1、河南机电高等专科学校毕业设计/论文1绪论0.1 选题背景当今的灯光艺术已经成为了一门走在时代前沿的时尚艺术。灯具的种类也由以前构造简单、功能有限的白炽灯、荧光灯、聚光灯等,发展为今天的镜片反射式电脑灯、摇头式电脑灯、变色灯、电脑追光灯、激光灯等构造复杂、精密，功能丰富多样的现代灯具。像我们经常在电视节目上看到的舞台灯光、城市景观灯、舞厅的各种闪光灯、街道上的霓虹灯等，其艺术性和表现力都产生了质的飞跃。在基本光满足必要的照度和色调的基础上，根据场景气氛的需要，可以自由地组合出千姿百态、绚丽多彩、变幻无穷的灯光景观。实现了艺术上的创新与突破，不断创造出令人惊叹、叫绝的视觉艺术效果，给人们带来了美的
2、享受和心灵上的震撼。就连我们最常见的楼道灯也一改过去那种人不开不亮，不关不灭的形象。在我们生活的小区和工作的办公楼等地，每到晚上我们上下楼梯时，只要我们用手轻轻一摸开关上的按钮，灯就亮，人走后没一会灯又自动熄灭；或是天黑走过楼梯通道时，当有脚步声或其它声音时，楼道灯会自动点亮，提供照明，当人们进入房内或离开楼梯，楼道灯延时几分钟后会自动熄灭。在白天，即使有声音。楼道灯也不会亮。之所以出现这种效果，这要归功于现代科学技术的发展，其中很重要的一点，就是现代电子技术的发展和创新。它主要是利用一些电子元件，应用数字电子技术的逻辑器件设计电路进行控制。像舞台上的灯光就是运用现代数字电子技术，按照场景的需
3、要通过电脑程序进行控制；像楼道的灯就是通过安装一些电子开关进行控制。社会在不断发展，技术也在不断的进步，电子技术在灯光照明控制中的应用也越来越广泛，越来越突出。电子技术在电子技术在灯光照明控制中的应用已成为必须研究的课题。在这里我主要从节能、便捷的角度，简单地介绍一下人们日常生活中经常见到的利用电子技术控制灯光的一些实际应用。0.2 主要内容及研究意义目前电子技术在灯光控制中的应用已是越来越广泛。电子技术在LED的通用照明河南机电高等专科学校毕业设计/论文2和智能控制中的应用也是越来月明显，LED照明有许多独特的地方，其照明不仅能实现亮度的调节，还能实现色彩与色温的调节。此外，这种照明比传统照
4、明方式更适合智能化与数字化的控制，组成复杂的照明系统。电子技术也在小区楼宇灯光照明控制中应用广泛，现在国家正在大力提倡节能减排，虽然关灯在有些人看来是件小事，也省不了多少电，但如果全国所有公共场所及家庭都使用新型节能开关，这样既避免了人们在黑暗中摸索开关的不便，又可以避免人们忘记关灯而造成浪费，聚少成多，那也将是个惊人的数字，也一样能达到很好的节能目的。电子技术还有效应用在舞台灯光照明控制系统中，舞台灯光不仅要照亮演员，让观众看清面部表情、神态和动作，更重要的是充分运用照明技术，调动灯光操作等手段来强化艺术效果，使观众有身临其境之感。通过研究电子技术在灯光照明控制中的应用，使我们了解到电子技术
5、是一项很实用的技术、它既方便了我们的生活也节约了社会能源，使我们的世界变的多姿多彩。0.3 论文组织结构第一部分：绪论。介绍了论文的选题背景、主要内容和研究意义。第二部分：电子技术在LED的通用照明和智能控制中的应用 。第三部分：电子技术在小区楼宇灯光照明控制中的应用。第四部分：电子技术在舞台灯光照明控制中的应用。第五部分：总结语。第六部分：致谢语。第七部分：附录。列举论文中涉及的一些程序及原理图。河南机电高等专科学校毕业设计/论文3第1章 电子技术在LED的通用照明和智能控制中的应用 1.1 LED照明基本概述LED照明有许多独特的地方，主要表现在：从结构上看，传统照明的光源和灯具是分离的，
