光感、手動一體化節能開關

文宇等

【摘 要】光感、手動一體化節能控制系統通過對光信號的實時監測，將模擬信號轉換成電壓信號傳給單片機，單片機控制人體感應系統實現檢測有無人從而控制教室或者自習室燈的亮滅狀態。基于單片機、光敏電阻對光信號的采集、處理與轉換成電壓信號進一步控制熱釋電檢測人體紅外信號，實現共同控制燈管亮滅狀態。設計增加手動與自動控制的切換按鈕，在緊急情況下也可實現白天手動控制燈的亮滅狀態，以此思想設計研究。利用proteus軟件平臺進行仿真與調試，確保其實物焊接成后的可用性及系統的正常工作可行性。

【關鍵詞】光感；手動一體化；人體動態監測檢測；光信號檢測；Proteus軟件仿真；節能開關；LED燈

【Abstract】light， manual integrated energy-saving control system through the real-time monitoring of the optical signal， converts the analog signal into a voltage signal to the microcontroller， MCU control system to realize the detection of human body induction has no one to control the classroom or study room lights off state. In this paper， based on MCU， photosensitive resistor on the optical signal acquisition and processing， and converted into a voltage signal to control the pyroelectric infrared signal detection， realize the lamp light off state control. This design increases the switch button manual and automatic control， in case of emergency can realize manual control of light off state during the day light， in order to design research. The simulation and debugging using Proteus Software Platform， to ensure the normal work of the availability and feasibility in the welding system.

【Key words】Optical integration； Dynamic monitoring； Manual human detection； Optical signal detection； Proteus simulation； LED lamp； Energy-saving switch

0 引言

光感、手動一體化節能開關主要解決普片存在于各個初中、高中、大學內的電能浪費的問題。在初中、高中學生早上比較早，進教室首先會開燈，但當上了一節課或兩節課時、光線也早已充足時，很多人都會忘記關燈。每個教室有很多盞燈，每個學校又有好多教室，這就對學校造成了很大的電能浪費。在大學上述現象也普遍存在，在大學還普遍存在另一個現象。在周六周日，學生都喜歡睡懶覺，宿舍內的燈還是會像往常一樣在固定的時間亮起來，當學生睡懶覺起來，燈已近白白亮了幾個小時了，同樣造成了電能的浪費。基于以上浪費電能情況，我們小組研究設計的該節能開關可以實現自動與手動控制，自動控制以光敏電阻檢測光信號，在晚上把信號傳給單片機，單片機控制人體檢測系統采集人體紅外信號后人體檢測系統把信號又傳給單片機從而控制繼電器來控制燈的亮滅狀態。實現在光線暗的情況下“人在燈亮，人走燈滅”以達到節能的目的。

1 節能控制系統研究方案

根據本控制系統的設計要求，此系統主要由單片機，光控部分、獨立按鍵、人體感應部分、繼電器控制等組成。單片機為本系統的核心控制元件選擇AT89C52型號，實施對各個子系統信號的處理、轉換實現進一步控制繼電器來控制燈的狀態，光控部分選擇光敏電阻采集光模擬信號轉換成數字電壓信號，然后用三極管放大數字電壓信號給單片機。單片機此時便控制人體感應系統工作。人體感應部分由步進電機與熱釋電傳感器構成。步進電機用作把靜態的人體感應做成動態的，這樣實現在人靜止不動時可以繼續檢測到人體信號，再傳遞給單片機來控制繼電器的工作。控制系統設計流程如圖1所示：

2 系統硬件電路設計

2.1 系統主電路

系統主控電路是系統工作的核心，本設計系統主要采用AT89C52型單片機。單片機又稱單片微計算機，它的結構特點是將微型計算機的基本功能部件（如中央處理器cpu、存儲器、輸入接口、輸出接口、定時/計時器及終端接口）全部集成在一個半導體芯片上。大薄片既具有微計算機的特性。與通用型計算機相比，單盤集體績效，可以嵌入到應用系統中作為指揮決策中心，使用應用系統實現智能化。

