CN201690653U - 一种自适应室内照明控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种自适应室内照明控制器，其包括：根据室内光照度信号、人体信号和作息时间控制室内照明电器的单片机，分别与单片机相连的光信号取样电路、人体信号取样电路、用于产生日期和时间的实时时钟电路、用于根据单片机输出的控制信号控制室内照明电器的输出控制电路、用于在单片机发生故障时自动复位的定时监视器、用于设置当前环境下室内自然光的照度并存入单片机的自适应按钮。本实用新型的自适应室内照明控制器能根据作息时间、气候、人体等因素全天候自动模糊控制室内照明电器的开和关。做到光线暗时开灯，雨天阴天时开灯，无人时关灯，光线亮时关灯，晴天时关灯，休息时间关灯，从而达到节电目的。

Description

一种自适应室内照明控制器

技术领域

本实用新型涉及一种室内照明自动控制器，具体是一种自适应室内照明控制器。

背景技术

相对商业楼宇而言，学校教室大功率设备比重较少，教室用电设备主要以照明灯具为主，所以控制教室照明是节能的关键。教室灯光照度设计标准为，室内平均照度300LX，讲台黑板上平均照度标准取500LX，如此高的照度要求，如果没有合理控制方案，将造成巨大的能源浪费，因此控制教室照明具有较高实际意义。

对于学校而言，教学楼的照明灯具大多选用日光灯，使用调光控制需要专用的调光镇流器，不但价格高，而且控制复杂难以推广。本发明提出了“自适应室内照明控制器”智能模糊控制方案，实现室内照明用电无人化自动管理。

实现室内照明自动控制一直是个难题。对于室外照明、建筑物照明、公共场所照明、特殊场合的定时照明(例养鸡场)等，由于其控制要求低，即要求照明的实时性、精确度低，故控制较易实现，在国内已有成熟的产品，也有相关技术公开报导。室内照明控制，尤其是适合学校教室的照明控制，由于照明要求实时性强、控制准确性高，故用单参数很难实现控制方案，根据国家教委科技查新中心南京工作站查新，目前国内外尚无相关技术及产品的报导。随着人们对节能意识的提高，许多用户纷纷提出室内照明的要求，如何利用当今成熟的传感器技术和计算机控制技术，实现室内照明自动控制是目前发展的趋势，研究这一课题意义重大。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种自适应室内照明控制器，以根据作息时间、气候、人体等因素全天候自动模糊控制室内照明电器的开和关。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种自适应室内照明控制器，包括：根据室内光照度信号、人体信号和作息时间控制室内照明电器的单片机，分别与单片机相连的用于获取室内光照度信号的光信号取样电路、人体信号取样电路、用于产生日期和时间的实时时钟电路、用于根据单片机输出的控制信号控制室内照明电器的输出控制电路、用于在单片机发生故障时自动复位的定时监视器、用于设置当前环境下室内自然光的照度并存入单片机的自适应按钮、用于与外部通信的通信口。

本实用新型具有积极的效果：本实用新型的自适应室内照明控制器能根据作息时间、气候、人体等因素全天候自动模糊控制室内照明电器的开和关。做到光线暗时开灯，雨天阴天时开灯，无人时关灯，光线亮时关灯，晴天时关灯，休息时间关灯。在确保室内正常照明同时，可有效防止“三无灯”，从而达到节电目的。采用单片机控制技术，运用多参数模糊理论及算法，全自动控制室内照明电器。具有智能化程度高、自适应能力强、无需人工干预、安装使用方便等特点，是新一代节能产品。主要性能指标(1)、自适应室内光线照度，自动存储光线照度数值，停电不丢失数据。使用时用户无需手工设定、调校任何参数，突出使用方便。(2)、模糊控制，自动识别作息时间、气候、人体等信息，还能识别“阴天”和短暂的“乌云”天气，必须保证室内照明正常。(3)、具有系统自检及故障提示功能，一旦控制器发生故障，仍能保证室内照明正常供电，并提示故障类型。(4)、红外探头感应人体信号，无极性即插即用。(5)、提供多种输出方式(电压输出、开关输出)，供用户选择。安装必须方便，只要将控制器串接或并接在原室内照明线路中即可工作。(6)、具有低电压检测和看门狗电路，保证系统长期可靠工作。

附图说明

为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中图1为实施例中的自适应室内照明控制器的电路结构框图；图2为实施例中的光信号取样电路的原理图；图3为实施例中的人体信号取样电路的原理图；图4为实施例中的复位电路的原理图；图5为实施例中的信号输出控制电路的原理图。

具体实施方式

如图1，本实施例的自适应室内照明控制器根据作息时间、气候、人体、光照度等参数全天候自动模糊控制室内照明电器的开和关，从而达到节电目的。本控制器包括：单片机、光信号取样电路、人体信号取样电路、实时时钟电路、输出控制电路、定时监视器、自适应按钮。

