吉林大学：仪器科学与电气工程学院中文论文集（2013年下半年）

幸娜等：会方位分区控制智能照明系统的设计与实理 全方位分区控制智能照明系统的设计实现 李娜；张涛；叶健松 (吉林大学仪器科学与电气工程学院，长春130012) 摘要：为了营造良好的灯光环境，充分利用外界自然光以达到动态控制灯光强弱的目的，并且实现低功耗，智能 化等特点，本文以STC39C51RC单片机作为控制器，光强传感器模块，LED驱动电路模块和LED灯模块组成全 方位分区控制智能照明系统。可以实现和外界光强相补充来白动调节亮度，节约能源，并且可以分区域控制，达 到普通照明的要求.光强检测精度≤1.01K,调节时间≤20s,经实际测量，与普通日光灯相比节能比率为25%-30% 关键词：照明系统光强传感器分区控制低功耗智能化 Design and Implementation of the full range of sub-control intelligent lighting system Li Na;Zhang Tao;Ye Jiansong (College of Instrumentation and Electrical Engineering.Jilin University.Changchumn 130022.China) ent,making full use of the outside natural light to achieve dynamic conro lights,low power consumption and intelligent characteristics,this intelligent lighting conro system is basedn the STC89C51R ingle-chip microcontroller as the processor,composed of light intensity sensor module,LED module and LED drive circuits.It can natically adiust the brightness added with the outside light intensity.and energy saving and sub-regional control functions can be implemented.Light intensity detection's accuracy is less than 1.0x adjusting time is less than 20s,through actul measurement r consumption;Energy saving 进而调节亮度使之达到普通照明的要求。本照明 0前言 系统不仅能满足正常生活工作所需的光强，节约电 能：而且本系统可以实现自动调节，能够方便公共 传统照明系统智能程度低，灯光控制不够连续 场所的监控与管理。 而且使用寿命短，能源转化效率低：另外一些公共 光源方面，本系统选择LED作为光源，LED 场所，如学校的教室，光源的使用经常处于无人管 被称为第四代绿色光源，其发光器件为冷光源，具 理或疏于管理的情况，这种情况不仅影响人的生活】 有能耗低、寿命长等特点。在相同的照明情况下， 更是对电能的极大浪费。本文设计一种组合式照明 LED灯耗电量是自炽灯的十分之一，荧光灯的二分 系统，可以全方位360彦实时监测外界光然后 之一同时由于LD灯与其他照明灯具相比不含有 自动调节本身的亮度 本系统采用分区域控制的 钠，汞等危害身体健康的元素，有利于环保 式，每个区域自动检测本区域的外界光强，通过单 片机处理信总并发送到调控系统，调整亮灯的个数 ”指导数师：张林行 项日类州：大学生赶项日

李 娜等：全方位分区控制智能照明系统的设计与实现 5 全方位分区控制智能照明系统的设计实现∗ 李 娜； 张 涛； 叶健松 （吉林大学 仪器科学与电气工程学院，长春 130012） 摘要：为了营造良好的灯光环境，充分利用外界自然光以达到动态控制灯光强弱的目的，并且实现低功耗，智能 化等特点，本文以 STC89C51RC 单片机作为控制器，光强传感器模块、LED 驱动电路模块和 LED 灯模块组成全 方位分区控制智能照明系统。可以实现和外界光强相补充来自动调节亮度，节约能源，并且可以分区域控制，达 到普通照明的要求。光强检测精度≤ 1.0 lx，调节时间≤ 2.0s，经实际测量，与普通日光灯相比节能比率为 25%-30%。 