2.1.1 單片機復位電路

單片機在開機時需要復位，以便CPU及其他功能部件處于一個確定的初始狀態，并從這個從初始狀態開始工作，另外，在單片機工作過程中如果出現死機，也必須對單片機進行復位，使其重新開始工作。單片機復位的條件是：在RST出現滿足復位時間要求的高電平狀態，該時間等于系統時鐘振蕩周期建立時間再加兩個機器周期時間（一般不少于10ms）。單片機的復位電路有三種方式，本系統采用復合復位電路。

2.1.2 單片機時鐘電路

單片機執行指令的過程可分為取指令、分析指令和執行指令三個步驟，每個步驟又由許多微操作組成，這些微操作必須在統一的時鐘控制下才能按照正確的順序執行。單片機的時鐘信號由兩種方式產生，及內部時鐘和外部時鐘方式。本系統采用內部時鐘方式。

以上電路組成單片機的最小系統，如圖2所示：

2.2 步進電機驅動電路

步進電機需提供直流5V電壓，步進電機的驅動芯片用ULN2003A，需提供電壓為5V|～12V。步進電機有三線式、五線式、流線式三種，但其控制方式均相同，都必須以脈沖電流來驅動。步進電機驅動接口1B-4B接單片機P2.0-P2.3接口。VCC接5V電源，1C、2C、3C、4C分別接步進電機ABCD四相且步進電機28BYJ48型四相八拍電機，電壓為DC5V-DC12V。當對步進電機施加一系列連續不斷的控制脈沖時，它可以連續不斷地轉動。每一個脈沖信？號對應步進電機的某一相或兩相繞組的通電狀態改變一次，也就對應轉子轉過一定的角度（一個步距角）。當通電狀態的改變完成一個循環時，轉子轉過一個齒距。四相步進電機可以在不同的通電方式下運行，常見的通電方式有單（單相繞組通電）四拍（A-B-C-D-A…），雙（雙相繞組通電）四拍（AB-BC-CD-DA-AB-…），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A…）。驅動電路如圖3所示：

2.3 光感應部分電路

光敏傳感器內裝有一個高精度的光電管，光電管內有一塊由”針式二管”組成的小平板，當向光電管兩端施加一個反向的固定壓時，任何光了對它的沖擊都將導致其釋放出電子，結果是，當光照強度越高，光電管的電流也就越大，電流通過一個電阻時，電阻兩端的電壓被轉換成可被采集器的數模轉換器接受的0-5V電壓，然后采集以適當的形式把結果保存下來.簡單的說，光敏傳感器就是利用光敏電阻受光線強度影響而阻值發生變化的原理向單片機主控電路發送光線強度的模擬信號。光敏傳感器又稱光敏電阻，光敏電阻是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉換（將光的變化轉換為電的變化）。本設計圖中采用模擬光敏電阻的方法作圖，接線如圖4所示：

