8. - 3.1 硬件结构设计 ............................................... 8- 3.2 光学信号的采集与检测设计 ................................... -. 8 - 3.2.1 光源检测原理 ........................................... -..9 - 3.2.2 检测装置所需器件及选型 ................................. -. 9 - 3.3 声学信号的采集与棒测设计 ................................... 1- 0 - 3.3.1 声学检测原理 .......................................... -..10 - 3.3.2 检测装置所需器件及选型 ................................ -. 10 - 3.4 功率变换单元与触发控制系统设计 ............................. -11 3.4.1 功率变换单元设计 ...................................... -..11 - 3.4.2 触发控制系统设计 ...................................... -..11 - 3.5 智能控制器硬件设计 ......................................... 1-3 - 3.5.1 模数转换电路 .......................................... -..13 - 3.5.2 开关量输入 / 输出电路 .................................. -..14 - 4 系统软件设计 ................................................ -...15 - 4.1 软件结构设计 ...............................................1-6 - 4.2 数据采集与处理程序设计 ..................................... 1- 7 -

4.2.1 标度变换技术 ...........................................-..17 - 4.2.2 有效性检查 .............................................-..17 - 4.2.3 数字滤波 ...............................................-..18 - 4.2.4 程序设计 ...............................................-..18 - 5 总结与展望 .................................................. -...19 - 5.1 论文总结 ...................................................2-2 - 5.2 心得体会 ...................................................2-2 -

附录 .......................................................... -..2. 3 -

1 绪论

1.1 课题概述 1.1.1 课题的题目

课题名称：教室灯光智能控制系统研究。

1.1.2 课题研究的背景

随着社会的发展，能源问题已成为全世界最关注的问题，能源危机已经成 为人类面临的重大危机，特别是近年来我国电力非常紧张，电力短缺阻碍我们 日常的生产生活，甚至严重影响我国经济发展和社会文明的进步。

在城市照明设计的亮化趋势下， 城市景观照明同样耗费着我们的电力资源。 发电企业投资和建设需要较长的一段时间，快速的经济发展需要更充足的电力 供应和消费，电力供需之间矛盾重重。电力供应在短期内很难得到缓解，发展 与节约相结合从而成为经济建设的必然选择。此时，节能照明行业也已经成为 我们的必然选择。

1.1.3 课题研究的目的及意义

室内灯光是中国的经济发展和国家建设的必要电力设备，它在我国的总体 用电量中占了巨大的比例，如果通过节能设备有效地控制它们，就可以降低功 率损耗，节约能源，降低生产成本，有利于中国经济的快速发展。

在本文中，我们研究的教室灯光智能控制系统是通过电源功率转换组件， 可以在灯光的起止和运行时，有效地调整教室灯的终端电压，控制灯光的照明 亮度，从而改变灯光在不同时间的能耗，改善功率因数，达到节电的目的。

1.2 课题的国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状

在过去的 20年里，美国和日本照明节能重点是紧凑型荧光灯 (CFL) 的使用和 日光灯镇流器两个方面，这两个国家在新技术取代旧产品的过程中有点不同： 美国在

2001年的销售的镇流器中电子的占 53%，但日本只有 36%。而他们在销售 CFL丁所

占的比例中，美国只占3%日本占15%这两个国家的省级和地方都在 立法、鼓励和推广活动这三个方面下文章，旨在促进节能产品的广泛使用。

国外的照明节能技术发展拥有以下特点：

(1) 大力推动绿色照明，根据材料，使用有效的管理规范，出台了一系列标 准和管

理要求，将照明节能普遍推广 ;

（2） 提高电力设备的性能需求，主要反映在镇流装置的技术的提升。通过 改进

镇流器技术提高照明设备的功率因数。

1.2.2 国内研究现状

在我国市场上有各种各样的照明节能控制产品， 可以达到一定的节能效果， 但在功能和效果方面不是很理想，主要有以下几种情况：

采用自祸变压器及磁饱和电抗器的降压技术。 它的不足是由于反应速度慢， 在用电高峰电压降低时，容易导致灯光闪烁，无法自动调节，在电压突然升高 的情况下，灯具将会无法避免地受到交流电的高压冲击，很难做到对灯具进行 有效的保护，其稳压功能相对而言是比较弱的。针对于磁饱和的电抗器来说， 除去上面的缺点，其效率同样也偏低。

