紅外智能計數(shù)節(jié)能控制開關(guān)的設(shè)計

肖 博

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南鄭州 450003）

·機械設(shè)計與制造·

紅外智能計數(shù)節(jié)能控制開關(guān)的設(shè)計

肖 博

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南鄭州 450003）

本文主要針對目前高校教學(xué)樓的電能浪費嚴重，用電設(shè)備控制和管理不足，教室資源利用不合理的現(xiàn)狀，特別是在人離開教室后照明設(shè)備等因忘記關(guān)閉而造成的巨大電能浪費問題，設(shè)計了一款紅外智能計數(shù)節(jié)能控制開關(guān)。該系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有條理清晰、通用性好、便于改進和擴充、體積小、控制方便、智能化和人性化程度高等優(yōu)點。達到了節(jié)能環(huán)保的目的，為構(gòu)建節(jié)約型社會做出一份貢獻。

智能系統(tǒng)；教室照明；節(jié)能環(huán)保；紅外線感應(yīng)；機電一體化

1 研制背景和意義

隨著社會生產(chǎn)力的不斷發(fā)展和全球范圍內(nèi)工業(yè)化的不斷深入，經(jīng)濟發(fā)展對于能源的依賴性日益加重，然而，全球的能源儲備量卻急劇下降。在這種大環(huán)境下，節(jié)能減排日益成為國際上議論的核心話題。由此可見，能源浪費已經(jīng)成為各國亟待解決的問題。然而現(xiàn)在的人們節(jié)約能源的意識普遍不強，日常生活中對于電能的浪費隨處可見。其中，不必要的長明燈現(xiàn)象就是電能浪費最典型的例子。

2006 年初，政協(xié)九屆委員董秦明確指出，在單位不經(jīng)意之中所形成的浪費尤其是不必要的長明燈現(xiàn)象，是一筆巨大的支出，這種現(xiàn)象嚴重違背了我國建設(shè)資源友好型社會的政策，是政府部門亟待解決的問題。同時山東經(jīng)濟學(xué)院的孫如教授給記者們算了這樣一筆賬：一座使用面積為5 000m2的教學(xué)樓，一般每10m2配置一盞40W的燈具，若按“長明燈”每天浪費兩小時計算，一天就浪費電能40kW·h，以學(xué)生一年在校9個月計算，每座教學(xué)樓一年將浪費電能約10 800kW·h。

國內(nèi)部分學(xué)校也意識到了教室照明中存在的巨大浪費，采取了各種各樣的管理方式，企圖來杜絕這種浪費。如:費用包干制、任課教師負責(zé)制、組織勤工儉學(xué)學(xué)生或聘用專職人員進行專門管理，拉閘限電等等。許多學(xué)校都采取過這些方法，但始終沒能長久堅持下去，也就沒有取得理想效果。國內(nèi)產(chǎn)品研究也存在諸多問題。

而在日本，像松下、索尼、東芝等大型的電子公司都有自己的智能辦公大樓。這些智能化建筑能精確地控制建筑物內(nèi)的能源消耗，使能源浪費的程度降到最低。在實際應(yīng)用中，英國希思羅（Heathrow）國際機場T5候機樓是一個較為成功的案例，航站樓范圍內(nèi)的大部分的照明，都采用了西門子instabus KNX／EIB系統(tǒng)實現(xiàn)照明控制。但是該系統(tǒng)的設(shè)計原理復(fù)雜繁瑣，操作人員的知識水平要求過高，維修太難，成本巨大，相較于高校應(yīng)用的節(jié)能控制顯得太過于高端，費用也無法承受。

因此設(shè)計針對目前高校教室“人走不關(guān)燈”的電能資源嚴重浪費現(xiàn)象，開發(fā)了一套人性化智能管理系統(tǒng)，提高用電效率，實現(xiàn)手自一體的燈光控制，功能較完善的教室智能控制節(jié)能開關(guān)。

