毕业设计智能楼宇自动化系统的设计.doc

智能楼宇自动化系统的设计作者摘要：为了实现楼宇智能化，方便管理，节省设备，节约能源，本文重点研究了智能楼宇的照明系统。设计了基于单片机的智能照明系统。该系统充分利用太阳光照和声响探测及热释红外探测来调节室内光线的强弱。该系统分为主机和从机，主机与从机通过RS-485总线连接。由从机采集各种信息，做出判断再反馈到主机，主机以指令的形式控制从机，适时自动、准确、及时开启和关闭照明电源。具有组成成本低，可靠性高，施工难度低，灵活性高以及电磁污染低，便于管理和维护等优越性。符合智能楼宇的要求，有着广阔的前景。 目 录绪论第1章 系统设计1.1 系统的总体结构 1.1.1 从机单元结构1.1.2 主机单元结构第2章 系统的工作过程2.1 主机单元工作过程2.2 从机单元工作过程第3章 硬件电路设计3.1 从机硬件电路设计3.1.1 光敏模块3.1.2 声控模块3.1.3 热释红外模块3.1.4 可控硅模块3.1.5 数码管显示模块3.1.6 A/D转换电路3.2 主机的硬件设计3.2.1 液晶显示接口3.2.2 主机键盘模块电路第4章 系统的软件设计4.1 从机单元的软件设计4.2 主机单元的软件设计第5章 总结参考文献绪 论智能楼宇（Intelligent Building System，简称IBS）是传统建筑技术和先进信息技术（计算机技术、自动化技术、通信与网络技术）交叉技术相结合的产物。世界上第一幢智能楼宇建筑于1984年在美国建成，随后在欧、美、日及世界各地蓬勃发展，我国于1990年开始引进智能建筑，随即就获得了迅猛的发展。现在能满足建筑内人员的舒适性、功能性、安全要求，降低设备的运行费用。 现在的建筑中，智能建筑越来越占有举足轻重的地位。智能建筑之所以称为“智能建筑”，其中一个主要原因就是楼宇自控系统的存在。智能楼宇自动化系统是多学科，高新技术的巧妙集成。本文通过对楼宇中照明系统的自动化控制来体现楼宇智能化，达到节能的目的。 传统的照明是动力线按需分配，用机械开关通、断电源，这样系统固定后无法再改动，若要实现复杂的控制要求就更难。而随着大量智能楼宇的推出，管理人员和住户对照明系统提出了许多个性化的要求，这就需要有新的照明控制技术的引进。而且采用普通开关，不可避免的出现忘关灯的时候，特别是白天，从而造成大量能源浪费，灯具的长期使用也会缩短其使用寿命。鉴于上述不足，本课题研究设计一套基于单片机的照明控制系统以实现楼宇中照明的总体控制，不需人工职守。单片机使用简单，价格低廉，不易出错，所以本系统采用单片机来实现控制，系统能根据室内光线情况，使用情况和设定要求自动分析各种状态，给出照明控制信号，对楼宇的照明进行自动控制，并能根据需要将每个房间的光线，照明使用情况反馈到中央控制单元，经过中央控制单元再反馈到楼管控制中心。从而达到节约能源，节省设备，方便管理的目的，实现智能楼宇自动化的设计。第1章 系统设计1.1 系统的总体结构系统分为主机和从机，从机单元通过集线器与主机单元相连。主机单元在楼管中心，负责照明的总体管理可与各从机通过RS-485进行差分通信，收集各个分机单元的数据，显示在显示设备上。主机单元还为从机单元提供当前的时间信息。主机单元可以控制与它相连的各从机单元，以指令的形式实现楼宇照明的总体控制。从机单元分布在单个房间内负责采集光线，声音数据，接受主机指令，并执行控制指令。RS-485总线特点：结构简单，价格低廉，通信距离和数据传输速率适当。1.1.1 从机单元结构 从机单元安装在每个房间内，每一个从机单元都有一个编号，与被安装的房间号相对应，负责采集相应房间的数据并分析，根据采集的数据和中央控制单元的要求，对相应房间的灯光进行控制，同时在总控制单元要求的情况下可把该房间的情况反馈到总控制单元。 分机的主要组成部分：控制器、光线采集电路、A/D转换器、声控电路、热释红外模块、通信接口、显示模块。其结构框图见图1光控声控热释电红外中央处理器状态显示总控制单元接口可控硅显示照明 1.1.2 主机单元的结构主机单元安装在楼管中心，通过主机管理人员可以查看楼内任何一个房间的光线情况，照明情况，并可以实时控制照明设备的开关，或者设定照明的时间段，主机单元组成有中央处理器、液晶显示模块、十六键键盘、实时时钟模块。其结构见图2 液晶显示键盘中央处理器通信接口时间模块第2章 系统的工作过程2.1 主机单元工作过程 系统上电初始化各设备：包括液晶显示屏、键盘模块、读取系统的时钟，初始化完毕给出提示。 与分机之间始终同步：主机每分钟群发一次时钟同步指令，该指令对所有的分机有效，数据包中包含当前的时钟信息。 