紅外反射型教室節(jié)電照明控制器的設(shè)計(jì)與制作

摘 要:紅外反射型教室節(jié)電照明控制器是針對(duì)目前大多數(shù)學(xué)校在照明上所存在的能源消耗的問(wèn)題而設(shè)計(jì)出的新型節(jié)能控制器。當(dāng)教室光照強(qiáng)度沒(méi)達(dá)所要求值，若教室里面有人的時(shí)候就開(kāi)燈，反之就不開(kāi)燈，且教室多媒體開(kāi)啟時(shí)不管當(dāng)時(shí)的燈是開(kāi)啟還是沒(méi)開(kāi)啟都將使燈關(guān)閉。

關(guān)鍵詞:教室節(jié)電照明 紅外反射傳感器 方向識(shí)別 計(jì)數(shù)器 電流檢測(cè)

中圖分類號(hào):TM923文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)04(c)-0082-02

1 課題目的和現(xiàn)實(shí)意義

處理好節(jié)約能源資源，保護(hù)環(huán)境與促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中必須面對(duì)的一個(gè)重要問(wèn)題。雖說(shuō)我國(guó)面臨著巨大的能量危機(jī)，但是當(dāng)前我國(guó)的節(jié)能形式并不樂(lè)觀。進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程明顯加快，2004年到2009年，國(guó)民經(jīng)濟(jì)連續(xù)5年保持兩位數(shù)增長(zhǎng)，但高能耗、高投入的粗放增長(zhǎng)方式使得電力的供需矛盾日益加劇，生產(chǎn)更多的電即意味著要消耗更多的煤、石油、天然氣、核原料等不可再生資源，還會(huì)帶來(lái)許多相應(yīng)的環(huán)境問(wèn)題。高校作為培養(yǎng)高素質(zhì)人才的搖籃，提倡節(jié)約的意義更加重大而深遠(yuǎn)。目前大多數(shù)學(xué)校教室照明基本存在一些問(wèn)題，如負(fù)責(zé)教室燈光的管理人員不能按時(shí)去檢查當(dāng)不需要照明時(shí)教室里的燈是否已關(guān)閉，或是有些學(xué)校從沒(méi)有安排管理人員。因此，教室照明節(jié)能絕不是微不足道的，即使單從經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看，也是大有可為的。雖然各地高校被拉閘限電的現(xiàn)象發(fā)生較少，但隨著燃煤和石油價(jià)格的年年攀升，勢(shì)必會(huì)帶來(lái)發(fā)電成本的增加，因此節(jié)約電能不僅有利于社會(huì)，也有利于高校本身。

2 課題研究狀況及發(fā)展趨勢(shì)

目前市場(chǎng)上的節(jié)電開(kāi)關(guān)有很多，像光控開(kāi)關(guān)、紅外感應(yīng)開(kāi)關(guān)、觸摸開(kāi)關(guān)、聲控開(kāi)關(guān)，或是四者中的幾種結(jié)合起來(lái)[6]。但這些開(kāi)關(guān)都存在著一些弊端，光控開(kāi)關(guān)在教室光線較暗時(shí)不管教室里面有沒(méi)有人都將一直保持亮;紅外感應(yīng)開(kāi)關(guān)則是只能檢測(cè)活動(dòng)的人體，如裝在教室里時(shí)，若幾分鐘內(nèi)沒(méi)有學(xué)生在教室里走動(dòng)則燈光自動(dòng)熄滅。而聲控和觸摸開(kāi)關(guān)安裝在需要保持安定的學(xué)習(xí)環(huán)境的教室里顯然也是不合理的。而且現(xiàn)在大多數(shù)學(xué)校教室都已經(jīng)安裝或?qū)⒁惭b多媒體主要是投影儀，一般當(dāng)用到多媒體時(shí)，為了方便觀看，我們都將使室光線盡量保持較低狀態(tài)，這時(shí)教室里的燈會(huì)關(guān)閉。如果設(shè)計(jì)的產(chǎn)品安在教室里可以自動(dòng)的識(shí)別在需要開(kāi)燈時(shí)就自動(dòng)開(kāi)燈，不需要時(shí)就關(guān)閉，這就實(shí)現(xiàn)了安在教室里內(nèi)節(jié)電開(kāi)關(guān)的高效化、自動(dòng)化、人性化[7]。

