CN101160004B - 照明设备的智能控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种照明设备的智能控制系统。由N个控制器经RS485网络和PC端RS232-RS485转化器与PC机连接构成，N为大于2的自然数；其中单个控制器的组成包括：单片机、光电检测模块、红外热释电人体探测模块、隔离电路、驱动电路、继电器组构成。光电检测模块由硅光电池和精密运算放大器MAX4236构成。红外热释电人体探测模块中的人体传感模块采用红外专用芯片BISS0001配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式热释电红外开关构成；人体探测器由红外热释电传感器和旋转云台构成。本发明通过多种传感器采集光线、温度、室内人数等信息，实现对照明设备的智能控制。解决了楼宇灯光实时控制管理的问题。可有效地节约电能以及延长照明设备的使用寿命。

Description

照明设备的智能控制系统
【技术领域】：本发明属于照明控制技术领域，特别涉及一种基于多传感器技术和RS485网络的照明设备的智能控制系统。
【背景技术】：随着现代建筑科学技术的不断发展和信息化设备的普及，现代化建筑中控制设备的智能化已经成为当今建筑发展的潮流。但是长期以来，智能照明设备在国内一直被忽视，大多数建筑物仍采用传统的照明控制方式，不仅不利于集中监控和管理，而且在电能的使用上效率很低，浪费了大量电能。
目前，市场上出现的一些小型照明控制系统能够实现对本地和远端灯具的控制、区域照明、定时开关等功能，但其控制功能单一，在很大程度上还属于人为控制，没有实现自动化和智能控制。
此外，还有一些楼宇采用楼宇自控来监控照明，采用专用的总线，如CAN总线、HDL-BUS、CEBUS、LonWorks等。这些系统的功能强大，能够实现对多种照明设备的智能控制，但规模庞大，价格昂贵，用途专一，需要专门的技术人员进行设计和安装，安装成本高，通用性较差。这类系统一般应用于星级酒店、智能大厦等对照明艺术和照明环境要求较高的场合。
【发明内容】：
本发明的目的是解决现有技术存在的上述不足，提供一种照明设备的智能控制系统。
本发明提供的照明设备的智能控制系统由N个控制器经RS485网络和PC端RS232-RS485转化器与PC机连接构成，N为大于2的自然数；其中单个控制器的组成包括：
单片机：使用混合信号Soc芯片C805 1F020，用于接受光强测量模块和红外人体检测模块采集的光照、室内人数和位置信息，并根据这些信息控制继电器的闭合、断开，实现自动控制；
光电检测模块与上述单片机连接，用于进行连续光强度测量并将该测量信息送单片机；
红外热释电人体探测模块：与上述单片机连接，用于采集室内人数和位置信息并将该信息送到单片机；
隔离电路：与上述单片机连接，用于实现单片机电路和驱动电路的光电隔离，减少继电器开关对单片机电路的影响；
驱动电路：与隔离电路连接，用于驱动继电器组，控制继电器触点的闭合、断开；
继电器组：与驱动电路连接，用于实现对电灯的开关操作。
其中所述的光电检测模块由硅光电池和精密运算放大器MAX4236构成，可实现连续的模拟量输出和较高的精度，以C8051F020芯片内ADC测量光照强度；其中，硅光电池(S11)的正极与精密运算放大器MAX4236(U11)的正输入端相连，硅光电池(S11)的负极与运算放大器MAX4236(U11)的负输入端相连，电位器(R11)两端分别连接运算放大器(U11)的输出端(OUTPUT)和负输入端；精密运算放大器MAX4236(U11)的SHDN端连+5V电源。