6、而LED照明在结构上可以实现配光、散热及灯具的一体化设计，从功能上看，只有少部分的传统照明可以实现调光，而LED照明不仅能实现亮度的调节，还能实现色彩与色温的调节。此外，LED照明比传统照明方式更适合智能化与数字化的控制，组成复杂的照明系统。基于LED照明的这些特性，大体上可以给出二种模型，分别针对LED的通用照明、LED照明的智能控制，来说明电子信息技术在LED照明中一些应用。1.2 LED照明的两大模型1.2.1、模型一：电源+光源现代电光源的工作本质就是将电能转化为光能，同时伴随一定的散热。所以，LED的通用照明模型中就只包括电源和光源两部分。在这种模型下，只能实现照明的开关控制，不能实
7、现照明的调光、通信、反馈等功能。电源具体是指AC-DC恒流型开关电源。AC-DC是指交流到直流的转换，因为LED实际上是一个半导体二极管，它是在直流电压下工作的。LED还有一个特性就是其工作电流近似值是工作电压的指数函数，电压的微小波动就会引起电流的巨大变化，严重时会直接烧毁LED,所以要保证LED的安全工作，必须使其工作电流恒定。通常家用电器的电源都是恒压的，LED的特性决定了它要采用恒流电源。为了提高LED工作的可靠性，我们一般要采用隔离型的开关电源，实现LED与市电电网的有效隔离。和开关电源相对应的，还有一类叫线性电源，现在已经很少使用了，因为开关电源在效率和体积上更占优势。现在的开关电
8、源技术，能将转换效率做到85%甚至更高，功率因数0.95以上，总谐波在15%以内。这些指标也是我们选择开关电源的基本要求。河南机电高等专科学校毕业设计/论文4光源就是LED芯片，这是LED照明的核心元件。除了工作电流、管压降等电学参数外，我们更关心的是它的光学指标，如光通量、光效、色温、显色指数、光衰等等。LED的光学性能与其温度密切相关，温度的升高会引起光效降低、色温漂移、寿命下降等问题，因此散热技术在LED照明中尤为重要。热力学知识告诉我们，物体的散热只有三种方式：传导、对流和辐射。由于LED芯片只是固定的发出某种波长的可见光，所以不存在红外辐射散热。在LED中，主要是传导散热，同时伴随一
9、定的对流散热。减少LED的热传导环节和降低每个环节的热阻，必要时采用强制风冷，都是散热设计中的考虑因素。1.2.2模型二：电源+控制+光源模型二比模型一多了一个控制模块，这就大大丰富了LED照明的功能。如果说模型一只是一个照明产品，那么模型二可以说是一个照明系统了。由于加入了控制模块，电源就变成恒压型开关电源了，但是LED光源的工作还是需要恒流型电源，这部分（恒流驱动）我们放在控制模块中一起实现了。下面，我们重点分析一下LED照明的控制系统。1.3 LED照明的控制系统1.3.1 LED照明的控制系统概述LED照明的控制系统，可大可小，功能丰富。如：无线遥控调光系统、色温可调照明系统、RGB调
10、光调色系统、模拟日光照明系统、带DALI协议的智能照明系统、基于ZigBee和GPRS的无线路灯控制系统等。透过现象看本质，所有这些照明控制系统，都是利用电子技术领域中的嵌入式技术、通信技术、传感器技术、计算机技术以及电力电子技术等发展建立起来的。看似纷繁复杂化，其实有据可循。为了理清脉络，我们可以将LED照明控制系统分为8个层次，逐层阐述。如果我们能够把每个层次的技术方案做好，那么任何复杂的控制系统我们都可以像“搭积木”一样，轻松的实现。1.3.2 LED照明控制系统的8个层次河南机电高等专科学校毕业设计/论文5LED照明控制系统的8个层次由底向上依次为：供电层、驱动层、光层、感器层、议层、
