本科毕业设计（论文）开题报告

（学生填写）

1、本课题的研究意义，国内外研究现状和发展趋势

1.1 课题研究意义

随着信息技术的飞速发展和社会的不断进步，大功率 LED 照明应用的普及，人们对 LED 照明的高效控制和功能多样化的要求也不断提高，LED 智能照明系统越来越普及。LED 智能照明系统充分利用电子信息技术和计算机网络技术将阅览室内的各种 LED 照明器具有机的连接在一起，实现有效的管理和控制。

我们所设计的系统以 microchip 的 PIC 芯片为核心，通过算法设计将光传感器所收集的信息（环境亮度）进行处理，与预设亮度进行比较后，给出足够产生补偿光的驱动信号，LED 灯的驱动芯片接收信号后产生补偿亮度，并且反馈当前的亮度值继续与预设亮度进行比较， 可以随环境亮度的改变进行动态调光。根据阅览室内的不同位置（自然亮度不同）给予不同的亮度补偿，已达到整个阅览室的均匀亮度。

1.2 国内外发展现状和发展趋势

国内外对 LED 智能照明控制系统的研究十分活跃，目前已经有很多的控制系统，主要如下：

①BAS 照明控制系统: 通过对每个照明回路中接触器的开关控制来实现对整个车站照明系统的自动控制。[1]

②EIB 智能照明控制系统：EIB 智能照明控制系统是全数字、模块化、分布式总线型控制系统，它将控制功能分散给各功能模块，中央处理器和各功能模块之间通过网络总线直接通信。EIB 智能照明控制系统中所有单元器件（除电源外）均内置微处理器和存储单元，采用二线制的总线型式，由 1 对信号线（双绞线）连接成网络。采用单元地址化结构，根据系统的等级结构和应用控制器的功能赋予每个功能部件相应的物理地址，控制命令通过总线传递到对应的地址，达到控制目的。

③ ANMINGSI 照明控制: 采用 ANMINGSI-anbus 总线形式，所有执行器由 NMINGSI-anbus 总线电缆连接，执行器可执行各控制器发送的执行命令（分布式控制），同时也可以直接由中央控制计算机通过 LAN 与 IP 网关相连接进行控制，避免了因局部模块出现故障而失控。通过 LAN,整个智能照明控制系统可与楼宇自动化系统连接达到系统集成的效果。[2]

④松下全二线智能照明控制系统: 松下公司的全二线照明系统是用信号的形式在不同地点之间传送命令。它从集中控制着手，采用 CPU 作为中央控制单元，用 2 根 24V 的信号线实现照明控制。[3]

⑤基于分时多路传输算法的照明控制系统：这是一种新型的分布式照明控制系统（为楼宇自动化而设计），所有的被调照明控制终端通过双电力线与中央控制单元相连接，同时提供电力和信号给每个分布式终端，数据的传输是通过分时多路传输算法。使用这种算法的分布式照明控制系统可以达到低成本、节能，并且增强了照明控制系统的可靠性[4]。

⑥基于工业无线技术的智能照明控制系统：是互联网络的典型应用，它使用三点控制技术（three-point-control technology）调节灯的亮度、开闭灯并且能够进行故障检测[5]。

⑦集成高动态范围成像和 DALI 的照明控制系统：使用成本很低的图像传感器、光传感设备以及高动态范围成像技术（High Dynamic Range imaging,一种计算机图形技术）组成的系统，通过这种技术可以大范围的对亮度进行评估，单个的传感器即可同时估计多个地点照

度水平。校正程序可以从图像中分理处空间照度的数据值，并且提供算法来控制单个灯具已达到不不同位置的不同目标照度。这种控制系统充分利用了数字技术的特征，包括数字图像处理技术和 DALI(Digital Addressable Lighting Interface)技术[6]。