所述的红外热释电人体探测模块包括人体传感模块和人体探测器，其中，人体传感模块采用红外专用芯片BISS0001(U22)配以热释电红外传感器和外接元器件构成被动式热释电红外开关构成；人体探测器由红外热释电传感器和旋转云台构成，用于将热释电传感器的被动探测与主动探测结合，通过单片机进行智能控制；红外热释电传感器(D21)的D端接+5V电源，G端接地，S端接红外专用芯片BISS0001(U22)的1IN+端；第一电阻(R21)和第一电容(C21)并联在红外热释电传感器(D21)的S端和地之间；第二电阻(R22)接在红外专用芯片BISS0001(U22)的IB端和地之间；第三电阻(R23)、第三电容(C23)并联在红外专用芯片BISS0001(U22)的2OUT和2IN-之间；第四电阻(R24)和第四电容(C24)串联，两端分别接红外专用芯片BISS0001(U22)的2IN-端和1OUT端；第五电阻(R25)和第五电容(C25)并联，两端分别接红外专用芯片BISS0001(U22)的1IN-端和1OUT端；第六电阻(R26)和第二电容(C22)串联，两端分别接红外专用芯片BISS0001(U22)的1IN-端和地；第七电阻(R27)两端连接红外专用芯片BISS0001(U22)的RR2端和RC2端，第七电容(C27)两端连接红外专用芯片BISS0001(U22)的RC2端和地；第八电阻(R28)两端连接红外专用芯片BISS0001(U22)的RR1端和RC1端，第六电容(C26)两端连接红外专用芯片BISS0001(U22)的RC1端和地；信号从红外专用芯片BISS0001(U22)的Vo端输出。
所述的单片机以C8051F020芯片为系统控制核心，利用其64个IO口，分别与LCD、时钟芯片、RS485网络、手动开关、控制面板相连；利用其片内PWM模块来驱动电机、带动红外热释电传感器；利用其片内flash进行在线编程；其中，第三一电阻(R31)、第三一电容(C31)、第三一按键(K31)构成复位电路，第三一电阻(R31)、第三一电容(C31)串联接在+3.3V电源和地之间，第三一按键(K31)并联在第三一电容(C31)两端，复位信号从第三一电阻(R31)和第三一电容(C31)连接点接到单片机(U31)的RST端；光电检测模块输出的信号输入单片机(U31)的AIN模拟电压输入端；红外热释电人体探测模块的输入接单片机(U31)的P2.4～P2.7端；电机驱动输出为单片机(U31)的P2.0～P2.3；RS485芯片MAX488(U33)的RXD端连接单片机(U31)的P0.1端，U33的TXD端连接单片机(U31)的P0.0端；时钟芯片DS12887(U32)的数据/地址线AD0～AD7分别连接单片机(U31)的P7.0～P7.1，U32的IRQ端接单片机(U31)的P0.2，U32的AS端连单片机(U31)的P3.3，U32的CS端接单片机(U31)的P3.2，U32的DS端接单片机(U31)的P3.1，U32的R/W端接单片机(U31)的P3.0；128×64液晶模块(L31)的D0～D7分别连接单片机(U31)的P7.0～P7.1，L31的RS端接单片机(U31)的P0.5，L31的R/W端接单片机(U31)的P0.6，L31的E端接单片机(U31)的P0.7；单片机(U31)的P4.0～P4.5为6个继电器的控制信号输出，单片机(U31)的P5.0～P5.5连接6个手动开关。
本发明的优点和积极效果：
本发明系统通过多种传感器采集光线、温度、室内人数等信息，实现对照明设备的智能控制。该控制系统能解决楼宇灯光实时控制管理的问题。可有效地节约电能以及延长照明设备的使用寿命。并具有低成本、低功耗、安装方便以及可靠性高等特点。只需对现有的照明和空调线路进行简单的改造，即可应用。并通过总线与PC连接，从而实现对整个大楼的实时监控。
【附图说明】：
图1是照明设备的智能控制系统原理框图；
图2是照明设备的智能控制系统中的单个控制器原理框图；
图3是光电检测模块电路原理图；
图4是红外热释电人体探测模块原理图；
图5是主控电路原理图，包括单片机、键盘、LCD、手动开关等；
图6是控制执行电路的电路原理图；
图7是RS232-RS485转换器电路原理图；