11、信层、作层、统实现层。1、供电层供电层为整个控制系统提供高效稳定的直流电源。与LED光源工作需要的恒流电源不同，控制系统的工作需要的是恒压电源。供电层的电源获得有两个途径：一是从LED照明灯具上的恒压电源上获取，这是一个DC-DC（直流到直流）转换，因为灯具上的恒压电源的电压通常很高，而控制系统的电压很低，所以要做一个从直流到直流的降压转换；二是从交流市电获取，这是一个AC-DC（交流到直流）转换，为了安全，通常也要做成隔离型的开关电源，因为控制系统的功耗通常很低，所以这里的恒压电源对转换效率的要求就不是很高。2、驱动层前面提到，模型二中电源部分是恒压源，而LED光源的工作需要恒流源，因此，在
12、控制系统中要有一个恒流驱动模块，为LED光源的正常工作提供恒流源。在恒流驱动的设计上，一般是采用专用的驱动芯片，并配合一定的外围电路。驱动芯片的输出端通常是带有一串LED,输出的恒定电流就是LED的工作电流。输出的电压范围越高，可带的LED数量就越多。也有例外的情况，输出端要并联多串LED,这时，我们要给每串LED串联一个小电阻来实现电流的分流。驱动芯片一般还有一个PWM（脉冲宽度调制）的端口，用于实现调光控制，这是实现智能照明的基础。恒流驱动方案的优劣，直接关系到LED照明的可靠性和使用寿命。因此，对LED驱动技术的研究，尤为重要。3、调光层LED照明之所以容易实现智能控制，是因为它容易实现
13、调光控制。所有智能化功能的体现，都是通过调光功能实现的。对于LED照明调光的理解，不能只限于调节光的亮度，还包括对LED色温和色彩的调节。这也正是LED照明能够颠覆传统照明的一个主要因素。调光技术的实现方式，有模拟和数字两种。其中，数字调光主要是通过PWM（脉冲宽度调制）技术实现的，它是现在LED调光方案的主要手段。PWM信号可以通过对微控制器的编程实现，产生不同的占空比，从而实现LED照明的调光。设计一款LED“三调”（亮度、色温、色彩）功能的集成方案，是这个层次的研究重心。河南机电高等专科学校毕业设计/论文64、传感器层前面讲到的驱动层和调光层，是从系统输出的角度分析的。显然，传感器层就是
14、智能系统的输入了。它就像智能系统的眼睛和耳朵，能够感受外部环境的变化，并把这些变化转化成电学信号，传递给智能系统的大脑-中央处理器，进行分析和处理。在照明控制领域，我们关心的传感器主要有：光敏传感器，采集自然光的亮度信息；人体传感器，检测灯具附近是否有人的存在；温度传感器，采集外部环境的温度信息；还有对系统工作时的电流电压等数据的采集和分析。5、协议层没有规矩不成方圆。要实现智能照明系统的内部各个模块间的有序协调工作，必须有一套完善的“规章制度”,用来传达指令和执行操作。这套制度就是智能系统的协议。在目前的照明行业中，有两套比较成熟的协议，一是照明通信中的DALI（数字可寻址照明接口）协议，另
15、一是实现RGB色彩控制的DMX512协议。遗憾的是，这两套协议都不是为LED照明量身定做的。对于LED照明控制相关协议的研究，现在也是一个热点，国际上还没有统一的标准。这对我们来说，也许是个机遇！6、通信层在电子信息领域，协议的传输，是以通信技术为载体来实现的。LED照明中通信，主要有三种方式：总线方式、电力线载波方式和无线射频方式。总线方式，以其技术成熟，可靠性高，组网简单，成本适中等优点，是目前应用最多的通信手段，如RS485总线。电力线载波方式，是通过交流电网来传递协议，免去了重复布线的成本，应该说是一种优秀的通信手段。但是，它对电网的质量要求很高，鉴于目前我国电网的谐波污染很严重，这种
