基于单片机的教室照明控制系统设计文献综述

文献综述
基于单片机的教室照明控制系统设计
一、前言
1.1课题研究背景
随着教育的普及，学校的规模在不断地扩大，教室的数量也大幅度增加。

但由于学校开放型的管理模式，以及全员的节能意识的淡薄，造成电能的极度浪费。

一般存在以下几种浪费现象：①由于大多数人的节能意识淡薄 ,并且强光下人的眼睛对弱光不敏感，在自然光照大于灯具光照的情况下，难以觉察到灯光的存在，因此，在白天自然光很强的情况下，教室内的长明灯仍到处可见；②即使室内无人或人数很少的情况下，整个教室的灯也是全部开启；③晚上许多教室，即使只有几个学生在自习，也是开启整间教室的灯；长明灯比比皆是，人走不熄灯的现象到处存在。

一个教室的长明灯 ,看起来耗能不大 ,但从整个学校来看，却是一个不小的数字，再从全国来看，这是电力资源的一种极大的浪费。

同时，这种有形和无形的浪费，给校方的水电支出带来了沉重的负担。

随着现代照明系统在各领域中所占的比例的日益增大，实现照明系统的节能迫在眉睫，而解决高校教室照明的节电问题至关重要。

1.2 课题研究的意义
首先，一个好的教室照明控制系统可以为我们提供一个良好的节能效果，并且可以延长灯具寿命。

它可以根据不同场合以及不同的人流量，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，系统还可以充分利用自然光，自动调节室内照度。

系统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。

其次，一个好的教室照明控制系统可以改善工作环境，提高工作效率。

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，自动调节照明亮度。

另外，一个好的教室照明控制系统可以提高管理水平。

这种照明控制系统以自动控制为主、人工控制为辅，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。

最后，一个好的教室照明控制系统可以具有较好的投资收益效果。

智能照明控制系统在节能和节省灯具使用的同时，有效节省了电费与管理费用的支出。

二、主题
2.1单片机应用系统现状及发展前景
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。

概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。

它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。

同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择[1]。

单片机诞生于20世纪70年问世以来，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段[2]。

当前，由于电子技术及计算机技术的迅猛发展，新型电子产品层出不穷，单片机以其极高的的性能价格比受到人们的重视和关注，应用很广，发展很快。

单片机体积小，重量轻，抗干扰能力强，环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性高，开发较为容易[3]。

单片机的出现至今已经有30多年的历史了。

微型计算机的迅速发展，促进微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用,单片机（单片微型计算机）的应用已经渗透到广泛渗透到社会经济、军事、交通、通信等相关行业，而且也深入到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，并掀起了一场数字化技术革命。

它已成为工业控制领域、智能仪器仪表、尖端武器、日常生活中最广泛使用的计算机[4]。

单片机又称嵌入式微控制器，进入20世纪90 年代，嵌入式技术全面展开,目前已成为通信和消费类产品的共同发展方向。

在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术[5]。

现在，单片机发展迅速，按操作处理的基本数据位数来看已经有4位、8位、16位、32位、甚至64位( 比如东芝TX99)。

单片机设计生产周期缩短、成本下降、应用领域拓宽，开始向专用型单片机发展[6]。

综观近三十年的发展过程，单片机正朝多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、扩大存储容量和加强I/O功能及结构兼容方向发展[7]。

2.2照明控制系统现状及发展前景
2.2.1照明控制方式
照明对人类的重要性不言而喻，但目前摆在人类面前更大的困惑是日益枯竭的能源，以及发电生产过程中对环境造成的污染，选择一个合适的照明控制方式是非常重要的正确的照明控制方式是实现照明艺术性和舒适性的有效手段，是节约能源的有效措施[8]。

在满足照度要求的前提下,为了节约能源，目前常用的节能措施包括光控开关控制、定时开关灯控制、光控加定时开关控制、稳压控制、降压调光控制、和声控加延时控制6种[9]。

2.2.2照明灯具的控制技术
照明灯具的控制可分为开关控制和调光控制，实际上开和关控制是调光控制
中的两个极端，从这个意义上讲开关控制也属于调光控制范围。

调光控制可调节灯具的亮度，调光的软启动和限压技术可保护昂贵的灯具不受电冲击损害，延长灯具的工作寿命，降低运行成本和维护费用，同时调光还可节省大量电能[10]。

随着各种新型灯具的不断涌现，微电子技术、电力电子技术以及计算机技术的蓬勃发展，调光设备已从小功率单灯家用调光器发展到如今用微处理器控制的可对各类电光源进行稳定调光的大功率多通道调光控制器[10]。

目前，常用的调光方法有调压调光法、调频调光法、调占空比调光法和脉冲调相调光法4种[11]。

2.2.3照明系统的控制技术
(1)传统照明控制系统
传统照明控制系统分一般照明、局部照明、混合照明等，按照一定的照度标准与其他指标进行设计。

在照明的控制方式上多以手动为主，仅能实现简单的开关控制与调光控制。

如利用设置在灯具配电回路中的手动开关元件控制配电回路的通断，实现开关控制；利用设置在灯具配电回路中的手动调节元件调节配电回路的电气参数(电压、电流、频率等)，实现调光控制。

它功能简单，有效直观，造价低廉，但布线复杂，控制相对分散，无法有效管理，过多依赖控制者的个人能力[10]。

(2)自动照明控制系统
随着电气技术的发展，照明控制达到了第二阶段——自动控制阶段，它利用数字控制技术来遥控灯具的开关。

通常是控制中心发出信号，通过直接数字控制器来控制配电回路中交流接触器的分合，从而控制配电回路的通断，实现灯具开关控制。

采用这种方式，解决了传统方式控制相对分散和无法有效管理等问题，易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制时间的选择上可以统一调度安排，自动化程度相对提高。