图8是照明设备的智能控制系统安装示意图。
【具体实施方式】：
实施例1：
本发明提供的照明设备的智能控制系统，由N个控制器、RS485网络和PC端RS232-RS485转化器以及PC机软件平台构成。
每一个控制器包含光电检测模块、红外人体热释电探测模块、主控电路(由C8051F020单片机及一些外围器件构成)、隔离电路、驱动电路、继电器组组成。
图2是控制器原理框图，光电检测模块和红外热释电人体探测模块采集的光照、室内人数和位置等信息送到单片机C8051F020，单片机根据这些信息控制继电器的闭合、断开，实现自动控制。控制器通过RS485网络与PC相连。系统时钟采用DS12887，该芯片内含一个锂电池，断电后能够运行十年以上不丢失数据，可以实现各种定时操作。
图3是光电检测模块，主要由硅光电池(S11)和精密运算放大器MAX4236(U11)组成。硅光电池和运算放大器的两个输入同极性相连，运算放大器两输入端间的输入阻抗Zi是硅光电池的负载电阻，可表示为：Zi＝R1/(A+1)；其中，R1是反馈电阻，A是运放的开环放大倍数；对于MAX4236，A＝105，R1＝100kΩ，则Zi＝1Ω；可以认为光电池是处于短路工作状态，其输出电压U0与输入短路电流成比例，并有
U0＝IscRf＝RfSФ
即输出电压信号与输入光通量成正比。该电流放大器因输入阻抗低而响应速度较高且放大器噪音低，因此信噪比很高。其中，硅光电池(S11)的正极与精密运算放大器MAX4236(U11)的正输入端相连，硅光电池(S11)的负极与运算放大器MAX4236(U11)的负输入端相连，电位器(R11)两端分别连接运算放大器(U11)的输出端(OUTPUT)和负输入端。精密运算放大器MAX4236(U11)的SHDN端连+5V电源。
采用红外专用芯片BISS0001芯片设计的人体传感模块，它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。BISS0001是由内部运算放大器OP1、OP2，电压比较器COP1、COP2，状态控制器，延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。内部运算放大器OP1将热释电红外传感器的输出信号作第一级放大，然后由C4耦合给运算放大器OP2进行第二级放大，再经由电压比较器COP1和COP2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号Vs去启动延迟时间定时器，输出信号Vo。电路连接关系为：红外热释电传感器(D21)的D端接+5V电源，G端接地，S端接红外专用芯片BISS0001(U22)的1IN+端；第一电阻(R21)和第一电容(C21)并联在红外热释电传感器(D21)的S端和地之间；第二电阻(R22)接在红外专用芯片BISS0001(U22)的IB端和地之间；第三电阻(R23)、第三电容(C23)并联在红外专用芯片BISS0001(U22)的2OUT和2IN-之间；第四电阻(R24)和第四电容(C24)串联，两端分别接红外专用芯片BISS0001(U22)的2IN-端和1OUT端；第五电阻(R25)和第五电容(C25)并联，两端分别接红外专用芯片BISS0001(U22)的1IN-端和1OUT端；第六电阻(R26)和第二电容(C22)串联，两端分别接红外专用芯片BISS0001(U22)的1IN-端和地；第七电阻(R27)两端连接红外专用芯片BISS0001(U22)的RR2端和RC2端，第七电容(C27)两端连接红外专用芯片BISS0001(U22)的RC2端和地；第八电阻(R28)两端连接红外专用芯片BISS0001(U22)的RR1端和RC1端，第六电容(C26)两端连接红外专用芯片BISS0001(U22)的RC1端和地；信号从红外专用芯片BISS0001(U22)的Vo端输出。