⑧基于 zigbee 的照明控制系统：zigbee 无线传感器网络用来收集环境数据，并传送照明控制信号，环境数据作为模糊控制器的输入变量，并且为模糊照明控制系统建立 rule

database.这种系统具有使用、经济、节能等优势，并且特别适合于家庭应用[7]。

目前针对 LED 的智能照明控制系统主要采用模式设定和手动调节来控制光输出，根据感光变化来动态控制的成熟系统较少，而且整个系统比较庞大，使用维护成本都很高，不利于在简单的家庭应用中推广。因此研究结构简单、控制方便的小型自适应照明控制系统，可以更好地在小型照明应用场合推广，能够更好地发挥 LED 照明的节能优势

2、主要研究内容

2.1 主要任务（与任务书一致）：

2.1.1 设计一个 LED 智能照明控制系统：

① 硬件设计

②软件设计

③仿真

2.1.2 基本要求（与任务书一致）

①图纸

②字数

③文献

2.1.3 预测研究难点及拟采取的措施

①难点：

1）。。。。 a…………

②拟采取的措施：

1）。。。。 a…………

2.2 目标：

2.2.1 根据环境变化自动调整照度

传统光源的自适应照明调光系统，是以灯具中的电流或是电压为反馈信号的，可以使灯具工作在稳定的电流或是电压环境下，但是很少能够对光源所处的环境的照明情况的变化而做出调整。该系统根据环境自适应调节，满足照度要求。

2.2.2 照明系统节能和智能

试图探究 LED 环境亮度自适应电路，从而使得照明系统趋向于智能化，即通过巧妙、精细的电路，可以使得 LED 灯具在不同亮度的室内环境下发出不同亮度的光，最后使得使用者的工作区域（如写字台周围，会议桌周围等）的照度总可以达到使用者设定的照度值， 用比较少的电能最大限度地满足使用者的光照需求，达到照明系统节能和智能的效果。

本科毕业设计（论文）开题报告

3、研究思路和方案。

3.1 研究思路（技术路线）

关于环境自适应的 LED 调光电路的控制模型如下

系统原理框图

基本思路是，在室内放置多个感光探头 TSL2561，采集室内环境中的亮度，将光信号转化为电信号；输入到控制模块，计算出照度值。将测得的照度值和设定的初始照度进行比较， 通过 MICROCHIP（MC）公司的 PIC 芯片，计算产生合适的 PWM 调制信号，从而分别调节每个 LED 灯具的亮度，对照明场所内的不同位置（自然亮度不同的区域）给予不同的亮度补偿，最终使得整个工作区域达到均匀的亮度。

由于在这个照明控制系统中，感光元件周围区域的照度保持高度一致，若将几个感光探头放在室内的工作区域，既可以保证工作区域的照度满足要求，又可以减少电能的损耗，满足智能照明的需求。而且感光元件的位置可以移动，使得该照明控制系统可以灵活地应用于不同大小的照明场景。

3.2 具体方案（研究方法）如下：

3.2.1.照明控制系统硬件设计

①设计感光电路，使其能够在室内比较准确地取到多个点的照度来表征室内环境的采光

照度情况。将光信号转化为电信号。照度的计算是由控制芯片完成的。

考虑使用 TSL2561 感光芯片，将光照强度信号变成数字信号，传输到单片机进行数字信号处理。

TSL256 1 感光芯片的数字输出符合标准的 I2C 总线协议;模拟增益和数字输出时间可编程控制;1. 25 mm ×1. 75 mm 超小封装,在低功耗模式下,功耗仅为 0. 75 mW;自动抑制 50 Hz/