16、方式是否适合我国国情，还有待考证。无线射频方式，现在最热门的技术是ZigBee.它是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术。7、操作层这个层次实现了用户和系统的信息交互。对于人机交互软件的设计，操作简单，界面友好，便于维护和升级，应该是首要考虑的因素。按照应用的场合不同，交互软件可分为两大类：一类运行于嵌入式系统；另一类运行于PC机。8、系统实现层河南机电高等专科学校毕业设计/论文7在这个层次，我们是对控制系统做全局的分析和设计，利用前面7个层次的研究成果，完成整个系统的搭建。也就是说，这个层次的设计是以前面7个层次为基础的，是对前7个层次研究成果的综合。第2章 电子技术在小区楼宇灯光照
17、明控制中的应用2.1 电子技术在小区楼宇应用中的整体描述在我们生活的小区和工作的办公楼等地，每到晚上我们上下楼梯时，只要我们用手轻轻一摸开关上的按钮，灯就亮，人走后没一会灯又自动熄灭；或是天黑走过楼梯通道时，当有脚步声或其它声音时，楼道灯会自动点亮，提供照明，当人们进入房内或离开楼梯，楼道灯延时几分钟后会自动熄灭。在白天，即使有声音。楼道灯也不会亮。之所以出现这种效果，这要归功于现代科学技术的发展，其中很重要的一点，就是现代电子技术的发展和创新。它主要是利用一些电子元件，应用数字电子技术的逻辑器件设计电路进行控制的。2.2 小区楼宇中电子开关的种类电子开关的种类很多，有触摸式延时开关、声光控延
18、时开关、光电感应开关、红外线感应开关等。前面讲的楼道灯就是安装了触摸式延时开关和声光控延时开关这两种新型的电子开关。河南机电高等专科学校毕业设计/论文82.3 工作原理2.3.1 触摸式延时开关这种开关的工作原理其实很简单，它就是由电源电路、晶闸管（可控硅）开关电路、延时电路等几部分组成一个自动开关控制电路。平时，整个电路处于断开状态，灯不亮。当人手触摸一下电极（开关外壳上的金属片）时，人体泄漏电流形成回路，产生一个触发电压，使得电路中的触发器发生变化，开关开通，灯亮，同时给延时电路中的电容充电。人手拿开后，电路失去触发电压，开关断开，此时电容向外放电，即延时电路发生作用，延长一段时间后，即电
19、容电量放尽，灯灭。若要延长或缩短延时时间，可以增大或减小电容数值来实现。2.3.2 声光控延时开关顾名思义，声光控延时开关就是利用声音和光来控制开关的“开启”，若干分钟后延时开关“自动关闭”。这种开关在电路中增加了一些与门电路、话筒和光敏电阻，由光控电路、声控电路和延时电路三大部 分构成。简单地说，就是利用话筒接收声音信号（脚步声、掌声等）并转换成电信号，经过耦合、放大等处理后，变为电子开关的开关动作。白天光线较强时，光敏电阻阻值很小，两端电压几乎为零，整个电路不具备光控条件，电子开关呈断开状态，此时，即使有再大的声响，灯也不会亮；夜晚光线较弱时，光敏电阻阻值很大，两端电压高，光控电路呈导通状
20、态，当有外界声音信号时，经过声控电路的处理，电子开关闭合，灯亮，然后通过延时电路的作用，持续一段时间后，开关断开，灯灭。从声光控开关的结构上分析，开关面板表面装有光敏二级管，内部装有柱极体话筒（或其它样式的放射）。而光敏二极管的敏感效应，只有在黑暗时才起到作用。也就说当天色变暗到一定程度，光敏二级管感应后会在电子线路板上产生一个脉冲电流，使光敏二级管一路电路处在关闭状态，这时在楼梯口等处只要有响声出现，柱极体话筒就会同样产生脉冲电流，这时声光控制开关电路就连通起作用。2.4 电子技术在灯光控制中的应用趋势河南机电高等专科学校毕业设计/论文9长期以来，多数建筑物都是采用传统的照明控制方式，部分楼