2.4 人體感應部分電路

人體感應選擇熱釋電傳感器，熱釋電傳感器可以檢測人體發出的紅外線，從而把模擬信號轉換成數字信號。傳給主控電路單片機控制繼電器進一步工作。熱釋電紅外傳感器的工作電壓為DC5V-20V，觸發方式有A、L不可重復，B、H可重復。A、不可重復觸發方式：即感應輸出高電平后，延時時間一結束，輸出將自動從高電平變為低電平。B、可重復觸發方式：即感應輸出高電平后，在延時時間段內，如果有人體在其感應范圍內活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變為低電平（感應模塊檢測到人體的每一次活動后會自動順延一個延時時間段，并且以最后一次活動的時間為延時時間的起始點）。在被動紅外探測器中有兩個關鍵性的元件，一個是熱釋電紅外傳感器（PIR），它能將波長為8～12um之間的紅外信號變化轉變為電信號，并能對自然界中的白光信號具有抑制作用，因此在被動紅外探測器的警戒區內，當無人體移動時，熱釋電紅外感應器感應到的只是背景溫度，當人體進人警戒區，通過菲涅爾透鏡，熱釋電紅外感應器感應到的是人體溫度與背景溫度的差異信號，因此，紅外探測器的紅外探測的基本概念就是感應移動物體與背景物體的溫度的差異。另外一個器件就是菲涅爾透鏡，菲涅爾透鏡有兩種形式，即折射式和反射式。菲涅爾透鏡作用有兩個：一是聚焦作用，即將熱釋的紅外信號折射（反射）在PIR上，第二個作用是將警戒區內分為若干個明區和暗區，使進入警戒區的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產生變化熱釋紅外信號，這樣PIR就能產生變化的電信號。但是在我們的設計中，被動紅外紅外探測器不能滿足要求，所以我們設計以步進電機帶動熱釋電紅外探頭不停地正反轉來達到檢測靜止人體的目的。在仿真試驗中依然以模擬代替，如圖5所示：

2.5 繼電器控制電路

繼電器主要是實現開關控制作用，我們本設計采用直流5V普通繼電器，在單片機對各種模擬信號處理完后控制繼電器來控制燈的開關狀態。其接線圖如圖6所示：

2.6 獨立按鍵電路

獨立按鍵設計兩個，且外接10K電阻之后接電源，由單片機電源提供5V電源。一個獨立按鍵用來自動與手動的切換控制，另一個獨立按鍵用來控制在手動狀態下，控制繼電器的開關狀態。這樣實現了手動與自動的完美結合，即使在白天或者有點灰暗的環境中，緊急用電視可以隨意控制，達到既不費事又能節約的目的。

2.7 系統總體設計圖

將以上各個子系統綜合在一起變組成一個光感手動一體化節能開關的控制系統圖，在proteus中輸入程序進行仿真。

3 本系統工作流程

光感手動一體化節能開關系統工作流程如下，首先由單片機判斷是否有獨立按鍵按下，然后光感部分感應是不是在晚上，把信號傳給單片機轉換成數字信號，接下來單片機控制步進電機帶動熱釋電人體紅外傳感器檢測是否有人，再把信號給單片機，單片機進而控制繼電器來控制燈。如果獨立按鍵按下時，直接進入手動控制，有獨立按鍵控制繼電器來工作。程序圖如圖10所示：

4 研究結果與分析

本節能開關控制系統原理簡單，制作也方便。在現實生活中自動性和實用性也很高，安裝要求適用與學校教室，廁所，家里等等，能給我們帶來不可預算的節能效果。當然再設計研究過程中也存在一些問題，有待后續研究，如：熱釋電熱體感應探頭的安裝要求，對其產生干擾的因素有很多，即使一根發熱的導線也能使其誤工作，還有焊接電路過程中電阻值的不得當等等造成實驗有一定的不完美，實驗理論與現實情況的誤差等等都需后續進一步的研究解決。

5 研究結論

在如今自動化電器引領的時代，我們設計研究自動控制與手動控制的結合體，來實現現實社會中人們極大的需求及提高人們的節約理念。基于單片機研究這個創新項目試用范圍廣，不僅為學校節約電能，節省電費開支，也間接的對環境保護做出貢獻。光感、手動一體化節能開關不僅可以在太陽光充足時通過自動控制系統及時切斷電路以達到節能的目的，更可以在白天滿足對特殊照明需求的情況，進行人為手動控制開關。這樣的新型節能開關可以為學校節約電能，也可以延長教室內用的燈的壽命，為學校節約了一部分基礎照明設施的開支。當然還可用此電路設計一款光控自動窗簾，利用光線的照射來實現窗簾的自動開合（窗簾在清晨能自動拉開，在傍晚能自動關閉）。為后面更多的自動化裝置提供一定的參考價值。

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[責任編輯：鄧麗麗]