單片機控制的熱釋電紅外節(jié)能照明開關(guān)設(shè)計

鄭時春等

摘 要：該文設(shè)計一種利用熱釋電紅外節(jié)能照明開關(guān)，該節(jié)能照明開關(guān)通過單片機處理熱釋電紅外傳感模塊和光強檢測電路輸出的信號，準確判斷和控制無人時或者有人但自然光照強時關(guān)燈、有人但自然光照弱時開燈，實現(xiàn)照明控制智能化，最大限度減小學校等公共場所的用電浪費，真正實現(xiàn)節(jié)能的目的。

關(guān)鍵詞：熱釋電紅外模塊 單片機 用電器 光強

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（a）-0111-02

節(jié)能減排已刻不容緩，在綠色環(huán)保降低碳排放的倡議下，各種節(jié)能設(shè)備應(yīng)運而生，在不同的領(lǐng)域里取得了很大的成就。但在學校等公共場所的用電浪費仍然比較嚴重，經(jīng)常教室空無一人，燈和電扇等電器還在工作，有時天氣良好，室內(nèi)光線明亮，已滿足學習等活動的要求，而燈仍然還是開著。所以公共場所急需要一種智能控制的節(jié)能裝置。國內(nèi)有很多學者基于節(jié)能的目的設(shè)計了一些節(jié)能控制設(shè)備，其中利用熱釋電紅外模塊作為傳感器的節(jié)能控制設(shè)備是當前的研究熱點。文獻[1]利用STC單片機為核心，以熱釋電紅外模塊做傳感器設(shè)計了一種節(jié)能開關(guān)，文獻[2]以電力線為載波通信信道的LonWorks技術(shù)，利用自然光傳感器和人體紅外傳感器，分別檢測光強和教室人員狀況，自動調(diào)節(jié)教室照明系統(tǒng)，達到節(jié)能的目的。文獻[3]利用熱釋電紅外檢測器、光敏電阻和溫度傳感器采集數(shù)據(jù)，利用PWM調(diào)光技術(shù)，通過STC單片機處理后產(chǎn)生PWM信號，根據(jù)周圍環(huán)境情況自動調(diào)節(jié)LED照明的開關(guān)和亮度。文獻[4]基于C51單片機的教學樓智能照明系統(tǒng)，以光強檢測和熱釋電紅外人體測量電路構(gòu)成信號輸入電路，以C51單片機為控制核心構(gòu)成。熱釋電紅外傳感器是利用被檢測對象的相對移動來進行檢測的，上述這些文獻均未考慮在圖書館或教室等場所，人員處于相對靜止狀態(tài)時，熱釋電紅外傳感器模塊將不能做出正確的判斷。

鑒于此，我們設(shè)計出一款用熱釋電紅外模塊和光敏元件作為傳感器模塊，將傳感器模塊置于電動云臺上，用單片機控制云臺減速電機旋轉(zhuǎn)，當教室或圖書館等公共場所內(nèi)人員處于看書等相對靜止狀態(tài)時，減速電機自動旋轉(zhuǎn)，使熱釋電紅外傳感器獲得被測對象相對移動的信號，用單片機正確控制用電器的開啟與停止，減小誤操作，達到節(jié)約用電的目的。

1 熱釋電紅外傳感器工作原理

被動式熱釋電紅外傳感器靠接收物體的紅外輻射能量并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕脑＿@種紅外傳感器中包含兩個反向串聯(lián)的熱釋電元件，當被測對象熱紅外信號同時射到兩個敏感元件上時，兩個敏感元件的輸出信號極性相反，即為為差動信號相互抵消，沒有電壓輸出，這樣即可補償背景輻射等隨機噪聲產(chǎn)生的誤報[5]。其原理如圖1所示，在使用該傳感器是D端接電源正極，G端接電源負極，S為信號輸出端。當被測目標（比如人體）紅外輻射至傳感器時，安裝在傳感器前面的菲涅爾透鏡將其聚焦后加至兩個探測元上，從而使傳感器輸出電壓信號[6]。為了提高傳感器對特定波長范圍的紅外輻射有較高的敏感度，在傳感器窗口上加裝一塊干涉濾波片，如圖2所示。這種濾波片只能通過被探測目標的特定紅外輻射波，而將其它如燈光、陽光等紅外輻射濾掉。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

本裝置硬件由單片機、傳感器、輸出控制等三部分組成，電路原理如圖3所示。其中核心控制單元為AT89C2051單片機，其引腳功能如圖4所示，該單片機只有P1口和P3口兩個端口[7]，P1口是8位標準的I/O端口，P3口不但可以做普通I/O端口使用，而且還有第二功能，即兩個外部中斷、兩個全雙向串行通信口、兩個16位可編程定時計數(shù)器以及內(nèi)置一個模擬比較放大器。本設(shè)計利用I/O端口P1.0、P1.1、P1.2、P1.5、P1.6、P3.2完成傳感器信號的接收和控制信號的輸出，控制用電器即時開啟與關(guān)閉。

