CN104270868A

CN104270868A - 智能照明控制装置

Info

Publication number: CN104270868A
Application number: CN201410557354.6A
Authority: CN
Inventors: 许祝; 陈军
Original assignee: CHONGQING RUISHENG KANGBO ELECTRICAL Co Ltd
Current assignee: CHONGQING RUISHENG KANGBO ELECTRICAL Co Ltd
Priority date: 2014-10-21
Filing date: 2014-10-21
Publication date: 2015-01-07

Abstract

本发明涉及照明控制设备领域，具体涉及一种用于室内的智能照明控制装置。该装置由微处理器模块、 JTAG 模块、时钟模块、显示模块、 EPPROM 模块、空气质量检测模块、环境光线检测模块、红外线阵列传感器、灯光驱动模块、风扇驱动模块、应急照明开关控制模块、电源模块、蓄电池、交流市电检测传感器组成，根据需求可以自由组合。用户可以根据自身需要调节控制的照明时间、亮度和区域，通过 JTAG 接口自由设置。具有后备电源可以在市电断电后自行启动应急照明，保障人员及财产的安全。本发明在硬件系统的基础上，依靠微处理器强大的数据处理分析能力及相应的软件，构成了一个完整的系统。

Description

智能照明控制装置

技术领域

本发明涉及照明控制设备领域，具体涉及一种用于室内的智能照明控制装置。

背景技术

能源的开发和控制是一个世界性的课题，直接关系到人类的生存和发展。电能是应用最广的一种能源方式，也是能源消耗中最主要的组成部分。目前我国电力工业发展速度很快，但是电力供应不足和用电效率低下的状况依然比较严重。电力紧缺是我国目前面临的一个很严峻的问题：一方面，为了保证供电，被迫对局部区域实行强制性拉闸限电或轮流供电，给国民生产、生活带来了极大不便；另一方面，又经常出现无人上班或学习而灯光长明的浪费现象，尤其是在学校教室、图书馆、会议室、公司企业办公室等公共场所，表现更为突出。在大力倡导建设节约型社会的今天，节能途径和效率的研究，已经成为一个社会热点和焦点。

因此推行照明节电技术节约电能是改善电力负荷紧张状况的主要途径之一。我国照明用电约占总发电量的25％左右，且以低效照明为主，因此成为终端节电的主要对象之一。照明用电大都属于峰时用电，由此可见，照明节电具有节约电量和缓解高峰用电的双重作用。随着现代办公大楼巨型化，工作时间弹性化、人类物质文化生活多样化和人口老龄化，需要营造快适、便捷、安全、高效的照明环境和气氛，从而促进了照明控制系统向高效节能和智能化的方向发展。

智能照明控制系统与传统照明控制系统相比，在控制方式、照明方式、管理方式以及节能方面等均有不少优点。

首先，在控制方式和照明方式上，传统照明控制采用手动开关，只有开和关，而且只能一路一路地开和关。而智能照明控制采用调光模块，通过灯光的调光在不同使用场合产生不同的灯光效果，营造不同的舒适的视觉氛围。在控制上采用低压二次小信号控制，控制方式多、功能强、范围广，自动化程度高。

其次，智能照明控制系统由于使用了自动化照明控制，智能利用光照以及通过网络，只需一台计算机就可对整个大楼的照明实现合理的能源管理自动化，不仅减少了不必要的耗电开支，同时也降低了用户的运行维护费用，在节能方面可比传统照明控制节电20％以上。

另外，在智能照明控制系统中，由于可通过系统人为地设置电压限制，可以避免或降低电网电压以及浪涌电压对灯具的冲击，从而起到保护灯具，延长灯具使用寿命的作用。

发明内容

发明目的:针对现有技术中存在的不足，本发明的实施例提供了一种智能照明控制装置,所述技术方案如下:

一种智能照明控制装置由微处理器模块、JTAG模块、时钟模块、显示模块、EPPROM模块、空气质量检测模块、环境光线检测模块、红外线阵列传感器、灯光驱动模块、风扇驱动模块、应急照明开关控制模块、电源模块、蓄电池、交流市电检测传感器组成。