但由于DDC系统本身固有的技术特点，使得自动照明控制系统也表现出无法实现调光控制、对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性等不足[10]。

(3)智能照明控制系统
智能照明控制系统是利用计算机技术、网络通讯技术、自动控制技术、微电子技术等现代化的科学技术，实现可根据环境变化、客观要求、用户预定等条件而自动采集系统中的各种信息，并可对所采集的信息进行相应的逻辑分析、判断，同时对结果按特定的形式存储、显示、传输，以及反馈控制等处理，以达到最佳的控制效果[12]。

目前的智能照明控制系统多数采用现场总线技术，具有数字化分布式控制的特点和开放性。

随着科技的进步，各种节能高效的照明设备将陆续被发明使用；对照明设备的控制功能也将越来越灵活，而设备与控制器的通讯方式将逐步统一；图像处理等新技术将不断应用到照明控制中，使得控制效果更准确更智能；现代控制理
论研究将深入到照明控制策略，达到真正意义上的智能；充分利用先进通信技术开发出适用于不同层次需求的照明控制系统，提高系统兼容性，逐渐形成照明控制行业标准[10]。

2.3 多种室内照明方案的分析比较
(1)根据室内人员进行控制。

在室内出入口处安装人数流量计，对室内的人数进行统计，当有人时开灯，没人时关灯[13]。

人体检测单元由热释电红外传感器(PIR)、红外传感信号处理器BISS0001E61及菲涅尔透镜组成，用于检测其检测范围内有无人存在[14]。

理论上，它可以实现没人时自动熄灯的功能，但统计人数十分困难。

当一时间很多人集体出入时，就很难准确统计人数。

由于没有自然光检测装置，还会出现大白天，只要教室有人，照明灯就会打开的情况。

另外，由于无法检测室内人的具体位置，室内的灯不能局部打开，只能全开，因此照成极大地浪费。

(2)根据室内光线进行控制。

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[15]。

自然光检测单元主要采用了ON9668，为开关型可见光照度传感器[16]。

这种方案会造成室内无人只要光线不足就会开灯的情况。

另外，它还可能在光线充足与否的临界点产生频繁切换，缩短照明灯的寿命。

(3)基于时间控制。

这种方案是通过设定时间段来开启和关闭照明灯。

只在规定时间内开灯，不考虑是否有人以及光线是否充足。

方法虽然简单，但缺乏灵活性。

(4)以上几种方案的综合。

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[17]。

但它仍存在不能对室内人员准确定位的缺点，室内的灯光仍然只能全部开启，还是会造成浪费现象。

(5)智能照明节电控制。

这种方案可以根据用户不同时间的不同照明需求调节电压供应控制照明亮度从而避免长期的不必要的高亮度高功率电能消耗以达到节能的目的。

它可以实现以下几种功能：①可以定时开灯和关灯，外部停电对时钟无影响；②软起动功能：照明灯起动时，电压自动由低压状态缓慢上升至正常电压，十分有效的防止了照明灯冷状态下瞬间起动电流的冲击对照明灯设备造成的损害；③自动稳压功能：当系统软起动完毕后，通过检测电网电压，自动调整照明灯控制柜出口电压，保证路灯端电压稳定在正常电压220V。

避免超压耗能和减少照明灯具的损坏，实现初步节能；④缓慢阶梯式调功功能：这是本节电器的核心功能，能根据工作日和休息日的不同时刻调节照明灯具的工作电压，达到分时照明。

白天，外部光线好时进行缓慢阶梯式调功，实现半照明。

采用微电脑时控进行设定进入实质性
节电阶段；⑤过载、短路、自动散热等保护功能；⑥无触点开关照明灯；⑦其他
功能[18]。

.
三、总结
现代照明电子技术是一个新兴行业，在国际上仍处于发展和完善阶段。

传统的照明控制技术在照明的控制方式上多以手动为主，仅能实现简单的开关控制与
调光控制。

控制相对分散，并且无法有效管理。

目前，虽然有许多方案被提出，
如按时间控制、按光线调光控制或按室内人数控制等，但教室内电能的浪费现象
仍然存在。

追求节能、环境友好和生活舒适是时代对照明技术的新要求。

随着科
技的发展和人们物质精神生活水平的提高，照明不仅仅是满足人们视觉上明亮的
要求，还要满足艺术性要求，要创造出丰富多彩的意境，给人们以视觉享受自
1973年世界上发生第一次能源危机以来，国际上对照明节能的逐渐重视起来，并提出了绿色照明理念[10]。

绿色照明是指所用照明产品高效率、长寿命、节能、
低噪音、低谐波、低电磁干扰。

合理而又正确的选用调光控制技术，是实现绿色
照明的重要环节。

目前，照明已经从一种功能性的安排转变为实现功能、创造艺
术、改善环境、引导行为的复杂系统。

随着科技的进步，各种节能高效的照明设备将陆续被发明使用；对照明设备
的控制功能也将越来越灵活，而设备与控制器的通讯方式将逐步统一。

随着电子
技术的飞速发展，基于单片机的控制系统已广泛应用于工业、农业、电力、电子、
智能楼宇等行业，微型计算机作为嵌入式控制系统的主体与核心，代替了传统的
控制系统的常规电子线路。

同时楼宇智能化的发展与成熟，也为基于单片机的照
明控制系统的普及与应用奠定了坚实的基础。

基于单片机控制的照明控制系统，
不仅具有节电、延长灯泡寿命的功能，而且具有较高的性能价格比和柔性，即可
以根据实际情况进行变更和扩展，提高了系统灵活性和适应性，有利于应用和推
广。

四、参考文献
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