查看指定室内的状况：用户输入房间编号，确认后主机自动发送含有从机编号的指令，然后等待相应的从机将相应的数据包返回，主机分析数据并将内容显示给用户。 控制开关：管理员可以关闭单个房间或者是全局的照明，执行是主机发送相应的指令，分机单元响应指令并执行相关动作。 设置时间段：可通过主机单元设置所有室内的照明时间段，只有在指定的时间段才可以照明。2.2 分机单元工作过程 实时检测室内的光线变化，有变化时立即分析，显示变化并执行相应的照明开关动作。 如果主机有指令发送过来，分自动分析指令是否对本机有效，如果有效则给出相应的响应，如果无效则丢弃。 当用户要查看当前本房间相关状况时，可以按翻页键进行查看。 当有应急需要时，用户按强制开关，系统将给出20秒的照明时间。第3章 硬件电路设计3.1 从机硬件电路设计3.1.1 光敏模块设计光照度的含义：光照度指落在表面单位面积上的光照总量或光通量。它由符号E表示。计量单位是勒克斯（LX）。1LX等于1流明/平方米（lm/m2）本模块的功能是探测光照度的变化，在必要的时候产生开灯信号，这部分电路有光敏二极管，电压比较器等组成，如图3本电路中电阻R2的分压是基准电压，D1、D2为光敏管，D2感光，D1起温度补偿作用，R5是反馈电阻，使LM393构成迟滞电压比较器，防止光强在临界值状态的微小变化而引起错误动作。基本工作原理是，当光强达到一定程度时，D2导通，LM393反相端电压高于同相端电压，此时393输出低电平，为关灯信号，反之，输出高电平为开灯信号。光敏模块电路图3.1.2 声响探测模块设计声响探测采用驻极体话筒作为探测器，驻极体话筒一端接在电源正极，另一端接在三极管的基极与普通电阻作分压式连接，当有声波作用于话筒时，使驻极体话筒的内阻急剧下降，改变三极管的基极偏压，促使三极管的工作状态翻转，通过电平转换电路，使三极管由高电平转向低电平，在由74HC04高速门电路整形成标准TTL电平。为控制器提供检测状态，达到有无声响的目的。声响探测电路图见图43.1.3 热释红外探测传感模块设计热释红外探测原理是人体表面温度与环境温度存在差别，在人体移动时，这种差别产生的变化可以通过红外敏感元件来检测到，从而触发报警。此外，为了防止误报，被动红外探测器通过菲涅尔透镜将探测覆盖范围分成一定数量的探测区，当温度变化在两个区之间产生时，探测电路就触发一个信号脉冲，探测器根据信号脉冲触发报警。热释红外探测传感模块的组成：该模块由三部分组成，即热释传感器，匹配低噪放大器，菲涅尔光学系统。热释电红外传感器RE200B包括滤光晶片，其截止波长为7.010.0um,与人体辐射红外中心线波长9.010.0um相适应，起带通滤波器的作用，从而把人体和其他物体区分开；热释电陶瓷器材，将透过滤光晶片的红外辐射能量的变化转换成电信号，即热电转换；场效应管匹配器，起阻抗变换作用，使得输入阻抗高而输出阻抗低。匹配低噪放大器的作用是当探测器所处的环境温度上升，尤其是接近人体正常体温时，传感器的灵敏度下降，因而由它对放大器的增益进行补偿，以便自动适应不同季节和不同地区。菲涅尔光学系统不仅要监测空间辐射来的红外光线聚焦到红外能量传感器，还要能敏锐地体现这些红外线能量的变化。菲涅尔光学系统通过对光滑的光学镜面作菱状或柱状处理，将检测空间割裂为一系列交替的狭小红外“感应区”和“空白区”，人在其间移动，就会使有些“感应区”内的红外线时有时无，传感器接受到的是相应变化来的光脉冲，因而提高接受灵敏度，使探测距离提高到1020m电路分析：图中PIR为热释电红外传感器RE200B，前面是一级低频放大器，放大倍数大约是100倍，放大后信号通过R6，C5再次选出0.210.0HZ的信号，最后送到IC1B进行再次放大，运放的5脚是1/2VCC电压脚，在静态时，6，7脚的电压也是1/2VCC，当有信号后，6脚就会有一个在1/2VCC电压附近上下摆动的电压值，这个电压通过运放进一步放大后，输入到后面的门限比较电路。该门限电路不管输入信号是在1/2VCC电压上偏还是下偏，都将在超过门限后在二极管4148的负极输出一个高电平信号。这里PR1，PR2用于调节检测的灵敏度。热释红外探测模块电路图见图53.1.4 可控硅控制电路模块设计 该模块是前述各模块采集的信号经处理器处理，整合后得到的信号的执行器。在该电路光电耦合器MOC3041起隔离作用，使弱电与强电系统的地隔离，防止对弱电系统的电磁干扰，以及保护人身安全。可控硅BCR20AM为无触点开关，当三极管9014导通时，光耦工作，灯亮。其工作原理为当光耦工作时，通过电阻R13上的电压差为可控硅提供触发电压和电流，使可控硅导通。该模块电路图见图63.1.5 数码管显示模块 本系统的显示部分采用万年历，它提供年、月、日、时、分和星期的显示，不仅给人们提供时间，而且也为时间控制提供时间基准。