作为优选，所述的微处理器模块1由微处理器MSP430 组成的最小系统。

作为优选，信号采集单元包括分别与微处理器模块1相连的空气质量检测模块6、环境光线检测模块7、红外线阵列传感器8；空气质量检测模块6用于对室内空气进行检测，环境光线检测模块7用于探测室内光线照度，红外线阵列传感器8用于测量静止人物空间温度分布情况,它们分别将相关信息上传至微处理器模块1。

作为优选，JTAG编程模块2、时钟模块3、显示模块4、EPPROM模块5分别与微处理器1的相关端口连接进行双向通信；JTAG编程模块可对芯片内部的所有部件进行编程，从而大大加快工作进度；时钟模块3以时间作为基准信号实现实时时钟、日历；显示模块4用于实时显示相关参数；EEPR0M模块5来存储系统的设置参数、系统数据存储及故障保护。

作为优选，灯光驱动模块9、风扇驱动模块10、应急照明开关控制模块11接受微处理器1的指令完成灯光、风扇及应急灯照明的开启和关闭。

作为优选，220V交流输入电源模块12，经整流滤波后的直流电源向各个模块提供工作电源，同时向蓄电池模块13输入充电电源。

作为优选，蓄电池模块13与电源模块12的输出连接，完成对蓄电池的充电管理工作，在220V交流断电时，向各个模块提供后备工作电源，于此同时向应急照明灯提供电源。

作为优选，交流市电检测传感器14检测交流市电是否断电，检测信号送往微处理器单元1。

本发明与现有技术相比具有以下优点:：

1、模块化设计结构简单：本发明包括微处理器模块、JTAG编程模块、时钟模块、显示模块、EPPROM模块、空气质量检测模块、环境光线检测模块、红外线阵列传感器、灯光驱动模块、风扇驱动模块、应急照明开关控制模块、电源模块、蓄电池、交流市电检测传感器组成，根据需求可以自由组合。

2、用户可以根据自身需要调节控制的照明时间、亮度和区域，通过JTAG接口自由设置。

3、具有后备电源可以在市电断电后自行启动应急照明，保障人员及财产的安全。

附图说明

图1：系统框图

图2：环境光检测电路原理图

图3：空气质量检测电路原理图

图4：红外线阵列传感器检测电路原理图

图5：I²C总线原理图

图6：时钟电路原理图

图7：EEPROM电路原理图

图8：灯光、换气扇及应急照明输出控制电路原理图

图9：灯光控制软件程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图及案列做进一步阐明，同时对于其它的属于共有技术案列在此不做过多阐述。

图1是系统框图，在图中可以看到，信号采集单元包括分别与微处理器模块1相连的空气质量检测模块6、环境光线检测模块7、红外线阵列传感器8；空气质量检测模块6用于对室内空气进行检测，环境光线检测模块7用于探测室内光线照度，红外线阵列传感器8用于测量静止人物空间温度分布情况,它们分别将相关信息上传至微处理器模块1的P3.1和P3.3端口，与微处理器I²C总线进行通讯；JTAG编程模块2、时钟模块3、显示模块4、EPPROM模块5分别与微处理器1的相关端口连接进行双向通信。

编程模块2用于在线编程和仿真，方便快捷。

时钟模块3以时间作为基准信号实现实时时钟、日历；本发明采用美国DALLAS公司推出的具有充电能力的低功耗的RAM寄存器的实时时钟芯片DS1302。此芯片采用的是串行通信方式，还可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V-5. 5V, DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源、后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。而且本发明采用的DS1302只需三根线即可与微处理器进行通信，体积小，使用简单，时钟精度较高，满足系统的要求。

显示模块4用于实时显示相关参数；

EEPR0M模块5来存储系统的设置参数、系统数据存储及故障保护。因为设备的设置参数是根据实际需要进行更改的，又要求是断电能够保存下来，所以本设备用一片EEPR0M来存储系统的设置参数。系统数据存储及故障保护部分由X5045组成，X5045是一种串行通讯的512字节EEPROM，同时兼有看门狗和电源监控功能，X5045有三种可编程看门狗周期，上电和VCC低于检测门限时，输出复位信号，X5045输出复位高电平有效，为了复位更加可靠，其复位输出端外接一个10K的上拉电阻，并与AT89C52的复位端相连。看门狗能在电源上电、掉电期间产生一个复位信号。该芯片还带有一个1. 4秒的看门狗定时器可监控单片机的工作。如果在1. 4秒内未检测到其工作，出现故障，内部定时器将使看门狗WD I处于低电平状态，为系统提供保护，避免死机、程序跑飞或进入死循环等意外的发生。X5045代表了新一代串行EEPROM的发展趋势，它的运用极大的节省了系统空间和资源，同时简化了电路设计，缩短产品开发周期。