光信号取样电路用于将光信号通过光敏电阻R5转化为电压，经过A/D转换器实现模拟量的量化。单片机将根据该输入信号的大小，判断室内照度，决定执行开关灯的逻辑操作。

人体信号取样电路用于通过被动热释红外传感器采集室内人体热红外信号，通过滤波、放大、比较，得到人体信号。

实时时钟电路用于产生日期和时间，具有万年历功能、时间精度高，内带电池，停电不影响。

单片机是系统的核心，采用了MCS-51系列单片机(型号为89C52)，通过相应的应用程序，检测判断室内光照度、人体信号、作息时间，实现对该系统的控制。

输出控制电路用于根据单片机输出的控制信号，通过相应的驱动电路推动继电器线圈，由继电器触点控制开关输出，从而控制灯的开与关。

定时监视器：为了提高系统的可靠性，防止系统因意外而“死机”，在系统中设计了硬件定时监视器。自适应按钮用于设置当前环境下室内自然光的照度，并存入单片机，作为单片机运行的参考数值。一旦照明灯被开启，在预定时间(例课间休息时间)内单片机会进行一次自适应判断，以决断下一次是否将照明灯开启，如此多次。

基于学校教室这一特定的环境，通过光信号取样电路得到室内光照度后，进一步确认室内是否有人，系统对室内光照度、人体信号判断的基础上，再对作息时间进行判断，最终确定是否开灯。作息时间信号有效防止了在非作息时间内开“无用灯”，并保证在作息时间内正常开灯。室内光照度、人体信号、作息时间等多参数控制，提高了系统控制的准确度、精度和可靠性。自适应室内光线照度，解决了光敏传感器受室内照明灯光的影响，而无法判断自然光缺陷的问题，从而对客观环境进行了模糊评估，解决了单一信号所不能解决的实际问题，更加贴近实际应用的需要，也更体现了现代人对系统的人性化设计的要求。

光信号取样电路如图2所示，图中主要由光信号采集电路和模数转换电路组成。信号经过采集送入模数转换电路，通过单片机处理后，最终作为系统应用程序进行开关灯判断的依据。

A/D转换器N1的位数应根据信号的测量范围和精度来选择，使其有足够的数据长度，保证最大量化误差在设计要求的精度范围内。本控制器中，信号的测量范围的电压：0.00-9.99V，精度0.01V。在设计中选用了德州仪器公司生产的带串行控制的10位模数转换器TLC1549。

人体信号取样电路如图3所示，该电路主要由两个运算放大器组成的比较电路和一个热释放红外人体探头构成。通过比较电路，判断“人”逻辑信号，将相应的电压比较结果以数字信号输出。

比较电路中的基准电压分别由两个独立的分压电路得到，供电路比较用。即运算放大器的1脚和6脚，电压分别为2.0V和0.45V。

当被动红外探头在有效范围内感应到人体信号后，红外探头工作电流为10mA，在电阻R上的电压为3.0V，即运算放大器的“2脚”或“5脚”的电压为3.0V；没有人体信号时，红外探头工作电流为3.3mA，在电阻R上的电压为1.0V，即运算放大器的“2脚”或“5脚”的电压为1.0V；当红外探头线路没有接入系统或发生断路时，则运算放大器“2脚”或“5脚”的电压为0V。

表1比较器输出状态表

单片机通过判断P2.5、P2.6逻辑电平，就可以知道室内是否有人，同时可以判断动红外探头的接入情况，如表1所示。

被动式热释电人体红外探头，由热释电人体红外传感器、匹配温度放大器、比较器以及光学系统组成。自然界的物体都能向外辐射红外线热能量，但各类物体的发射的红外线波长有所不同。一般来说，人体辐射红外线最强的波长范围在9.4？？m左右。热释电红外传感器正是利用钴酸铅(PZT)材料制成的敏感元件来感知红外线的温度变化，从而输出微弱的电信号。另外，在传感器表面还采用了红外滤光片，其作用是选取7.5-14？？m波长的红外线信号，这样能有效地选取人体辐射的红外线，排除其他物体的干扰红外线。由于热释电红外传感器输出的信号是与红外线辐射的温度变化率成正比的，因此热释电红外传感器只对运动的人体敏感。目前的热释电红外传感器多为双元件型，这种结构保证在元件自身变化时，产生的电信号相互抵消。

没有一套合适的光学系统，热释电红外传感器的特点也就不能完全发挥。热释电红外传感器的探测距离只有1m左右，加上菲涅耳光学系统后，探测距离可达15m。与传感器配套的光学系统有三种：入射式、透射式和折射式。目前国际市场上多以透射式为主。光学系统能把监测空间传来的红外线聚焦到传感器，不能敏锐地体现这些红外能量的变化。热释电红外传感器感应的是红外辐射的变化值大小，而不是绝对值大小，菲涅耳光学系统能满足这些条件。菲涅耳光学镜通过光滑的光学镜面菱状或是柱状处理，使监测空间割裂为一系列交替的狭小红外“感应区”和“空区”，人在其中移动，就会使有些“感应区”内的红外线时有时无，使传感器接收到的是能量的变换值，从而大大提高了接收了灵敏度。