关键词：照明系统 光强传感器 分区控制 低功耗 智能化 Design and Implementation of the full range of sub-control intelligent lighting system Li Na; Zhang Tao; Ye Jiansong (College of Instrumentation and Electrical Engineering, Jilin University,Changchun 130022,China) Abstract：In order to create a good lighting environment, making full use of the outside natural light to achieve dynamic control lights, low power consumption and intelligent characteristics, this intelligent lighting control system is based on the STC89C51RC single-chip microcontroller as the processor, composed of light intensity sensor module, LED module and LED drive circuits. It can automatically adjust the brightness added with the outside light intensity, and energy saving and sub-regional control functions can be implemented. Light intensity detection’s accuracy is less than 1.0 lx, adjusting time is less than 2.0 s, through actual measurement, compared with ordinary fluorescent lamp, energy saving can rate up from 25% to 30%. Key words：Lighting system; Light intensity sensor; Partition control; Low power consumption; Energy saving ∗ 指导教师：张林行 项目类型：大学生创新项目 0 前言 传统照明系统智能程度低，灯光控制不够连续， 而且使用寿命短，能源转化效率低；另外一些公共 场所，如学校的教室，光源的使用经常处于无人管 理或疏于管理的情况，这种情况不仅影响人的生活， 更是对电能的极大浪费。本文设计一种组合式照明 系统，可以全方位 360 度实时监测外界光强，然后 自动调节本身的亮度。本系统采用分区域控制的方 式，每个区域自动检测本区域的外界光强，通过单 片机处理信息并发送到调控系统，调整亮灯的个数 进而调节亮度使之达到普通照明的要求[1]。本照明 系统不仅能满足正常生活工作所需的光强，节约电 能；而且本系统可以实现自动调节，能够方便公共 场所的监控与管理。 光源方面，本系统选择 LED 作为光源，LED 被称为第四代绿色光源，其发光器件为冷光源，具 有能耗低、寿命长等特点。在相同的照明情况下， LED 灯耗电量是白炽灯的十分之一，荧光灯的二分 之一。同时由于 LED 灯与其他照明灯具相比不含有 钠，汞等危害身体健康的元素，有利于环保[2]

吉林大学仅器科学与电气工程学院2013年下半年中文论文集 路原理图如图3所示。控制器分别连接东、西、南 1系统总体结构 北和下五个方向的光强传感器测量电路，每个分区 的LED灯阵列由固定在该区的光强传感器单独控 本文所设计的全方位分区智能照明系统，由 制，单片机通过外部扩展，利用LED驱动电路分别 STC89C51RC控制器.BH1750V1米传成县横 连接各个分区的LED灯阵列。 块、 LED驱动电路 模块 LED灯模块和弧形灯罩维 成，系统总体结构图如图1所示。传感器模块采用 光敏二极管采集外界光强，并将检测到的信号经过 前置放大、滤波、AD转换等处理产生相应数字信 号经C协议传递绘控制器讲行处理，姚后经可 LED驱动电路拉制LD灯亮的个数，以达到普通 照明需求。 