灯光驱动模块9、风扇驱动模块10、应急照明开关控制模块11接受微处理器1的指令完成灯光、风扇及应急灯照明的开启和关闭。

交流输入电源模块12，经整流滤波后的直流电源向各个模块提供工作电源，同时向蓄电池模块13输入充电电源。

蓄电池模块13与电源模块12的输出连接，完成对蓄电池的充电管理工作，在220V交流断电时，向各个模块提供后备工作电源，于此同时向应急照明灯提供电源。

交流市电检测传感器14检测交流市电是否断电，检测信号送往微处理器单元1。

图2是环境光检测电路原理图，光照强度采集电路采用数字量输出的光照强度传感器BH1750FVI完成。BH1750FVI是日本RHOM株式会社近些年推出的一种两线式串行总线接口的集成电路，可以根据收集的光线强度数据来进行环境监测，其具有1～65 535 lx的高分辨率，可支持较大范围的光照强度变化。其内部是利用一个光敏二极管作为一个感光元件，光照强度不同，通过光敏二极管的光电流不同，再经过后面的集成运放，将变化的电流转变为变化的电压，经过模数转换器后就可以将采集的光照强度的数字量的值输出给单片机。

光照强度传感器有五个管脚，其SCL管脚和SDA管脚分别和单片机的P3.1和P3.3相连，SCL端和微处理器相连的线为时钟线，SDA端和微处理器相连的线为数据线，所采集的光照强度数据就是通过SDA管脚传入微处理器中的。在时钟线和数据线上还要分别接5.1K上拉电阻与电源相连，VCC接电源，ADDR管脚和GND管脚同时接地，这样，光照强度采集电路就完成了。

Pin	引脚名称	描述
			1	VCC	供给电压3-5V
2	SCL	I²C总线时钟线
			3	SDA	I²C总线数据线
4	ADDR	I²C地址引脚
			5	GND	电源地

上电工作时，BH1750FVI首先初始化，单片机给起始信号，BH1750FVI将采集到的光照强度数据存入寄存器中，而后将其内部寄存器的地址通过总线给主机，主机读取地址中的数据，就是光照强度数据，再将读到的数据进行显示。

图3是空气质量检测电路原理图,人们每时每刻都离不开氧，并通过吸入空气而获得氧。一个成年人每天需要吸入空气达6500升以获得足够的氧气，因此，被污染了的空气对人体健康有直接的影响。人的一生中有90%以上时间在室内度过，可见，室内空气品质对人的影响更是至关重要。空气质量传感器则可以检测到空气质量如何，并利用设施对室内空气进行调节。本发明选用TGS2600空气质量检测传感器对室内空气进行检测，它是一种新型半导体气体传感器，能够灵敏地感知空气中的低浓度污染物的异味，具有成本低、体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特性，此传感器需要施加2个电压，一个是加热电压VH，用于对利用加热器加热，以保持传感器在一个特定的最佳感应温度，以便侦测气体附着于金属氧化物表面而产生的电阻值的变化。在检测气体时，传感器的传导率依赖于空气中气体浓度的变化，在污浊气体不存在的状态下，大量附着的空气中的O₂会捕捉电子，而呈现出高阻状态;相反的，若有污浊气体存在，则因为会与氧产生一种燃烧反映，自由电子的量增加，而电阻值则降低二用一个测量电路能将该传导率的变化转化成对应于气体浓度变化的输出信号。回路电压VCC被加载以便于测量与气敏元件串联的负载电阻电压VOUT,此传感器有极性所以电路电压VCC必须是直流。RS指2脚和3脚之间的电阻，RS越大说明空气质量越好。从输出电阻RO两端取出的电压VOUT，送入微处理器的A/D端口P6.0进行A/D转换，通过微处理器编程予以识别控制，当污浊气体超过基准值后，微处理器发出动作指令给风扇驱动模块，由风扇驱动模块开启换气扇对室内外空气进行交换。