2 系統(tǒng)總原理設(shè)計

紅外智能計數(shù)節(jié)能開關(guān)分為檢測模塊、處理模塊和控制模塊3大部分。

該系統(tǒng)利用開關(guān)電源由220V降壓到24V供電。控制模塊安裝在照明設(shè)備電路的干路上，且控制模塊的固態(tài)繼電器、光敏電阻和手動開關(guān)串聯(lián)。根據(jù)室內(nèi)實際人員有無來控制單片機上電磁繼電器的通斷，同時結(jié)合光敏開關(guān)和手動開關(guān)，三重控制來自動控制照明燈電路，并實現(xiàn)對照明燈的自動關(guān)閉和部分情況下的自動接通。由檢測裝置對進出教室的人員進行檢測，并將產(chǎn)生的脈沖信號傳送給處理模塊分析處理得出結(jié)果，再按預(yù)先設(shè)定好的程序控制控制模塊，實現(xiàn)固態(tài)繼電器的通斷切換。最終實現(xiàn)智能節(jié)能等目的［1-3］。系統(tǒng)主電路如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主電路圖

3 系統(tǒng)方案設(shè)計

3.1 檢測模塊的設(shè)計和原理

3.1.1 紅外光電傳感器

本文選用的是PES-R18NO3MD NPN（回歸反射常開型）紅外光電開關(guān)。

主要技術(shù)參數(shù)：供電電源：DC:10～30V；輸出電流≤200mA；檢測距離：3m；環(huán)境照度：白熾燈≤3000LX/日光≤10000LX；反射類型：漫反射型

工作原理：反射式光電開關(guān)是集發(fā)射器與接收器于一體，光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)過反射鏡，反射回接收器，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過且完全阻斷光線時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測開關(guān)信號。

本文中傳感器共兩組4個（分為A、B兩組）。分別處于水平和垂直位置，傳感器串聯(lián)連接，以提高檢測精確度。將檢測數(shù)據(jù)傳送給處理模塊。

3.1.2 門磁開關(guān)

該課題選用的是MC-18常開型門磁開關(guān)。

主要技術(shù)參數(shù)：尺寸：19×15×8（mm）；主要材料：ABS外殼，日本OKI干簧管；工作距離：15mm-+5；固定形式：螺絲；供電電壓：5V直流；最大承受電流：0.5A；最大承受電壓：100V；最大承受功率：10W；使用壽命:100萬次。

工作原理：門磁開關(guān)主要由開關(guān)和磁鐵兩部分組成，開關(guān)部分由磁簧開關(guān)經(jīng)引線連接，定型封裝而成；磁鐵部分由對應(yīng)的磁場強度的磁鐵封裝于塑膠或合金殼體內(nèi)，當(dāng)兩者分開或接近至一定距離后，引起開關(guān)的開斷從而感應(yīng)物體門磁開關(guān)位置的變化。

該開關(guān)置于檢測模塊電源的干路上，其兩個部分分別置于門框和門上，計算好位置和角度安裝，通過開關(guān)門實現(xiàn)門磁開關(guān)的通斷，控制紅外傳感器信號傳輸?shù)耐〝啵M而消除開關(guān)門時對檢測結(jié)果的影響。

3.2 處理模塊的設(shè)計及原理

3.2.1 單片機

處理模塊主要電子元器件是STC89C52R型單片機。工作電壓：5.5V～3.3V；工作頻率范圍：0～40MHz。

圖2 引腳圖

通過編寫程序?qū)邮盏男盘栠M行分析處理，然后控制控制模塊實現(xiàn)通斷的切換。人員進出房間觸碰到兩組紅外傳感器的順序不同，以此識別是進還是出。紅外傳感器將進門的信號傳遞到單片機，單片機進行編碼轉(zhuǎn)化，與之相連的計數(shù)程序進行加1運算。當(dāng)人走出時，所觸碰兩組傳感器的順序正好相反，此時計數(shù)器程序執(zhí)行減1運算。當(dāng)運算結(jié)果為初始數(shù)據(jù)時，單片機會發(fā)出一個指令，開關(guān)自動斷開，從而達到“人走燈滅”的目的［4］。

圖2是STC89C52R型單片機引腳圖。

3.2.2 光耦電路

由于光電傳感器的電壓是24V，輸出電壓也是24V，而單片機的工作電壓是5V。光電傳感器的輸出電壓遠高于單片機工作電壓，所以需要一個光耦電路進行轉(zhuǎn)換。光耦電路圖如圖3所示：