o-duran b d 电源稳压保护电路输33 ED驱动电路 灯阵列 图3系统硬件电路图 Fig.3 System hardware circuit 图1系统总体结构 2.3测量电路模块 Fig System architecture 本设计采用的BH1750FVI.是一种用于两线式 串行总线接口的数字型光强传感器集成电路。这种 2硬件设计 集成电路可以根据采集的光线强度数据来调整灯》 的亮度，利用它的高分辨率可以探测较大范围的光 2.1系统控制结构 强度变化。具有接近人眼视觉灵敏度的光谱灵敏 控制系统一般分为闭环控制系统和开环控制系 度，拉宽的测量范用和高精度（相当于11x-65535x 统，本设计需要对采集的光强信号进行反馈调节 因此采用闭环控制系统四 系统结构如图2所示。 其内部包括AWD转换器，信号传输电路，整 检测值下一拉制器一行机胸控对控参数 测量电路的电路图如图4所示。D1为整个模块的感 受元件，其输出信号经前置运算放大器放大和滤波 后，再经过16位A/D转换器转换为数字信号，通 时C)协议连接到输出端。传成累模块内部令有 图2系统控制结构 3,3V电源稳压器 50H2/60H除光噪音功能，可实 Fig2 System Control Structures 现稳定的光强测定。 2.2主控制模块 本系统采用STC89C51RC单片机作为控制器 STC89C51RC是一类具有16位总线的带FLASH的 单片机。它采用16位的总线，外设和内存统一编址 寻址范围可达64K,还可以外部扩展存储器 统一的中断管理，具有丰富的片上外围模块。由于 为FLASH型，则可以在线对单片机进行调试和下 载找，由于JTAG口直接和FET(FLASH EMULATIO TOOL)相连，不需另外的仿真工具，方便实用。 而且可以在低功耗模式下工作。 主控制器系统的外围接口电路由光强传感器、 图4测量电路原理图 LED驱动模块、电源等三部分组成，系统的硬件电 Fig4 Measuring circuit schematics 6

吉林大学仪器科学与电气工程学院 2013 年下半年中文论文集 6 1 系统总体结构 本文所设计的全方位分区智能照明系统，由 STC89C51RC 控制器，BH1750FVI 光强传感器模 块、LED 驱动电路模块、LED 灯模块和弧形灯罩组 成，系统总体结构图如图 1 所示。传感器模块采用 光敏二极管采集外界光强，并将检测到的信号经过 前置放大、滤波、A/D 转换等处理产生相应数字信 号经 IIC 协议传递给控制器进行处理，然后经过 LED 驱动电路控制 LED 灯亮的个数，以达到普通 照明需求。 图 1 系统总体结构 Fig.1 System architecture 2 硬件设计 2.1 系统控制结构 控制系统一般分为闭环控制系统和开环控制系 统，本设计需要对采集的光强信号进行反馈调节， 因此采用闭环控制系统[3]。系统结构如图 2 所示。 图 2 系统控制结构 Fig.2 System Control Structures 2.2 主控制模块 本系统采用 STC89C51RC 单片机作为控制器， STC89C51RC 是一类具有 16 位总线的带 FLASH 的 单片机。它采用 16 位的总线，外设和内存统一编址， 寻址范围可达 64K，还可以外部扩展存储器。具有 统一的中断管理，具有丰富的片上外围模块。由于 为 FLASH 型，则可以在线对单片机进行调试和下 载，由于 JTAG 口直接和 FET（FLASH EMULATION TOOL）相连，不需另外的仿真工具，方便实用， 而且可以在低功耗模式下工作[4] 。 主控制器系统的外围接口电路由光强传感器、 LED 驱动模块、电源等三部分组成，系统的硬件电 路原理图如图 3 所示。控制器分别连接东、西、南、 北和下五个方向的光强传感器测量电路，每个分区 的 LED 灯阵列由固定在该区的光强传感器单独控 制，单片机通过外部扩展，利用 LED 驱动电路分别 连接各个分区的 LED 灯阵列。 图 3 系统硬件电路图 Fig.3 System hardware circuit 2.3 测量电路模块 本设计采用的 BH1750FVI，是一种用于两线式 串行总线接口的数字型光强传感器集成电路。这种 集成电路可以根据采集的光线强度数据来调整灯光 的亮度，利用它的高分辨率可以探测较大范围的光 强度变化[5]。具有接近人眼视觉灵敏度的光谱灵敏 度，较宽的测量范围和高精度（相当于 1lx-65535lx） 等特性。 其内部包括 A/D 转换器，信号传输电路，整个 测量电路的电路图如图 4 所示。D1 为整个模块的感 受元件，其输出信号经前置运算放大器放大和滤波 后，再经过 16 位 A/D 转换器转换为数字信号，通 过(I2 C)协议连接到输出端。传感器模块内部含有 3.3V 电源稳压器，50Hz/60Hz 除光噪音功能，可实 现稳定的光强测定。 图 4 测量电路原理图 Fig.4 Measuring circuit schematics