图4是红外线阵列传感器检测电路原理图，本发明采用AMG8831红外线阵列传感器测量静止人物空间温度分布情况，从而实现灯光的自动控制。采用传统的热释红外线等人感传感器，当人体处于静止状态时是无法检测的。AMG8831红外线阵列传感器采用8×8像素（64像素）的二维红外线传感器阵列，即使人体在静止状态，不移动传感器的方向扫描，也可在范围较广的空间测量温度分布情况。它不但能检测到静止人物，还能检测到人物的移动方向等。

红外线阵列传感器绝对温度的测量精度为±2.5℃，最大检测距离为7米，检测角度60度。可测量的对象物体温度范围为-20℃～+100℃。帧率为10帧/秒，各像素的值通过内部专用集成电路补偿后，以I²C进行数字输出。输出的温度值的比特(bit)幅值约为10bit。电源电压为+3.3V或+5.0V，工作时的耗电量为3mA，休眠模式时的耗电量为400μA。外形尺寸为11.8mm×10.2mm×4.0mm，工作温度范围为-20℃～+80℃。

在图4可以看到，AMG8831的2脚和3脚与微处理器的I²C口P3.1和P3.3连接，AMG8831和微处理器之间采用I²C通信程序进行通信。

图5是I²C总线原理图，I²C总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微处理器及其外围设备，是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准，它具有接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高等优点。只要求两条总线线路：一条串行数据线SDA，一条串行时钟线SCL，在连接到总线的器件间传递信息。I²C总线上可挂接n个带I²C接口的器件，微处理器I²C总线的串行数据（SDA）线和串行时钟（SCL）线经过上拉电阻R00和R01接到正电源VCC上，AMG8831红外线阵列传感器、环境光线检测模块BH1750FVI和空气质量检测模块TSL2561的串行数据（SDA）线和串行时钟（SCL）线与微处理器I²C总线的串行数据（SDA）口P3.1和串行时钟（SCL）口P3.3连接，它们的I²C接口作为一个节点，节点的数量和种类主要受总电容量和地址容量的限制。在软件处理上，它们的节点编程为从器件，I²C总线上所有节点都有约定的地址以便实现可靠的数据传送。

图6是时钟电路原理图，本发明中灯光控制有以时间作为基准信号，选用了美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片所以DS1302，该芯片采用SPI三线接口与微处理器进行同步通信。芯片可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小与31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。工作电压宽达2.5 – 5.5V，采用双电源供电(主电源和备用电源)，可设置备用电源充电方式，提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。图中Vcc2外接3.6V可充电的铿电池，为DS1302的备用电源，Vcc1外接系统供电模块的输出稳定电压+5V，为DS1302的主电源，DS1302由Vcc1和Vcc2两者中较大者供电。系统正常运行时，Vcc1大于Vcc2，因此由Vcc1给DS1302供电，在主电源关闭的情况下，则由Vcc2给DS1302供电，保持时钟的连续运行。Xl和X2是振荡源，外接32. 768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送，接微处理器P1.5引脚。时钟输入端SCLK接微处理器P1.3引脚，进行时钟控制。数据输入/输出端I/0接微处理器P1.4引脚，进行数据传输。

图7是EEPROM电路原理图，X5045是一种3合1功能监控芯片，其具有FEPROM、电压跌落检测、看门狗复位。用SPI总线与处理器通信，是兼有储存监测的单片机系统的最佳选择。X50451脚是使能及看门狗复位输入,接微处理器P1.0口; 2脚是数据输出, 接微处理器P1.1口; 3脚是写保护, 接电源VCC;4脚接地;5脚是数据输入, 接微处理器P1.2口; 6脚是数据输出, 接微处理器P1.3口;7脚是复位信号输出, 接微处理器RST口,外接按键AN和电阻R700是手动复位电路。