圖3 光耦電路圖

3.3 控制模塊的設(shè)計及原理

3.3.1 繼電器

選用的是CDG1-1DA/10A單相固態(tài)繼電器。

主要技術(shù)參數(shù)：控制方式：直流控交流；輸出電流：10A；輸入電壓/電流：3-32VDC/<03mA；負載電壓：24-480VAC；通態(tài)降壓：1.6VAC；通斷時間：≤5ms；電壽命：≥100萬次。

工作原理：固態(tài)繼電器是一種無觸點電子開關(guān)，由分立元器件、膜固定電阻網(wǎng)絡(luò)和芯片，采用混合工藝組裝來實現(xiàn)控制回路（輸入電路）與負載回路（輸出電路）的電隔離及信號耦合，由固態(tài)器件實現(xiàn)負載的通斷切換功能，內(nèi)部無任何可動部件。主要由輸入（控制）電路，驅(qū)動電路和輸出（負載）電路三部分組成［5］。

繼電器置于室內(nèi)照明電路的干路上，由處理模塊分析處理的數(shù)據(jù)結(jié)果控制固態(tài)繼電器信號的觸發(fā)與否，然后其輸出電路在觸發(fā)信號的控制下，實現(xiàn)固態(tài)繼電器的通斷切換。最終實現(xiàn)對照明設(shè)備的智能控制［6-7］。

3.3.2 光敏傳感器

選用的是通用型光敏開關(guān)。

主要技術(shù)參數(shù)：供電電壓：12VDC；電流：＞100mA；負載：250V 10A。

工作原理：光敏電阻是一種半導(dǎo)體器件，利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。當(dāng)有光照時電阻很小。無光照時電阻很大。

光敏開關(guān)置于照明電路的干路上，它的串聯(lián)使用避免了在白天光線較強時照明燈處于工作狀態(tài)的情況，也可實現(xiàn)光線由暗轉(zhuǎn)亮?xí)r照明燈的自動斷開和部分情況下的自動接通，從而實現(xiàn)了智能節(jié)能的目的。

3.3.3 手動開關(guān)

選用的是普通的家用型開關(guān)。

置于照明電路的干路上，主要是實現(xiàn)開燈和在特殊情況下斷開照明電路的功能［8］。體現(xiàn)了該系統(tǒng)更加具有操作性和人性化的特點。

控制模塊的電路圖如圖4所示：

圖4 電路圖

4 控制模塊的程序設(shè)計

A1、A2兩個傳感器串聯(lián)（B同A），光耦電路的信號輸出端分別接到單片機的P3.3口和P3.2口。A1、B1兩個傳感器分別垂直安裝在門框外、內(nèi)；A2、B2兩個傳感器分別水平安裝在門框外、內(nèi)的兩側(cè)適當(dāng)?shù)母叨龋ò惭b圖如圖5和6）。

繼電器、光敏電阻和手動開關(guān)串聯(lián)在照明電路的干路上。微處理器的初始值設(shè)定為100，當(dāng)有人進入教室時，檢測模塊檢測到信號后（先經(jīng)過A組，再經(jīng)過B組），計數(shù)程序進行加1運算，計數(shù)顯示由100變?yōu)?01，接收模塊指示燈亮有信號傳入，則繼電器將閉合，控制負載進行工作。如果繼續(xù)有一人進入教室，那么將會繼續(xù)進行加1運算，一直循環(huán)；當(dāng)有人出教室時，檢測模塊檢測到相反的信號（先經(jīng)過B組，再經(jīng)過A組）后，處理模塊再次有信號傳入，計數(shù)程序進行減1運算，直至計數(shù)顯示由101變?yōu)?00時，按程序設(shè)定，延時一段時間后將繼電器斷開，從而照明設(shè)備關(guān)閉，進而達到“人走燈滅”的智能節(jié)能的功能［9-10］。

圖5

圖6

5 出現(xiàn)的主要問題及分析解決

問題1：進出教室時，人行走過程中擺手對檢測裝置的干擾問題（“擺手”問題）。

分析解決：對于這個問題，該開關(guān)系統(tǒng)采用兩組、四個紅外光電傳感器串聯(lián)檢測。只有四個傳感器同時檢測到有人時，才會將產(chǎn)生的信號傳送給處理模塊進行分析。