主控电路由C8051F020、控制按键、LCD显示电路、DS12887时钟芯片、RS485接口构成。其中128×64液晶和DS12887时钟芯片均以IO方式与单片机接口，这样可以节省外部逻辑器件，并能够共享数据线D0～D7；八个拨动开关用来代替传统的强电开关，可实现手动开关电灯的目的；4×4矩阵键盘用来设置系统时间、更改设置和其它人机交互用途；串行通信部分采用了由MAX488构成的RS485网络，PC处由MAX488和MAX232构成RS232-485转换器。C8051F020是3.3V器件，与5V器件接口时要加上拉电阻，同时将引脚配置为漏极开路。单片机的管脚分配以及各器件之间的连接关系为：第三一电阻(R31)、第三一电容(C31)、第三一按键(K31)构成复位电路，第三一电阻(R31)、第三一电容(C31)串联接在+3.3V电源和地之间，第三一按键(K31)并联在第三一电容(C31)两端，复位信号从第三一电阻(R31)和第三一电容(C31)连接点接到单片机(U31)的RST端；光电检测模块输出的信号输入单片机(U31)的AIN模拟电压输入端；红外热释电人体探测模块的输入接单片机(U31)的P2.4～P2.7端；电机驱动输出为单片机(U31)的P2.0～P2.3；RS485芯片MAX488(U33)的RXD端连接单片机(U31)的P0.1端，U33的TXD端连接单片机(U31)的P0.0端；时钟芯片DS12887(U32)的数据/地址线AD0～AD7分别连接单片机(U31)的P7.0～P7.1，U32的IRQ端接单片机(U31)的P0.2，U32的AS端连单片机(U31)的P3.3，U32的CS端接单片机(U31)的P3.2，U32的DS端接单片机(U31)的P3.1，U32的R/W端接单片机(U31)的P3.0；128×64液晶模块(L31)的D0～D7分别连接单片机(U31)的P7.0～P7.1，L31的RS端接单片机(U31)的P0.5，L31的R/W端接单片机(U31)的P0.6，L31的E端接单片机(U31)的P0.7；单片机(U31)的P4.0～P4.5为6个继电器的控制信号输出，单片机(U31)的P5.0～P5.5连接6个手动开关。
图6为控制执行电路的电路原理图，单片机输出信号经过74LS04(U42)反向、缓冲后，通过光电耦合之后送到ULN2003(U41)，ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行，由ULN2003直接驱动继电器组，其COM接+6V电压，这样使继电器线圈两端并联了一个二极管，在断电时有续流保护的作用。当单片机输出信号为高电平时，反向后为低电平，此时光电耦合器导通，ULN2003内部达林顿管导通，驱动继电器吸合。
PC端RS232-485转换器由MAX232(U52)和MAX488(U51)芯片构成，如图7。PC端通过9芯串口线和转换器相连，三根连接线分别是发送数据线(TXD)、接收数据线(RXD)、地线(GND)。PC机发过来的信号为RS232电平，通过MAX232(U52)转换为TTL电平，再由MAX488(U51)将其转换为RS485总线信号。从RS485总线发过来的信号经MAX488(U51)转换为TTL电平，再由MAX232(U52)转换为PC能够接收的RS232信号。其中，MAX488(U51)的信号输出端RXD接到MAX232(U52)的T2IN，MAX488(U51)的信号输入端TXD接到MAX232(U52)的R2OUT。
该系统具体使用方法：
如图8所示，在每个教室(或其它公共场合)安装一台控制器，光电测量模块安装在室外，红外传感模块及旋转云台安装在教室天花板上，教室内电灯分组连接到继电器模块上；各设备之间通过屏蔽双绞线(4芯)相连，并与总控室相连；在PC软件平台上设置好各设备的ID、光照阀值、系统时间等参数之后，与各个控制器之间进行通信，整个系统即可运行。