幸娜等：金方位分区控制智能黑明系统的设计与实现 2.4LED驱动模块 如图5所示，1口连接LED驱动模块扩展出来 的VO口，利用三极管的开关特性，控制LED灯的 亮灭。经测试，当基极有一高电平时，输出电流为 1mA,符合设计要求。R1电阻选用5K,避免输出功 率不足，起到了限流的作用。 2.5LED灯模块 根据本设计的核心理念，即减少光源的浪费 达到环保与节约资金的效果，设计中将LED灯以 形的方式排布，这样可以360度全方位的向外界提 供光强。弧形灯罩上面的LED灯是分五区排布的， 图5ED灯驱动电路图 分别为下方，东方，西方，南方，北方。图6为全 Fig5 LED Lamp driver circui 方位分区控制智能照明灯的结构示意图。 0 0 0 0 东方 0 0 0 0 LED灯 南方 电路总线 图6(a》智能照明系统外形结构（俯视图） Fig6 (a)Outline structure (Overlook) 处理等组成。主要任务是将传感器传来的数字信马 进行处理。首先选择方向，然后获取本方向的光照 信息，如果在此方向上的光照强度超过普通照明的 88 8888 889 要求，则微处理器执行减少本区域亮灯的个数，反 之则执行增加本区域亮灯的个数，使室内的光找强 度一直保持在普通照明要求的范围内。 图6(6) 智能照明系统外形结构（立体直现图） Fig6(b)Outline structure (Three-dimensional visual) 3软件设计 主控制器的程序流程图如图7所示。主控制器 的程序主要包括模块初始化、获取光照信息和响应

李 娜等：全方位分区控制智能照明系统的设计与实现 7 2.4 LED 驱动模块 图 5 LED 灯驱动电路图 Fig.5 LED Lamp driver circuit 如图 5 所示，1 口连接 LED 驱动模块扩展出来 的 I/O 口，利用三极管的开关特性，控制 LED 灯的 亮灭。经测试，当基极有一高电平时，输出电流为 1mA，符合设计要求。R1 电阻选用 5K,避免输出功 率不足，起到了限流的作用[6] 。 2.5 LED 灯模块 根据本设计的核心理念，即减少光源的浪费， 达到环保与节约资金的效果，设计中将 LED 灯以弧 形的方式排布，这样可以 360 度全方位的向外界提 供光强。弧形灯罩上面的 LED 灯是分五区排布的， 分别为下方，东方，西方，南方，北方。图 6 为全 方位分区控制智能照明灯的结构示意图。 图 6（a） 智能照明系统外形结构（俯视图） Fig.6（a） Outline structure (Overlook) 图 6（b） 智能照明系统外形结构（立体直观图） Fig.6（b） Outline structure (Three-dimensional visual) 3 软件设计 主控制器的程序流程图如图 7 所示。主控制器 的程序主要包括模块初始化、获取光照信息和响应 处理等组成。主要任务是将传感器传来的数字信号 进行处理。首先选择方向，然后获取本方向的光照 信息，如果在此方向上的光照强度超过普通照明的 要求，则微处理器执行减少本区域亮灯的个数，反 之则执行增加本区域亮灯的个数，使室内的光找强 度一直保持在普通照明要求的范围内。 控制器 南方 电路总线 LED 灯 东方 北方

吉林大学仅器科学与电气工程学院2013年下半年中文论文集 有光强传感器测量电路，五个分区相互独立，达到 开始 分区域管理的目的。经过实际测试，区域识别率可 统初始化设置 达100%，调节时间小于2.0s,光强分辨率小于1.0x, 与普通照明系统相比节能率达25%-30%。此外，本 智能照明系统能达到良好的节能效果，延长灯具的 方向选择 寿命，具有很大的市场应用前景 参考文献 1.王文升.智能照明控制与节能凹.智能建筑与城 光照强度 市信息2005 2.王希娟LED照明智能控制系统制造业自动化， 2012,33(12):128-131 减少亮灯个数 3.王春敏，刘兴明，嵇艳鞠著连续与离散控制系 统吉林大学出版社2008：46 4云示中华，白天著基干BH1750PV1的室内光照 强度测量仪).单片机与嵌入式系统应用2012 图7软件系统流程图 5.