采用了电子器件而构成的可控硅式设备，该设备使用了简单的控制手段， 其缺点在于元件容易发热燃烧，因为其使用的相控技术而产生了谐波，从而污 染了电网，使得日光灯和气体灯闪动，折损灯具寿命，削减照明效果，没有做 到绿色环保，国家有关规定已经禁止了此类无功补偿技术和相关设备的使用。 另外使用系统节电滤波的形式，主要是可以达到净化电网、对无功功率进行补 充、补偿电网的效果，但是其对有功电度表的计量系统而言，则显得缺乏实际 节能效果。

1.3 论文的主要研究内容

本文根据国内外最新研究成果， 比较了几种常见的教室照明节能控制方法。 讨论了基于可变电抗技术的结构和动力装置的系统结构。详细地描述了教室灯 光智能控制系统的硬件组成结构与电路系统的设计，并使用模糊控制算法设计 控制算法，最后对成果进行了仿真和调试，并分析了实验的整体结构。

本文主要研究的内容有：

（1）基于可变电抗技术的功率单兀系统的组成设计； （2）教室灯光智能控制系统的硬件部分设计； （3）教室灯光智能控制系统的仿真和试验研究。

2 系统方案设计

2.1 智能教室灯节能控制系统的构思 2.1.1 传统节能方法

长期以来，大多数的国内教育机构教室照明控制普遍采用传统的控制方法， 主要有

如下所示的若干种节能方法：

1，人工手动控制节能：依据上下课的时间安排，专门的工作员来进行手动 的开灯/

关灯操作。

2，时间管控节能：在这里时间是仅有的开灯或关灯的根据，无论其它外在 情况怎

么变动，都仅仅能够在所规定好了的时间进行开灯或关灯。

3，光学控制节能：根据光线照明的强度度的不同进而对教室的灯的开关进 行控

制。

这样的节能办法或多或少的有着各自的不足之处，我国绝大部分的教育机 构的教室灯的开 / 关灯是使用各个变压器或者配电箱分散的， 尽管教室 灯的运转是有其特殊的控制线路，但其仅有控制的功能而没有办法实施监测。 并且因为无法严格根据室内外的自然光强度来进行，造成了实时性较差， 故障频率较高，能源浪费情况严重的后果。此外，传统使用的控制方法需要工 作人员时时在岗，及时地对灯光的开关进行控制，而人工的控制不可避免的会 产生误差，这造成的能源浪费是非常惊人的。例如：若使用定时器的控制方法， 因为四季的时差问题，需要频繁地对定时器进行调节，由夏季至冬季，日出时 刻后退、日落时刻前移；由冬季至夏季，日出时刻前移、日落时刻推迟，据此 气候原因，要求教室根据日出日落的时间调整照明灯的开与关。所以不仅造成 了人力资源的大量消耗，也可能是由于调整的不及时导致浪费。

2.1.2 具有智能控制的节能方法

这种节能的方式是通过智能控制器控制动力装置，然后操纵变量电抗变换 器改变教室光输出电压，通过改变教室的灯光光照实现节能。这种方法利用了 人类的眼睛在晚上对光线不敏感的特点，改变了教室灯的端电压，在不同的时 间根据实际需求获得相应的照明度 , 实现教室灯的亮度智能化调节。

其基本思想为：将绕组的可变电抗变换器直接接教室灯负载，增加变换器 次级线圈，将次级线圈连接到电源转换器和智能控制器上。通过智能控制器与 电力电子功率变换单元来控制可变电抗器的二次绕组，从而实现改变可变电抗 变换器一次阻抗的目的，进而改变教室灯的输入电压，使教室灯不但可以实现 软起动又可以任意调节其照明度。