Claims (4)

1.一种照明设备的智能控制系统，其特征在于该系统由N个控制器经RS485网络和PC端RS232-RS485转化器与PC机连接构成，N为大于2的自然数；其中单个控制器的组成包括：
单片机：采用混合信号SoC芯片C8051F020，用于接受光强测量模块和红外人体检测模块采集的光照、室内人数和位置信息，并根据这些信息控制继电器的闭合、断开，实现自动控制；
光电检测模块：与上述单片机连接，用于进行连续光强度测量并将该测量信息送单片机；
红外热释电人体探测模块：与上述单片机连接，用于采集室内人数和位置信息并将该信息送到单片机；
隔离电路：与上述单片机连接，用于实现单片机电路和驱动电路的光电隔离，减少继电器开关对单片机电路的影响；
驱动电路：与隔离电路连接，用于驱动继电器组，控制继电器触点的闭合、断开；
继电器组：与驱动电路连接，用于实现对电灯的开关操作。
2.根据权利要求1所述的照明设备的智能控制系统，其特征在于光电检测模块由硅光电池和精密运算放大器MAX4236构成，实现了连续的模拟量输出，以C8051F020芯片内ADC测量光照强度；其中，硅光电池(S11)的正极与精密运算放大器MAX4236(U11)的正输入端相连，硅光电池(S11)的负极与运算放大器MAX4236(U11)的负输入端相连，电位器(R11)两端分别连接运算放大器(U11)的输出端(OUTPUT)和负输入端；精密运算放大器MAX4236(U11)的SHDN端连+5V电源。
3.根据权利要求1所述的照明设备的智能控制系统，其特征在于红外热释电人体探测模块包括人体传感模块和人体探测器，其中，人体传感模块采用红外专用芯片BISS0001(U22)配以热释电红外传感器和外接元器件构成被动式热释电红外开关构成；人体探测器由红外热释电传感器和旋转云台构成，用于将热释电传感器的被动探测与主动探测结合，通过单片机进行智能控制；红外热释电传感器(D21)的D端接+5V电源，G端接地，S端接红外专用芯片BISS0001(U22)的1IN+端；第一电阻(R21)和第一电容(C21)并联在红外热释电传感器(D21)的S端和地之间；第二电阻(R22)接在红外专用芯片BISS0001(U22)的IB端和地之间；第三电阻(R23)、第三电容(C23)并联在红外专用芯片BISS0001(U22)的2OUT和2IN-之间；第四电阻(R24)和第四电容(C24)串联，两端分别接红外专用芯片BISS0001(U22)的2IN-端和1OUT端；第五电阻(R25)和第五电容(C25)并联，两端分别接红外专用芯片BISS0001(U22)的1IN-端和1OUT端；第六电阻(R26)和第二电容(C22)串联，两端分别接红外专用芯片BISS0001(U22)的1IN-端和地；第七电阻(R27)两端连接红外专用芯片BISS0001(U22)的RR2端和RC2端，第七电容(C27)两端连接红外专用芯片BISS0001(U22)的RC2端和地；第八电阻(R28)两端连接红外专用芯片BISS0001(U22)的RR1端和RC1端，第六电容(C26)两端连接红外专用芯片BISS0001(U22)的RC1端和地；信号从红外专用芯片BISS0001(U22)的Vo端输出。
4.根据权利要求1所述的照明设备的智能控制系统，其特征在于所述的单片机以C8051F020芯片为系统控制核心，利用其64个IO口，分别与LCD、时钟芯片、RS485网络、手动开关、控制面板相连；利用其片内PWM模块来驱动电机、带动红外热释电传感器；利用其片内flash进行在线编程；其中，第三一电阻(R31)、第三一电容(C31)、第三一按键(K31)构成复位电路，第三一电阻(R31)、第三一电容(C31)串联接在+3.3V电源和地之间，第三一按键(K31)并联在第三一电容(C31)两端，复位信号从第三一电阻(R31)和第三一电容(C31)连接点接到单片机(U31)的RST端；光电检测模块输出的信号输入单片机(U31)的AIN模拟电压输入端；红外热释电人体探测模块的输入接单片机(U31)的P2.4～P2.7端；电机驱动输出为单片机(U31)的P2.0～P2.3；RS485芯片MAX488(U33)的RXD端连接单片机(U31)的P0.1端，RS485芯片MAX488(U33)的TXD端连接单片机(U31)的P0.0端；时钟芯片DS12887(U32)的数据/地址线AD0～AD7分别连接单片机(U31)的P7.0～P7.1，时钟芯片DS12887(U32)的IRQ端接单片机(U31)的P0.2，时钟芯片DS12887(U32)的AS端连单片机(U31)的P3.3，时钟芯片DS12887(U32)的CS端接单片机(U31)的P3.2，时钟芯片DS12887(U32)的DS端接单片机(U31)的P3.1，时钟芯片DS12887(U32)的R/W端接单片机(U31)的P3.0；128×64液晶模块(L31)的D0～D7分别连接单片机(U31)的P7.0～P7.1，液晶模块(L31)的RS端接单片机(U31)的P0.5，液晶模块(L31)的R/W端接单片机(U31)的P0.6，液晶模块(L31)的E端接单片机(U31)的P0.7；单片机(U31)的P4.0～P4.5为6个继电器的控制信号输出，单片机(U31)的P5.0～P5.5连接6个手动开关。
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PB01 Publication
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Assignee: GUANGZHOU SHIRONG ELECTRONICS CO., LTD.

Assignor: Nankai University

Contract record no.: 2012440000164

Denomination of invention: Intelligent control system of lighting apparatus

Granted publication date: 20100915

License type: Exclusive License

Open date: 20080409

Record date: 20120406

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Granted publication date: 20100915

Termination date: 20171030

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