問題2:人體存在傳感器，有人存在時輸出高電平的電壓偏低。

分析解決:人體存在傳感器，使輸出高電平的電壓偏低，單片機會產(chǎn)生誤判，或采集不到正確的信號，于是在人體存在傳感器的輸出端加一個100千歐的上拉電阻。

問題3:每次開機插上電源后，硬件時鐘顯示的時間都從所設(shè)初始值開始計時。

分析解決:硬件時鐘顯示的時間不正常。解決辦法:一方面是充電電池沒有充電功能；另一方面是應(yīng)對硬件時鐘先進行自檢。

6 結(jié)語

系統(tǒng)的設(shè)計從低碳環(huán)保的理念出發(fā)，立足于節(jié)能，對高校教室的燈光控制具有普遍適用性。開關(guān)系統(tǒng)具有多個創(chuàng)新點：（1）通過每組兩個紅外傳感器的二維檢測，從而對進出房間人數(shù)的檢測準確度大幅提高；（2）門磁開關(guān)的串聯(lián)使用避免了門對紅外傳感器的影響；（3）光敏開關(guān)的串聯(lián)使用避免了在白天光線較強時照明燈處于工作狀態(tài)的情況，也可實現(xiàn)光線由暗轉(zhuǎn)亮?xí)r照明燈的自動斷開和部分情況下的自動接通；（4）開關(guān)24小時工作，能全天準確判斷人數(shù)。（5）既可自動也可手動控制照明燈的通斷。此裝置也可控制多個照明燈。（6）照明燈壞掉或更換，該系統(tǒng)仍能繼續(xù)使用。同時該開關(guān)系統(tǒng)屬于一個載體平臺，今后可以搭載其他模塊，完成不同功能。例如，簽到、室內(nèi)人數(shù)統(tǒng)計、上下課鈴聲提醒等。

經(jīng)過初步試驗，系統(tǒng)能夠完成設(shè)計的要求，智能控制開關(guān)燈，具有良好的穩(wěn)定性，達到了較好的節(jié)能效果。

［1］周瑤.高校教室燈光節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計［D］.鄭州大學(xué)，2010.

［2］姜濤，王浩.高校教室節(jié)能照明改造與設(shè)計［J］.照明工程學(xué)報，2014（5）：40-45.

［3］王昊辰.高校教學(xué)樓智能燈光控制系統(tǒng)設(shè)計［D］，2014.

［4］曾屹.單片機原理與應(yīng)用［M］.中南大學(xué)出版社，2009.

［5］郭培源，付楊.光電檢測技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［6］吳建平.傳感器原理及應(yīng)用［M］.機械工業(yè)出版社，2009.

［7］陳龍三.8051單片機C語言控制與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1999.

［8］宋建國.AVR單片機原理及應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000.

［9］趙本虎，趙國庫.基于單片機的室內(nèi)燈光控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.江蘇冶金，2004（5）：31-35.

［10］夏勇，黃子豪.教室燈光節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計［J］.科學(xué)與財富，2014（11）：79-81.

The Design of Infrared Intelligent Energy-saving ControlSw itch

Xiao Bo
(Zhengzhou Institute of Aeronautics IndustryManagement，Zhengzhou Henan 450003)

The paper mainly targeted at the situation of serious power waste of universities teaching buildings，insufficientcontrolandmanagementof electrical equipment，unreasonable use of classroom resources，especially the enomorous powerwaste problem caused by people leaving the classroom without turning off the lighting equipment，designed an infrared intelligentenergy-saving control switch.The system used themodular structure design，with the advantagesof clarity，good common，easy forexpansion，smallvolume，convenient control，being intelligent，and high humanization.The purpose of energy-saving and environmental protection has been achieved and it made a contribution forbuild a conservation oriented society.

intelligent system;classroom lighting;energy saving;environmental protection;infrared induction; Mechatronics

TP273

：A

：1003-5168（2015）03-0046-4

2015-2-15

肖博（1992.6-），男，本科，專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化。