康华光著电子技术基础（模拟部分）高等教育 Fig7 System software ow chart4测试结果 将试验样机与普通照明系统进行节能效率测 出版社2006：116-118. 试：在相同工作条件下，进行24小时的耗电量比较 测试结果为智能照明系统比普通照明系统节省了约 25%-30%的电能。详细测试结果如图8所示： 《 中：W 含男围 图8系统节能效果测试结果图 4结束语 本文介绍的全方位分区控制智能照明系统不仅 能铭实现实时检测外界光强，并能够和外界光强相 互补偿自动调节亮度， 实现智能化照明的要求。 且，与传统照明相比，本智能照明系统设有东、西 南、北和下五个分区，每个分区的LED灯阵列都装

吉林大学仪器科学与电气工程学院 2013 年下半年中文论文集 8 图 7 软件系统流程图 Fig.7 System software flow chart4 测试结果 将试验样机与普通照明系统进行节能效率测 试：在相同工作条件下，进行 24 小时的耗电量比较， 测试结果为智能照明系统比普通照明系统节省了约 25%-30%的电能。详细测试结果如图 8 所示： 图 8 系统节能效果测试结果图 Fig.8 System energy saving effect test results 4 结束语 本文介绍的全方位分区控制智能照明系统不仅 能够实现实时检测外界光强，并能够和外界光强相 互补偿自动调节亮度，实现智能化照明的要求。而 且，与传统照明相比，本智能照明系统设有东、西、 南、北和下五个分区，每个分区的 LED 灯阵列都装 有光强传感器测量电路，五个分区相互独立，达到 分区域管理的目的。经过实际测试，区域识别率可 达100%，调节时间小于2.0s，光强分辨率小于1.0lx， 与普通照明系统相比节能率达 25%-30%。此外，本 智能照明系统能达到良好的节能效果，延长灯具的 寿命，具有很大的市场应用前景。 参考文献 1. 王文升.智能照明控制与节能[J].智能建筑与城 市信息.2005. 2. 王希娟.LED 照明智能控制系统.制造业自动化， 2012，33（12）：128-131. 3. 王春敏，刘兴明，嵇艳鞠著.连续与离散控制系 统.吉林大学出版社.2008：4-6. 4. 云中华，白天蕊著.基于 BH1750FVI 的室内光照 强度测量仪[J].单片机与嵌入式系统应用.2012 5. 康华光著.电子技术基础（模拟部分）.高等教育 出版社.2006：116-118. 强 开始 系统初始化设置 方向选择 光照强度 减少亮灯个数

谢明学等：防挂我电流智能断电插排 防挂载电流智能断电插排 谢明学；刘亚骄；熊源 (吉林大学仪器科学与电气工程学院，长春130012) 摘要：本文针对家用电器的待机功耗，提出了一种基于MSP430F149单片机的防挂载电流智能断电插排，它利用电 流互感线圈与MSP430F149单片机采样挂载电流，经模数转换后与用电器工作电流比较，通过发出继电器鄂动信 号控制电路连通状态。产品经过对几种不同的电器进行测试，结果表明可有效降低使用功耗。 关键词：挂找电流智能断电电流互感线圈继电器 Intelligent power socket of reducing the mounting current XieMingxue:Liu Yajiao:Xiongyuan (College of Instrumentation and Electrical Engineering.Jilin University.Changchun 130022.China) Abstract:in vic y of the mption of household appl es.this paper propose with the preset value after analog-to-digital conversion to drives relay to cut off the power supply current.Severally tested on different appliances,it achieves the purpose ofreducing power consumption. Keywords:mounting current intelligent power socket current transformer relay 题的症结在于待机状态的普遍存在和人们的用电习 0前言 惯。本文提出了一种新型插排，它从人们的不良用 电习惯出发，通过超低功耗单片机检测用电状态，在 随若技术的不断进步，家用电器已步入了智能 电器非工作状态下自动切断电路。