红外探头的两根电源线不仅为探头提供了电源，同时也是探头的信号传输线，这种设计方法，方便工程现场安装、调试。当有人体信号时，设计探头工作电流为10mA；没有人体信号时，探头工作电流为3.3mA，通过检测电流，就可以获得人体信号。当探头没有接入系统时，探头工作电流为0mA，通过检测电流即可识别探头的状态，具有即插即用的功能。信号输出控制电路如图5所示，根据单片机上P2.0和P2.1口输出的控制信号，通过继电器控制照明电器。

当P2.0口输出“0”电平时，  Q1、Q2三极管放大电路截止，则继电器无电流，继电器开关触点断开，照明电器回路不通，电灯不亮；当P2.0口输出是“1”时，由Q1、Q2两个三极管组成的信号放大电路饱和导通，则继电器线圈工作，继电器触点闭合，回路导通电灯亮。

LED管作为系统的故障提示灯，该P2.1口有四种信号状态并对应不同的用户提示信息：P2.1“1”(LED亮)：开启室内照明电器。

P2.1“0”(LED不亮)：关闭室内照明电器。

P2.1间隙1秒“0”、“1”信号交替(LED以1秒闪烁)：系统密码不对，重新输入密码。

P2.1间隙2秒“0”、“1”信号交替(LED以2秒闪烁)：控制器硬件有故障，请更换控制器。继电器输出方式有二种接法：开关输出接法(电流7.5A)，电压输出接法(220V、7.5A)。

为了提高系统的可靠性，防止系统因意外而“死机”，在控制器中都设计了看门狗电路(即定时监视器)，如图4，其使用了一片IMP813L监视电路，该电路具有超时使单片机自动复位，也允许人工随时手动复位，自动监视系统(掉电)等电源故障，使单片机死机时自动复位的系统监视功能。该电路监视功能的具体实现说明如下：①电源故障监视：当电源正常时，未稳压的直流电源电压+V经电阻R1和R2分压，使电源故障输入端PFI的电位大于1.25V(内部参考电压)，一旦电源发生故障，PFI的电位低于1.25V，则电源故障输出PFO从高电平变为低电平，从而引起单片机中断，CPU响应中断后可迅速执行诸如保护重要数据、发出电源故障报警等工作。当电源恢复正常时，CPU重新复位，恢复现场，继续未完成的工作。

②看门狗定时器：看门狗电路监视单片机的P3.4线，正常情况下，P3.4线不超过1.6秒触发一次。若在1.6秒内单片机不产生触发信号，看门狗输出端WDO将变为低电平。由于WDO与手动复位端相连，当低电平维持时间超过140毫秒，IMP813L将复位，同时使看门狗清零，IMP813L的复位信号维持200毫秒结束后，单片机脱离复位状态，单片机开始恢复程序并正常运行。

自适应室内照明控制器，采用单片微型计算机数字技术，运用多参数模糊理论，全自动控制室内照明电器。具有智能化程度高、自适应能力强、无需人工干预、使用方便等特点，是新一代节能佳品。

本控制器适用于大、中、小学校教室照明控制，实现无人管理。控制器根据作息时间、气候、人体等因素全天候自动模糊控制室内照明电器的开和关。做到光线暗时开灯，雨天阴天时开灯，无人时关灯，光线亮时关灯，晴天时关灯，休息时间关灯。确保室内正常照明，有效防止无人灯(无人开灯)、无效灯(光线亮时开灯)，节电效果十分显著(学校教室可节电60％左右)。本产品也适用于企事业单位会议室、办公室、车间等场所照明控制。

(1)安装方便，只要将控制器串接在室内照明电源中即可工作。

(2)自适应室内光线照度，自动存储，停电不丢失数据。用户无需手工设定、调校任何参数，使用极为方便。

(3)模糊控制，自动识别作息时间、气候、人体等信息，还能识别阴天和短暂“乌云”天气，保证室内照明正常。

(4)具有自检及故障提示功能，当控制器发生故障时，指示灯提示，并保证室内照明系统正常供电(此时通过原有开关控制照明电器)。

(5)具有低电压检测和看门狗电路，保证系统正常可靠工作。

(6)红外探头感应人体信号，即插即用，用户可根据实际情况选用。

(7)两种输出方式：电压输出(ZMK-V型)，开关输出(ZMK-K型)，供用户选择。

(8)备有串行口，供维修检测使用。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本实用新型的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种自适应室内照明控制器，其特征在于包括：根据室内光照度信号、人体信号和作息时间控制室内照明电器的单片机，分别与单片机相连的用于获取室内光照度信号的光信号取样电路、人体信号取样电路、用于产生日期和时间的实时时钟电路、用于根据单片机输出的控制信号控制室内照明电器的输出控制电路、用于在单片机发生故障时自动复位的定时监视器、用于设置当前环境下室内自然光的照度并存入单片机的自适应按钮。

2.根据权利要求1所述的一种自适应室内照明控制器，其特征在于：所述光信号取样电路包括：光信号采集电路和与光信号采集电路的输出端相连的模数转换电路；模数转换电路的数字信号输出端与单片机的光信号采集端相连。

3.根据权利要求2所述的一种自适应室内照明控制器，其特征在于：所述人体信号取样电路包括：人体探头和由两个运算放大器组成的比较电路。

Images