万年历采用数码管显示，由于数码管功耗较大且数量较多，在充分考虑处理器资源的情况下，决定采用动态扫描显示。3.1.6 A/D转换电路 本系统要分析光线强度的等级，故必须将采集到的光强度信号转换成数字信号，然后送入控制器处理，分析得出光线等级。3.2 主机的硬件设计3.2.1 液晶显示接口 为实现友好的操作界面，本系统主机采用带字库的12864液晶屏作显示设备，可加电位器调节显示的对比度，开关用于背景控制。3.2.2 主机键盘模块电路 键盘电路用ZLG7290键盘显示专用控制芯片来实现。ZLG7290是广州周立公司生产的一款专用的键盘显示控制芯片，自动扫描键盘，以I2C总线的方式与控制器相连。第4章 系统的软件设计4.1 从机单元的软件设计 从机的主要任务为采集数据，分析数据，给出照明控制动作并实时扫描键盘和显示数据。在采集数据的过程中主要采集的参量是室内光线强度，根据参量决定开灯情况。从机程序流程图为开始系统初始化有自然光吗？有人吗？有声响么？熄灯有人吗？有声响么？延时3min开 灯熄灯警告有人吗？有声响么？该系统的软件控制器由AT89C2051单片机语言编写。此单片机价格低廉，性能可靠，保密性佳的8位单片机，内置2KBROM,适用于小型场合，无需外扩程序，有存储器，20脚双列直插式DIP封装，便于安装。 该系统的工作流程是，首先对AT89C2051初始化设置，当有自然光时，不管室内是否有人和声响，都将关闭电源，所有灯具不会点亮。当无光，若有人或附近有异常声响时，则开启电源，点亮灯具，并使程序进入监控状态。若连续5次探测都无人，则发出熄灯警告，灯具亮灭闪烁，若此时室内有人静止不动，在灯具亮灭闪烁提示之下，自然会有所动作，热释红外探测器就会探测到这一变化，从而结束警告，是灯具继续点亮，控制系统回到监控状态。若在警告状态下，仍无人无声，则关闭照明电源，从而实现照明灯具无人自熄，有人自启的目的。主程序如下： ORG 0000HSTART: MOV P1, #FFHLOOP: MOV C, P1.7 CNJE C, #1, NEXT1NEXT1: JC NEXT2 SETB P1.2NEXT2: MOV P1.7, C MOV C, P1.6 CJNE C, #1, NEXT3NEXT3: JC NEXT4 MOV P1.6, C MOV C, P1.5CNJE C, #1, NEXT5NEXT4: CLP P1.2 LCALL DELY AJMP LOOPNEXT5: JC NEXT6 SETB P1.2NEXT6: MOV P1.5, C CLR P1.2 LCALL DELY AJNP LOOPENDDELY: MOV R5, #100DLY0: MOV R6, #180DLY1: MOV R7, #10DLY2: DJNZ R6, DLY2 DJNZ R5, DLY0 DJNZ R7, DLY1 RET4.2 主机单元软件设计 主机的任务是显示和通信，上位机界面采用VC+进行编程，上位机通过接口与控制器进行通信，实现对室内照明开关的控制和工作状态的显示。控制器的主程序见下图开 始初 始 化显示主菜单有键按下执 行 相 应 功 能结 束结 论作为实现智能楼宇自动化的智能照明系统是这样的一个系统，它将计算机技术和通讯技术及数字调光技术相结合，使照明系统自动化，从传统的普通开关过度 到智能化开关，实现对系统的智能化照明控制。该系统的控制分为主机和从机，主机进行总体控制，从机作为主机的执行器又是照明开关的控制器，实现了楼宇的智能化及自动化。本系统采用热释电红外探测配合声响探测对室内有无人员进行检测，实现照明灯具无人自熄，有人自启的目的。光线检测采用光敏电阻，电阻变化时模块的输出电压也变化，通过变换就可以得到光线等级，达到设定值系统给出指令并执行相应动作。显示设备使用字符型液晶显示屏，显示内容更丰富，操作更简单，界面更友好。系统配有万年历实时时钟显示，方便用户查看时间，更重要的是当系统出现异常情况时系统会自动记录时间和异常时的系统状态，为用户分析和查看数据提供了方便。系统工作稳定，操作方便，功能完善，性能可靠，达到了设计要求。该系统从理论设计和实际研制出发对楼宇的智能化进行了分析和研究，从传统的控制方法基础上进行了改进，皆在设计节约能源，节省设备，方便管理，适合现代化的控制系统上满足智能楼宇的要求。参考文献致 谢 本论文在*老师的悉心指导下完成，在此向老师表示中心的感谢。本论文的完成得益于李老师的正确指导和严格要求。李老师对课题研究方向给予了高度重视，给予了我很多指导。李老师渊博的知识，严谨的工作态度及高度的工作热情将永远鞭策着我。