图8是灯光、换气扇及应急照明输出控制电路原理图,微处理器输出控制信号经驱动电路放大后送入BL8023双向继电器驱动集成电路，用于控制磁保持继电器的工作, 磁保持继电器作为继电器的一种，对电路起自动接通和切断作用。所不同的是，磁保持继电器的常闭常开作用完全是依赖永久磁钢的作用，其开关状态的转换是靠脉冲电信号的触发而完成的。因此，具有省电、性能稳定、体积小、承载能力大的特点，比一般电磁继电器性能优越。灯光、换气扇及应急照明输出控制电路的输出路数可以根据具体情况而定。

对于灯光的控制是依靠微处理器强大的数据处理分析能力来实现的,在硬件系统的基础上，再配上相应的软件，才能构成一个完整的系统。用户软件的开发与系统硬件有着密切的关系。在系统的硬件及输入输出方法确定后，程序软件就可以完全独立的进行设计、开发。在软件处理上,根据以下关系来确定灯光是否应该开启或关闭。首先定义：

光强＜300Lux时为0；光强＞300Lux 1；

时间夜晚（指晚上8点到第二天上午8 点）为0；

时间白天（指上午8点到晚上8点）为1；

无人为0；有人为 1；

开关状态为0表示灯光关闭；开关状态为1表示灯光开启，于是得到下面数据表格：

图9是灯光控制软件程序流程图。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明部分实施案例，而不是全部的实施案例，不能认定本发明的具体实施只局限于这些案例说明，对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种智能照明控制装置，其特征在于：装置由微处理器模块、JTAG模块、时钟模块、显示模块、EPPROM模块、空气质量检测模块、环境光线检测模块、红外线阵列传感器、灯光驱动模块、风扇驱动模块、应急照明开关控制模块、电源模块、蓄电池、交流市电检测传感器组成; 微处理器模块(1)是由微处理器MSP430 组成的最小系统; 信号采集单元包括分别与微处理器模块(1)相连的空气质量检测模块(6)、环境光线检测模块(7)、红外线阵列传感器(8)；空气质量检测模块(6)用于对室内空气进行检测，环境光线检测模块(7)用于探测室内光线照度，红外线阵列传感器(8)用于测量静止人物空间温度分布情况,它们分别将相关信息上传至微处理器模块(1); JTAG编程模块（2）、时钟模块（3）、显示模块（4）、EPPROM模块（5）分别与微处理器（1）的相关端口连接进行双向通信；JTAG编程模块（2）可对芯片内部的所有部件进行编程，从而大大加快工作进度；时钟模块（3）以时间作为基准信号实现实时时钟、日历；显示模块（4）用于实时显示相关参数；EEPR0M模块（5）来存储系统的设置参数、系统数据存储及故障保护；灯光驱动模块（9）、风扇驱动模块（10）、应急照明开关控制模块（11）接受微处理器（1）的指令完成灯光、风扇及应急灯照明的开启和关闭；220V交流输入电源模块（12），经整流滤波后的直流电源向各个模块提供工作电源，同时向蓄电池模块(13)输入充电电源; 蓄电池模块(13)与电源模块(12)的输出连接，完成对蓄电池的充电管理工作，在220V交流断电时，向各个模块提供后备工作电源，于此同时向应急照明灯提供电源;交流市电检测传感器(14)检测交流市电是否断电，检测信号送往微处理器单元(1)。

2.根据权利要求1所述一种智能照明控制装置，其特征在于：信号采集单元包括分别与微处理器模块（1）相连的空气质量检测模块（6）、环境光线检测模块（7）、红外线阵列传感器（8）；空气质量检测模块（6）用于对室内空气进行检测，环境光线检测模块（7）用于探测室内光线照度，红外线阵列传感器（8）用于测量静止人物空间温度分布情况,它们分别将相关信息上传至微处理器模块（1）的P3.1和P3.3端口，与微处理器的I²C总线进行通讯。

3.根据权利要求1所述一种智能照明控制装置，其特征在于：光照强度采集电路采用数字量输出的光照强度传感器BH1750FVI，选用TGS2600空气质量检测传感器对室内空气进行检测，采用AMG8831红外线阵列传感器测量静止人物空间温度分布情况。

4.根据权利要求1所述一种智能照明控制装置，其特征在于：灯光、换气扇及应急照明输出控制电路，是通过微处理器输出控制信号经驱动电路放大后送入BL8023双向继电器驱动集成电路，用于控制磁保持继电器的动作来完成。