很大程度上降低 化阶段。这些电器即使关闭了，若不能及时将电源 了待机功耗，切合了当今低碳节能、绿色环保的时 插头从插座上拔下仍会造成电力的流逝。这种状态 代需求。 下产生的电流，即为挂载电流。常用电器的待机电 流及待机耗电如表1。据资料显示，目前我国城市 1系统总体结构 家庭的平均待机能耗相当于这些家庭每天不间断地 使用一盏15~一30W的白炽灯，待机能耗占家庭消赶 本文阐述的该系统由电源模块、MSP430F149 的3%~13%，全国待机能耗相当于我国几个大型火 微控制器、电流互感器、继电器驱动电路，短路保 力发电厂的发电总量四 护装置组成。系统总体结构如图1所示。 针对降低待机功耗，在文献小、2小、3中提到 了几种解决的办法。总体说来有两方面，一是国家 法令规定常用电器的待机功耗标准，制造商从电器 内部电路改进，二是设置家庭电源总控开关。但问 “指导老师：张林行 项日类型：大学生创新项日

谢明学等：防挂载电流智能断电插排 9 防挂载电流智能断电插排∗ 谢明学; 刘亚骄; 熊源 （吉林大学 仪器科学与电气工程学院，长春 130012） 摘要: 本文针对家用电器的待机功耗,提出了一种基于 MSP430F149 单片机的防挂载电流智能断电插排。它利用电 流互感线圈与 MSP430F149 单片机采样挂载电流，经模数转换后与用电器工作电流比较，通过发出继电器驱动信 号控制电路连通状态。产品经过对几种不同的电器进行测试，结果表明可有效降低使用功耗。 关键词: 挂载电流 智能断电 电流互感线圈 继电器 Intelligent power socket of reducing the mounting current XieMingxue;LiuYajiao;Xiongyuan (College of Instrumentation and Electrical Engineering, Jilin University, Changchun 130022,China) Abstract: in view of the standby power consumption of household appliances, this paper proposes an intelligent power socket based on MSP430F149 MCU for cutting off the mounting current. It samplings mounting current by a coil current transformer, compares with the preset value after analog-to-digital conversion to drives relay to cut off the power supply current. Severally tested on different appliances, it achieves the purpose of reducing power consumption. Keywords: mounting current intelligent power socket current transformer relay ∗ 指导老师：张林行 项目类型：大学生创新项目 0 前言 随着技术的不断进步，家用电器已步入了智能 化阶段。这些电器即使关闭了，若不能及时将电源 插头从插座上拔下仍会造成电力的流逝。这种状态 下产生的电流，即为挂载电流。常用电器的待机电 流及待机耗电如表1。据资料显示， 目前我国城市 家庭的平均待机能耗相当于这些家庭每天不间断地 使用一盏15～30W的白炽灯，待机能耗占家庭消耗 的3%～13%，全国待机能耗相当于我国几个大型火 力发电厂的发电总量[1]。 针对降低待机功耗，在文献[1]、[2]、[3]中提到 了几种解决的办法。总体说来有两方面，一是国家 法令规定常用电器的待机功耗标准，制造商从电器 内部电路改进，二是设置家庭电源总控开关。但问 题的症结在于待机状态的普遍存在和人们的用电习 惯。本文提出了一种新型插排，它从人们的不良用 电习惯出发,通过超低功耗单片机检测用电状态，在 电器非工作状态下自动切断电路。很大程度上降低 了待机功耗，切合了当今低碳节能、绿色环保的时 代需求。 1 系统总体结构 本文阐述的该系统由电源模块、MSP430F149 微控制器、电流互感器、继电器驱动电路，短路保 护装置组成。系统总体结构如图1所示