21、宇也只是象前面所讲的那样，利用一些电子开关实现简单的区域照明和定时开关功能。随着社会的发展和经济的进步，人们对工作和生活的环境要求越来越高，不再满足于简单的照明，而是力求舒适、节能、环保，从质量的层面提出了更高的要求，这就催生出了智能照明系统这一全新的概念。2.5 智能照明系统所谓智能照明系统， 概括地说就是利用电子等现代高科技技术，不断改进灯具设备，利用电脑系统对整个照明系统实行智能化、人性化管理。为了适应各种建筑的结构布局以及不同灯具的选配，从而实现照明的多样化控制。现有的智能照明控制系统主要分为中央集中控制系统及区域式控制系统两种。以我们日常工作的办公楼为例，按照功能区域划分，通常会有办
22、公区、厅、会议室、多功能厅等，各个功能区域的照明具有不同的特点。办公区域照明使用的光源主要是荧光灯与白炽灯，其中荧光灯多用于一般照明，白炽灯多用于局部照明，照度水平的设计主要取决于视觉的需要。办公区域的工作时间主要是在白天，可以考虑利用自然光进行照度补偿，不仅能节约能源，更能维持室内舒适的视觉环境。对于一个完整的办公楼智能照明控制系统来说，办公区是办公楼的主要组成部分，采用智能照明控制系统，可使其照明系统工作在全自动状态。通过配置的“楼层管理器”按照自身实际情况，可根据时序预先设置若干基本工作状态，通常分为白天、午休、晚上和清扫等，根据预先设定的时间段可在各种状态之间自动进行转换。比如：上班时
23、间到，通过智能传感器，当有人进入室内时，系统自动将灯打开，并将光照度自动调节在设定的水平。天气阴暗，自然光线较弱时，室内灯会自动调亮，以始终保持室内恒定的亮度；天气晴朗，自然光线较强时，灯会自动调暗或关闭。午休时间，灯将自动变换到一个舒适、柔和的灯光场景，使工作人员能够很好地休息和放松，室内无人或自然光线较强时，灯自动关闭。当一个工作日结束时，在智能管理器的作用下，系统将自动地调暗（或关闭）各区域的灯光，进入晚间状态，同时智能传感器的动静探测功能将自动生效。当有人进入楼层办公时，人所到区域，灯自动调亮，无人区域或人离开后，灯自动调暗或关闭。系统处于清扫状态时，需打扫区域的灯保持基本的亮度，当清
24、扫人员扫到该区域时，智能传感器的动静探测功能自动生效，该区域的灯会亮起来，当清扫人员扫完该区域离开，延时一段时间后灯将自动关闭。随着科技的发河南机电高等专科学校毕业设计/论文10展，现代智能照明技术必将日趋成熟并体现出强大的优越性，它在智能建筑中的应用也将越来越广泛。2.5.1 智能照明系统的优势1、实现了照明控制智能化。采用智能照明控制可以使建筑照明系统工作在全自动状态， 系统将按预先设定的若干基本状态进行工作。这些状态会按预先设定的时间自动进行切换，并将照度自动调整到合适的水平。无论在什么场所，什么时间，无论是晴天还是阴天，系统都会利用自然光，自动降低或是提高照度水平，以保证各区域照度维持
25、在预先设定的水平，维持最合适的照度。2、能够改善工作环境，提高工作效率。良好的工作环境是提高工作效率的一个必要条件。良好的设计，合理地选用光源、灯具及优良的照明控制系统，都能提高照明质量。智能照明控制系统以调光模块控制面板代替传统的平开关控制灯具，可以有效地控制各房间内整体的照度值，从而提高照度均匀性。同时，这种控制方式内所采用的电气元件也解决了频闪效应，不会使人产生不舒适、头昏脑胀、眼睛疲劳的感觉。3、场景变换灵活。采用智能照明控制系统可预先设置不同的场景于模块中，在需要时只要对相应的控制面板进行操作既可调入相应的场景模式。用户可以通过可编程控制面板对场景进行调节以适应不同的场景要求。另外，用户还可以通过可编程接口用便携式编程器进行不同场景的变换设置。4、延长灯具寿命，降低维修工作量。灯具损坏的主要原因是电网过压，智能照明控制系统采用软启动的方式，控制电网冲击电压和浪涌电压，使灯丝免受热冲击，使灯具寿命提高2 倍以上。
