基于四元熱釋電傳感器的空調節電無線控制系統設計

孫天佑　朱明陽　江楠

【摘 要】本文針對公共區域內空調在無人情況下長時間運行造成電能浪費的問題，提出了一種以單片機為核心的基于四元熱釋電傳感器的空調節電無線控制系統設計方法。本文硬件設計部分介紹了系統總體硬件電路設計、四元熱釋電傳感器硬件電路設計、無線藍牙通信硬件接口電路設計，軟件設計部分給出探測器和控制器主程序的工作流程圖。本設計的實際性能通過長時間使用得到驗證，達到了預期的效果。

【關鍵詞】單片機；熱釋電傳感器；藍牙通信；空調節電控制器

【Abstract】According to too much power wasted by air condition in a nmanned public area， this article puts forward The design of wireless control system in air conditions power saving which is based on single chip microcomputer using four-elemen PIR sensor.The paper mainly analyzes the general design method and four-elemen PIR sensor circuit design and bluetooth communication interface circuit design in hardware.In software design the paper gives the detectors and the controllers program flowchars of the master routine.The actual performance has been verified by the long term usage， so the design has achieved the expected effect.

【Key words】SCM； PIR sensor； Bluetooth communication； Controller in air conditions power saving

0 引言

當前空調的使用已經十分普及，為了達到節能降耗的目的在空調系統中采用了如變頻等技術，但是經過分析事實上導致空調耗電的另一個主要的原因是空調在無人的情況下開啟時間過長，對于象辦公室、實驗室、閱覽室等這樣的公共區域這種情況更易發生，實際上造成了空調額外消耗相當的電能，為達到為空調系統進一步節電的目的，本項目設計基于四元熱釋電傳感器的空調節電無線控制系統以滿足在公共區域內的空調系統的節電以及家庭空調的進一步的節電監測和控制需求。

1 總體設計

本項目設計采用最新的四元熱釋電傳感器是為了確保對人員活動探測的可靠性高，整個系統做成探測器和控制器兩部分，探測器和控制器之間使用藍牙通信，探測器和控制器均采用單片機系統設計，本空調節電監測控制系統之所以設計成探測器和控制器這分離的兩部分就是考慮到不同的建筑物室內結構差異比較大加之空調的具體安裝位置有各不相同，人員頻繁活動區域也各有規律，在這種情況下我們實際安裝時可以將控制器放在離空調較近的地方，同時將探測器放置在人員頻繁活動區域的頂部，這樣大大增加了系統的可靠性。本設計重點在人體紅外探測器和可關閉空調的控制器以及設計探測器和控制器之間的藍牙通信接口，重新進行相關的硬件系統和軟件系統設計以完成一個完整的空調節電監測控制系統（圖1）。

探測器須包含如下結構：熱釋電紅外傳感器檢測與轉換電路、藍牙通信模、聲光報警電路、單片機、復位電路及相關的控制管理軟件組成；它們之間的構成框圖如圖2所示。

探測器上的四元紅外熱釋電探頭將人體輻射的紅外光轉換成電信號，經放大電路、比較電路最終送至C8051F410單片機。在單片機內，經軟件處理、判斷等環節實時發出LED光信號以表示是否有人活動，同時通過藍牙通信模塊將此狀態發送給控制器。當探測器正常情況下無法聯絡到控制器或者探測器自檢出現故障時則驅動蜂鳴報警電路以通知用戶出現故障，直至排除為止。

控制器須包含如下結構：手動按鈕檢測與轉換電路、藍牙通信模、空調紅外遙控電路、蜂鳴報警電路、單片機、復位電路及相關的控制管理軟件組成；它們之間的構成框圖如圖3所示。

控制器上的按鈕檢測轉換電路將按鍵情況電路最終送至C8051F410單片機。在單片機內，經軟件處理、判斷等環節實時顯示在數碼管上以驗證按鍵操作，同時通過藍牙通信模塊接收控制器發來的控制信號以決定是否關閉空調，如果需要關閉空調則通過紅外遙控電路發射特定的紅外編碼關閉空調。當控制器正常情況下無法聯絡到探測器或者控制器自檢出現故障時則驅動蜂鳴報警電路以通知用戶出現故障，直至排除為止。