3 本課題的主要研究?jī)?nèi)容和方法

根據(jù)目前的教室節(jié)電的必要性和市場(chǎng)上的各種節(jié)電產(chǎn)品的缺陷提出了本課題。本課題主要研究教室節(jié)電照明。它是利用紅外反射傳感器作為關(guān)鍵器件實(shí)現(xiàn)教室里有無(wú)人員的檢測(cè)。當(dāng)教室里面有人且無(wú)論是否活動(dòng)，自然光光照足夠時(shí)不照明，反之，光照不夠時(shí)照明。且還有一個(gè)約束條件，多媒體開(kāi)啟時(shí)無(wú)論當(dāng)時(shí)教室燈是開(kāi)啟還是關(guān)閉都將不照明。其重點(diǎn)研究的問(wèn)題就是教室里是否有人的判和多媒體工作狀態(tài)的檢測(cè)。具體究研時(shí)先確定整個(gè)系統(tǒng)流程，并根據(jù)流程來(lái)分塊板設(shè)計(jì)。然后通過(guò)各板塊之間的關(guān)系將整個(gè)電路合并為一體進(jìn)而控制日光燈。

因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的電路的主要功能是①利用紅外反射實(shí)現(xiàn)人員檢測(cè);②自然光光照足夠時(shí)不照明，光照不夠時(shí)如果有人時(shí)不論是否活動(dòng)都照明，無(wú)人不照明;③附加約束條件，多媒體開(kāi)啟時(shí)不照明。所以依照電路的各個(gè)功能可以將系統(tǒng)分為人數(shù)檢測(cè)部分、光控部分、多媒體工作狀態(tài)檢測(cè)部分等板塊，并對(duì)它們分別進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)。

4 各部分電路的方案設(shè)計(jì)

4.1 人數(shù)檢測(cè)方案的設(shè)計(jì)

由于本設(shè)計(jì)是利用紅外反射來(lái)實(shí)現(xiàn)人員檢測(cè)的，所以要獲得教室中是否有人的信息需要的核心元件為紅外反射傳感器。紅外反射傳感器的工作原理是由傳感器前方障礙物將紅外發(fā)射探頭發(fā)射出去的紅外線反射回來(lái)并通過(guò)紅外接收探頭接收來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感的。但這種傳感器都有一定的檢測(cè)范圍，可以通過(guò)調(diào)節(jié)它的靈敏度來(lái)調(diào)節(jié)它的檢測(cè)范圍。對(duì)于教室里人數(shù)檢測(cè)可以用兩個(gè)紅外反射傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。假設(shè)走廊和教室間通道寬a米，將兩個(gè)紅外反射傳感器的檢測(cè)范圍調(diào)至只能檢測(cè)a米內(nèi)的障礙物，然后把這兩個(gè)傳感器安裝在教室入口處如圖1所示。我們可以根據(jù)兩個(gè)紅外反射傳感器的感應(yīng)先后來(lái)確定前方的障礙物是進(jìn)入還是出去教室。人對(duì)傳感器來(lái)說(shuō)也是障礙物，所以它可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)人的進(jìn)出情況。但僅由兩個(gè)紅外傳感器組成的電路本身不能自動(dòng)得出該結(jié)果，所以還需要將信號(hào)整形并加一個(gè)方向鑒別電路和計(jì)數(shù)器來(lái)計(jì)數(shù)。這樣教室里人數(shù)檢測(cè)方案就確定了，其方框圖如圖2所示。

4.2 光控電路方案的設(shè)計(jì)

對(duì)于光控功能的實(shí)現(xiàn)目前有很多的的方案可供選擇，如可以用光敏管、光電感應(yīng)器、光敏電阻。但是光敏管允許的電流太小，需要一個(gè)放大電路才能實(shí)現(xiàn)電路所需的功能，因而顯得有點(diǎn)麻煩。光電感應(yīng)器則在目前市場(chǎng)上價(jià)格有些偏高。因此，光敏電阻是最佳選擇，因?yàn)楦鶕?jù)光敏電阻的特性知它的阻值是隨著光照強(qiáng)度變大而變小的，故它不僅可以完全實(shí)現(xiàn)該電路的功能，而且成本很低。為了解決在教室里燈在亮暗轉(zhuǎn)換的時(shí)候閃爍不定的問(wèn)題，在光控電路中可以加一個(gè)施密特觸發(fā)器。這樣就給燈亮暗轉(zhuǎn)換的時(shí)加入了一個(gè)緩沖區(qū)使得燈工作時(shí)更加的穩(wěn)定。