60 Hz 的光照波动[8]。内部结构如下图所示：

TSL256X 内部结构图

②LED 主电路

为了使 LED 灯方便被控制电路控制，我们需要选择合适的 LED 调光电路。对于灯的调光，一般可以通过以下几种方式：

a 通过调节和灯串连的可变电阻或者可变电感的方式。缺点是电阻会消耗很大的能量， 因此效率不高。

b 利用可变的变压器给灯供电，调节可变电压器的输出从而调节灯的输出。缺点是变压器的个头和重量都很大。

c 在电路中利用可控硅来调节供电电流，小而且便宜。缺点是很难实现数控调光；

d 在电路中利用电感线圈和灯串连，通过增加电流频率增加电感感抗，减小灯输出。频率调光的效率比较高，也可以进行数字控制。

e PWM 调光方式，通常应用于直流电源中对钨丝灯泡等线性负载的调光。它具有电路简单、成本低廉，调节精度高灯优点[9]。

考虑到我们的项目需要对 LED 灯进行比较精确的控制，因此我们选择 PWM 调光方式。对 LED 供电的可调光电路的主电路图，我们用 protel 软件编辑如下图所示，采用凌特公司的高亮度 LED 驱动芯片 LT3491 芯片[10]，对 LED 灯进行驱动，驱动芯片的 PWM 信号由控制电路的芯片来提供。输入电压由市电经过滤波，整流，降压，功率因素校正得到。

③LED 控制电路，将感光探头得到的光照度和设定的初始光照度进行比较处理，在MICROCHIP(MC)芯片中产生 PWM 信号，控制 LED 主电路的开关管，从而对 LED 灯具进行调光控制。：

由于至少要接受 4 个感光探头的信号和输出 4 个 PWM 信号，所以我们选用 MICROCHIP 公司的高性能的单片机 PIC18F87J11 系列[10]，它内部有 5 个 PWM 控制模块，4 个 PWM 输出通道，外部有 64 个引脚，采用 8 位或是 16 位接口，足够满足我们的控制电路需求。

④硬件连接

微型控制器与感光芯片 TSL 的连接图如下图：

微型控制器与感光芯片 TSL 的连接图

感光芯片 TSL2561 可以通过 I2C 总线访问，所以硬件接口电路非常简单。我们选用的 MC

微型处理器带有 I2C 总线控制器，只需要将该总线的时钟线和数据线直接与 TSL2561 的 I2C 总线的 SCL 和 SDA 分别相连；但在编程时需要通过 I2C  总线的时序来访问 TSL2561  ，INT 引脚接微型控制器的外部中断。由于我们的项目中有多个感光探头，电路连接时需将各个探头的电信号通过各自的数据传输线连到 PIC 芯片的 I/O 接口上，下图显示光电传感器与控制芯片硬件连接情况。 3.2.2．照明控制系统的软件设计 ①对于感光芯片，我们需要对其编辑程序语言，给芯片初始化后，定义一些参数，如控 制字，积分时间，增益灯，使芯片可以稳定地检测环境中的照度，并且将照度值以一定的数据形式传输到计算比较控制模块的单片机中。 SL256X 感光芯片软件设计流程图 ②在控制电路中，输入初始的照度值。编辑算法，使得控制芯片对初始信号和采集信号进行比较，就算输出 PWM 信号，由于我们是用一个模块接收多个感光探头的信号和控制多个 LED 灯具，所以在这个步骤中，需要大量地测量环境照度，并且调试程序中的参数，从而最终使得该模块的功能达到预期要求，即控制模块可以根据感光探头的信号调整 LED 灯具的亮度，使得工作区域的照度基本达到设定的初始照度。
4、进度计划
序号	日期			进度安排
1	开题报告			2021 年 12 月 31 日前完成（含开题答辩）
2	实施调研/实验阶段			2022 年 1 月至 2 月自主调研/2022 年 2 月 21 日至 3 月 20 日实 验采集数据（1-4 周）
3	完成初稿			3 月 21 日至 4 月 17 日（5-8 周）
4	修改定稿			4 月 18 日至 5 月 20 日（9-13 周）
5	答		辩	5 月 21 日至 5 月 23 日（第 13 周周六至第 14 周周一）
报告人					日期	20	年	月	日