2 系統硬件選擇

2.1 四元熱釋電傳感器的原理特性

四元熱釋電紅外傳感器在每個探測器內裝入四個探測元件，并將四個個探測元件串聯，以抑制由于自身溫度升高而產生的干擾。由探測元件將探測并接收到的紅外輻射轉變成微弱的電壓信號，經裝在探頭內的場效應管放大后向外輸出。為了提高探測器的探測靈敏度以增大探測距離，一般在探測器的前方裝設一個菲涅爾透鏡，該透鏡用透明塑料制成，將透鏡的上、下兩部分各分成若干等份，制成一種具有特殊光學系統的透鏡，它和放大電路相配合，可將信號放大70分貝以上，這樣就可以測出10～20米范圍內人的行動。

四元件熱釋電傳感器將兩個雙元件傳感器組合使用時，實際上可以增加探測范圍。人體高度約1.5～2.0m，在進入檢測區時被兩個傳感器檢測到，經電路（信號處理）后分別輸出高電平，則經過與門后輸出為高電平，此高電平用作輸出信號。一般的小動物如貓、狗等，其高度不超過0.6m，由于其自身發出的紅外信號較弱并不會被四元熱釋電傳感器識別，輸出的信號仍為低電平，則無輸出信號，這樣可大大提高誤報率，增加可靠性（圖4）。

2.2 PIR結構特性及安裝

紅外線熱釋電傳感器對人體的敏感程度還和人的運動方向關系很大。紅外線熱釋電傳感器對于徑向移動反應最不敏感， 而對于橫切方向 （即與半徑垂直的方向）移動則最為敏感. 在現場選擇合適的安裝位置是避免紅外探頭誤報、求得最佳檢測靈敏度是極為重要的一環。

紅外線熱釋電人體傳感器只能安裝在室內，其誤報率與安裝的位置和方式有極大的關系.。正確的安裝應滿足下列條件：

1）本系統建議四元紅外線熱釋電傳感器吸頂安裝，對于普通樓房層高來說是比較合適的，對于特殊的建筑層高較高的可以選擇吊裝的方式，保持距離離地面2.5米左右的高度。

2）四元紅外線熱釋電傳感器遠離室內熱源（如冰箱、火爐等）氣溫變化敏感的地方。

3）四元紅外線熱釋電傳感器要避免安裝在強氣流活動的地方區域（如窗口），否則窗外的熱氣流擾動和人員走動會引起錯誤的反應。

3 硬件電路實現

本設計的電路原理圖主要包括兩部分，即探測器和控制器兩部分如下圖5所示。

4 軟件的程序實現

按上述系統的工作原理和硬件結構分析可知程序工作流程圖主要包括探測器的程序流程圖和控制器的程序流程圖這兩個方面，如下圖6和圖7所示：

探測器主程序實現的功能是：當單片機無法檢測到外部熱釋電傳感器送來的脈沖信號后，表示空調室內已經無人，從而經過單片機內部程序處理后，驅動LED輸出并通過藍牙呼叫控制器，如果有應答則發送關機指令，如果沒有應答則發出聲光報警表示（下轉第41頁）（上接第10頁）通信出現故障同時繼續呼叫直至控制器應答為止。

控制器主程序流程圖如圖7所示具體實現功能為是：當單片機接收到探測器發來的藍牙指令后則控制紅外模塊執行此指令，如果沒有接收到探測器發送的藍牙指令則判斷當前是否需要學習新的控制命令，如果是則進入學習狀態直到學習完成為止，如果不是則繼續判斷等待探測器呼叫。

通過多次測試和修改探，測器和控制器設計程序的結果均達到了預期的目的，在程序設計過程中考慮到了輸入輸出信號在工作中的不穩定因素以及各種的干擾，都應該在程序設計或硬件外圍電路設計中進行了必要的調整。在設計過程中應該考慮的其它問題（如藍牙通信的問題以及控制器紅外命令發送問題）都已經進行了對應的配置與調整，所以根據實際的硬件仿真來看實現了設計功能。

5 結語

本次設計的一種基于四元熱釋電傳感器的空調節電無線控制系統，由探測器和控制器組成，探測器和控制器均以C8051F410單片機為核心，探測器內置四元紅外熱釋電傳感器。控制器內置紅外遙控模塊，探測器將室內人員活動情況通過藍牙通信發送給控制器由控制器控制空調機關機或在低功耗運行。該系統的最大特點就是能夠實時探測用戶對室內空調的使用情況從而實現對空調的運行控制管理達到節能降耗的目的，該系統安裝方便、智能性高、誤動作率低等，應用前景廣闊。

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[責任編輯：楊玉潔]