4.3 多媒體工作狀態(tài)檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

多媒體控制部分功能是當(dāng)多媒體開(kāi)啟時(shí)不管當(dāng)時(shí)的燈是開(kāi)還是關(guān)都將保持關(guān)閉。教室里的多媒體也即投影儀。雖然將投影儀內(nèi)部的某根電線的電流引出來(lái)就很容易的達(dá)到目的，但這個(gè)設(shè)計(jì)的本身就是一個(gè)產(chǎn)品，它和投影儀的關(guān)系就如機(jī)頂盒跟電視機(jī)的關(guān)系，我們不能對(duì)多媒體進(jìn)行任何改裝，故這個(gè)方案排除。我們還可以想像，當(dāng)投影儀工作時(shí)其提供交流電的電線上必然會(huì)有交流電流通過(guò)，也就很容易就想到要檢測(cè)投影儀是否在工作只須檢測(cè)提供投影儀電力的電線上是否有電流通過(guò)就行。因?yàn)槭墙涣麟姡手豁殞⑻峁┩队皟x電力的兩根電線中的一根電線上接入一個(gè)互感線圈或者一個(gè)變壓器就可檢測(cè)出多媒體是否在工作。這個(gè)方法雖然可行但有一個(gè)前提，就是不管接入的是互感線圈還是變壓器都必須是阻抗非常小，不能影響投影儀的正常工作。

5 系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì)

根據(jù)各部分電路方案的確定可以得出整體方案。首先是人數(shù)檢測(cè)部分是將兩個(gè)紅外反射傳感器一前一后安裝在進(jìn)出通道上如圖1所示。若前方有人通過(guò)，紅外反射傳感器就會(huì)輸出一個(gè)信號(hào);若前方?jīng)]有人通過(guò)，則無(wú)信號(hào)輸出。而人經(jīng)過(guò)門口時(shí)是進(jìn)還是出會(huì)使兩個(gè)紅外反射傳感器出現(xiàn)的脈沖順序不同。然后將信號(hào)經(jīng)過(guò)整形后送入方向識(shí)別電路中，使得當(dāng)人進(jìn)入或是出去會(huì)輸出不同電平信號(hào)。然后分別將兩個(gè)信號(hào)接至加/減計(jì)數(shù)器的加計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入和減計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端，進(jìn)而記錄教室里的人數(shù)。光控部分是通過(guò)一個(gè)光敏電阻和施密特觸發(fā)器構(gòu)成的電路，當(dāng)光線較強(qiáng)時(shí)輸出低電平，光線較弱時(shí)輸出高電平。多媒體工作狀態(tài)檢測(cè)電路則是通過(guò)一個(gè)線圈來(lái)檢測(cè)多媒體是否在工作，當(dāng)多媒體開(kāi)啟時(shí)線圈會(huì)檢測(cè)出電流進(jìn)而使輸出端輸出低電平，而平時(shí)則輸出高電平。最后將計(jì)數(shù)部分，光控部分和多媒體控制部分通過(guò)一些邏輯關(guān)系用邏輯門連起來(lái)控制一個(gè)電磁繼電器進(jìn)而控制教室里的燈。整個(gè)電路所需的電壓電流都由直流電源部分提供。其整體方框圖如圖3所示。

6 總體電路

總體電路則是將人數(shù)檢測(cè)電路部分的輸出OUT1、光控電路部分的輸出OUT2、多媒體控制電路部分輸出OUT3通過(guò)一個(gè)與門控制一個(gè)繼電器進(jìn)而來(lái)控制日光燈見(jiàn)附錄1所示。圖中R1為限流電阻。只有當(dāng)OUT1、OUT2、OUT3都輸出高電平時(shí)與門輸出高電平使得繼電器上有電流才能使日光回路閉合，日光燈開(kāi)啟。也就是說(shuō)只有當(dāng)教室有人且光線不足還有多媒體沒(méi)開(kāi)時(shí)日光燈會(huì)亮，反之則不亮。該電路經(jīng)過(guò)Multisim仿真，結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]華成英.模擬電子技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2006.2.全書(shū).

[2]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社，2006.5.全書(shū).

[3](美)John F.Wakerly.數(shù)字設(shè)計(jì)原理與實(shí)踐.機(jī)械工業(yè)出版社，2003.8全書(shū).

[4]王爾乾，楊士強(qiáng)，巴林鳳.數(shù)字邏輯與數(shù)字集成電路.清華大學(xué)出版社，2006.11.全書(shū).

[5]俞虹.節(jié)能燈光控開(kāi)關(guān)[J].無(wú)線電，2006年，第10期:62頁(yè).

[6]張曉東.多用途紅外線反射開(kāi)關(guān)TX05D及其應(yīng)用(下)[J].電子世界，2001年，第2期:第44頁(yè).

[7]田文俊，田華.介紹一種可逆計(jì)數(shù)器[J].水文，1996年，第6期:第56頁(yè).

“本文中所涉及到的圖表、公式、注解等請(qǐng)以PDF格式閱讀”