傳感器部分由熱釋電紅外傳感器模塊和光強檢測模塊兩部分構(gòu)成。熱釋電紅外傳感器模塊放置在可以左右旋轉(zhuǎn)的云臺上，它是由菲涅爾透鏡、熱釋電傳感元件、濾波電路、放大電路等部分構(gòu)成。該傳感器用于檢測人的移動，當有人移動時，輸出S端輸出高電平，當人不動或者無人時，輸出S端輸出高電平延時后跳到低電平。S端輸出的信號通過R1和Q2輸入到反相器Q1的基極，經(jīng)過Q1反相后送入AT89C2051的6腳，即I/O端口P3.2。光強檢測部分檢測室內(nèi)光照強度，由光敏電阻RG、Q2、可調(diào)電阻RP構(gòu)成。光敏電阻的阻值隨光照的強弱變化，光照強時阻值變小，反之阻值變大。可調(diào)電阻RP和光敏電阻RG構(gòu)成分壓電路，RG兩端的電壓加到Q2的基極，光照增強時RG兩端的電壓變小，光強達到一定強度時，Q2飽和導通，反之Q2截止，Q2的發(fā)射極接Q1的基極，Q2飽和導通時，旁路熱釋電紅外傳感模塊的信號，AT89C2051的P3.2始終保持為高電平，改變可調(diào)電阻RP，就可以改變RP和RG的分壓比，確保光照滿足需求時Q2飽和導通。

輸出控制部分由云臺減速電機左右旋轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)角度檢測模塊和用電器的啟閉控制模塊構(gòu)成。左右旋轉(zhuǎn)由AT89C2051的12腳和13腳控制，即I/O端口P1.0、P1.1。當P1.0和P1.1輸出均為低電平時，減速電機M不轉(zhuǎn)，當P1.0或者P1.1為高電平時，減速電機M左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)，P1.0、P1.1不能同時為高電平。行程開關(guān)K1、K2分別接入AT89C2051的17腳和18腳，即I/O端口P1.5、P1.6，用來檢測電機M左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)的最大位置，到達最大位置時停轉(zhuǎn)或者回轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。熱釋電紅外傳感模塊感應(yīng)角度約120°，距離7～10 m，電機帶動熱釋電紅外傳感模塊擴大偵測范圍，普通教室是完全在偵測范圍內(nèi)的，同時彌補了熱釋電紅外傳感模塊的一個不足，即在偵測范圍內(nèi)有人但人不動時熱釋電紅外傳感模塊是沒有輸出的，減速電機帶動云臺旋轉(zhuǎn)構(gòu)成熱釋電紅外傳感模塊與人的相對運動，熱釋電紅外傳感模塊輸出高電平。用電器的啟閉模塊由AT89C2051的14腳即P1.2控制，P1.2輸出為低電平時Q7飽和導通，繼電器KM得電，反之Q7截止，繼電器KM失電。K是空氣開關(guān)與KM構(gòu)成與門電路，K和KM同時閉合時用電器L1…LN得電工作。endprint

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件流程圖如圖5所示，系統(tǒng)上電后，由單片機控制云臺減速電機把熱釋電紅外傳感模塊轉(zhuǎn)動到正對門口區(qū)域，檢測是否有人進門活動，若有人進入且自然光照弱時，開啟用電器。當延時結(jié)束，如果人員處于相對靜止狀態(tài)或者不在偵測范圍內(nèi)，此時單片機啟動電機帶動云臺旋轉(zhuǎn)，使熱釋電紅外傳感模塊在一定的角度范圍內(nèi)掃描一次，造成熱釋電紅外傳感模塊與人的相對運動，若有人，熱釋電紅外傳感模塊再次輸出高電平并延時，若無人，關(guān)閉用電器，電機把熱釋電紅外傳感模塊轉(zhuǎn)動到正對門口區(qū)域，等待再次有人進門。當自然光照達到設(shè)定值時，一直關(guān)閉用電器。

4 結(jié)語

該文介紹一種以單片機為核心控制單元，利用熱釋電紅外傳感器和光強傳感器構(gòu)成的公共場所節(jié)能照明開關(guān)裝置。通過實驗驗證可以得出以下結(jié)論：

（1）本裝置可以準確判斷和控制無人以及有人但自然光照強時關(guān)燈、有人且自然光照弱時開燈，實現(xiàn)了照明控制智能化，真正實現(xiàn)節(jié)能的目標。

（2）因為熱釋電紅外傳感器只能對運動目標做出判斷，為了克服該不足，本設(shè)計利用單片機控制電動云臺的減速電機旋轉(zhuǎn)，使相對靜止的被檢測目標發(fā)生相對移動，該設(shè)計可以大大降低開關(guān)誤動的可能性。

（3）對本設(shè)計稍加改動，即可用于防盜安全報警、對靠近野外無人值守設(shè)備或場所的動物進行驅(qū)趕以及野外動物資源的監(jiān)控等等。

參考文獻

[1] 云彩霞，劉林生，李麗芬.智能節(jié)電控制系統(tǒng)設(shè)計[J].煤炭技術(shù)，2013（2）：42-44.