其工作过程是：首先通过采集光照信号，由智能控制器判断教室灯照明系 统是否需要运行，如需要运行则由动力单元完成教室照明灯的软启动(一栋教 学楼的照明系统通常由几十个甚至几百个教室照明灯组成)。教室灯打开之后， 根据地面安装的声控传感

器采集到的学生或教室所发出的步行声信号由智能控 制器来发出控制信息，通过电源转换单元确定教室灯光控制可变电抗变换器输 出电压的大小，如果检测到的声源信号较强，即需要教室灯的照明度较高，系 统就会自动提高教室灯的输出电压；如果检测到的声源信号较弱，即教室灯的 照明度不需要很高，系统就会根据需求自动调低教室灯的输出电压。

午夜时分，教室里基本不会有人在，这时教室灯的照度可以调低，能满足 最低限度的照明即可，而这一时段通常为 4-5 个小时，在此期间的合理控制教室 灯光照明度，减少电力损耗，不仅能够节约大量的能源，而且可以提高灯具的 利用率，延长它的使用寿命，从物资材料的损耗上节约其成本，以达到更高效 率的经济节约。

智能控制器作为整套系统的核心部分其控制方式选取的为模糊控制算法， 通过采集外部信号放大，转换输入到微处理器的控制器内，在这里我们需要收 集两种信号，即光和声音信号。光信号用于控制系统的起停，声音信号是用来 反映外部环境的要求，通过模糊控制的数据集合进行处理比较，选取最优化的 控制信号进行输出。

2.2 智能教室灯节能控制系统方案设计

本文设计的教室灯节能控制系统需要遵循的原则主要有以下三点：

(1) 电压控制： 任何功率电器在使用过程中都应处于其稳定的电压范围内， 作为与

我们日常生活密切相关的教室灯照明设备就更应该稳压工作，要保持教 室光线稳定，电压的节能和效率两个方面都有非常重要的影响。因此不管是在 耗电的峰值期还是低峰期都要控制总体照明系统电压稳定维持在许可的范围内 是教室灯光控制的重点问题之一。

(2) 软起动功能：由于教室灯并联之后是大功率的用电器，但是现在所用 的照明系

统启动方式皆为直接启动，会导致启动时电流太大，对照明灯具的使 用寿命会有相对的损伤，并且此起动时的电流还将引起电网的电压迅速下降， 电压频率也将发生不小的变化，这将破坏其他设备与电网的正常运行，所以我 们应该采用软启动的方法来点亮教室灯，从而可以防止照明电路启动时大电流 对各照明设备可能造成的各种不良影响。

(3)自动启停：教室灯作为广大师生日常学习生活中必备的公共设施，它 的启动与

关闭与当前教室内的师生需求有着重大的关系，无论是在夜幕将至的 黄昏时分还是在阴云密布的闷热午后，它都会根据外部环境所影响到室内的明 暗程度来自动判断照明系统是否需要启动或关闭。

除了上面所提到的三条基本原则之外，本文拟采用的教室灯节能控制方案 的特点也

是因为其关键之处在于添加了智能调压控制部分，基于模糊控制算法 的该智能控制器可根据教室内人声的喧哗程度来判断教室内当前人数的多少， 进而间接地自动调整教室照明系统的供电电量的高或低。通过控制教室灯光输 出电压的大小，降低其在室内人数较少(但也不是没有)之时的灯光照明度， 这种节能方式的提出，相比之下，与传统的教室灯节能手段相比具有质的飞跃。

其综合的性能见表2-1。

表AL几种教室灯节能方式比较

常用控制节能 方光凜节能方法

教室灯节能方 迭

启动方法 光源选择 控制方式 链量损耗 可靠性 使用寿命 启动电流 环境要求 光源萸换周期

成本

法 一般启动 常用光源 简单控制 较少 差 短 大 无污染

智能教室灯节 能控制方法

_般启动 节能光源 简单控制 较少 较差 较短

软启动 常用光源 智能控制 最少 最差 长 较小 无污染 较长

大

有定污染

较短 低

适中

連中

由上表可知，智能教室灯节能控制系统对比目前市场上常用的照明控制节