[2] 馬蕊.基于LonWorks技術(shù)的教室照明節(jié)能系統(tǒng)研究[J].大連理工大學學報，2011（4）：81-83.

[3] 王秀霞.基于STC12C5410AD系列單片機的智能LED照明系統(tǒng)的設(shè)計[J].照明工程學報，2012（2）：61-65.

[4] 凌振寶，鄒得寶，徐民.教學樓智能照明系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].吉林大學學報（信息科學版），2009（4）：435-438.

[5] 張曄，楊衛(wèi)，岳元，等.基于熱釋電紅外傳感器探測距離影響因素的研究[J].紅外與毫米波學報，2010（6）：448-451.

[6] 劉舒祺，施國梁.基于熱釋電紅外傳感器的報警系統(tǒng)[J].國外電子元器件，2005（3）：18-21.

[7] 張毅剛，彭喜元.單片機原理與應(yīng)用設(shè)計[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社， 2008.endprint

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件流程圖如圖5所示，系統(tǒng)上電后，由單片機控制云臺減速電機把熱釋電紅外傳感模塊轉(zhuǎn)動到正對門口區(qū)域，檢測是否有人進門活動，若有人進入且自然光照弱時，開啟用電器。當延時結(jié)束，如果人員處于相對靜止狀態(tài)或者不在偵測范圍內(nèi)，此時單片機啟動電機帶動云臺旋轉(zhuǎn)，使熱釋電紅外傳感模塊在一定的角度范圍內(nèi)掃描一次，造成熱釋電紅外傳感模塊與人的相對運動，若有人，熱釋電紅外傳感模塊再次輸出高電平并延時，若無人，關(guān)閉用電器，電機把熱釋電紅外傳感模塊轉(zhuǎn)動到正對門口區(qū)域，等待再次有人進門。當自然光照達到設(shè)定值時，一直關(guān)閉用電器。

4 結(jié)語

該文介紹一種以單片機為核心控制單元，利用熱釋電紅外傳感器和光強傳感器構(gòu)成的公共場所節(jié)能照明開關(guān)裝置。通過實驗驗證可以得出以下結(jié)論：

（1）本裝置可以準確判斷和控制無人以及有人但自然光照強時關(guān)燈、有人且自然光照弱時開燈，實現(xiàn)了照明控制智能化，真正實現(xiàn)節(jié)能的目標。

（2）因為熱釋電紅外傳感器只能對運動目標做出判斷，為了克服該不足，本設(shè)計利用單片機控制電動云臺的減速電機旋轉(zhuǎn)，使相對靜止的被檢測目標發(fā)生相對移動，該設(shè)計可以大大降低開關(guān)誤動的可能性。

（3）對本設(shè)計稍加改動，即可用于防盜安全報警、對靠近野外無人值守設(shè)備或場所的動物進行驅(qū)趕以及野外動物資源的監(jiān)控等等。

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3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件流程圖如圖5所示，系統(tǒng)上電后，由單片機控制云臺減速電機把熱釋電紅外傳感模塊轉(zhuǎn)動到正對門口區(qū)域，檢測是否有人進門活動，若有人進入且自然光照弱時，開啟用電器。當延時結(jié)束，如果人員處于相對靜止狀態(tài)或者不在偵測范圍內(nèi)，此時單片機啟動電機帶動云臺旋轉(zhuǎn)，使熱釋電紅外傳感模塊在一定的角度范圍內(nèi)掃描一次，造成熱釋電紅外傳感模塊與人的相對運動，若有人，熱釋電紅外傳感模塊再次輸出高電平并延時，若無人，關(guān)閉用電器，電機把熱釋電紅外傳感模塊轉(zhuǎn)動到正對門口區(qū)域，等待再次有人進門。當自然光照達到設(shè)定值時，一直關(guān)閉用電器。

4 結(jié)語

該文介紹一種以單片機為核心控制單元，利用熱釋電紅外傳感器和光強傳感器構(gòu)成的公共場所節(jié)能照明開關(guān)裝置。通過實驗驗證可以得出以下結(jié)論：

（1）本裝置可以準確判斷和控制無人以及有人但自然光照強時關(guān)燈、有人且自然光照弱時開燈，實現(xiàn)了照明控制智能化，真正實現(xiàn)節(jié)能的目標。

（2）因為熱釋電紅外傳感器只能對運動目標做出判斷，為了克服該不足，本設(shè)計利用單片機控制電動云臺的減速電機旋轉(zhuǎn)，使相對靜止的被檢測目標發(fā)生相對移動，該設(shè)計可以大大降低開關(guān)誤動的可能性。

（3）對本設(shè)計稍加改動，即可用于防盜安全報警、對靠近野外無人值守設(shè)備或場所的動物進行驅(qū)趕以及野外動物資源的監(jiān)控等等。

參考文獻

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[7] 張毅剛，彭喜元.單片機原理與應(yīng)用設(shè)計[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社， 2008.endprint