基于熱釋電紅外傳感器的智能節(jié)能插座設(shè)計(jì)

葉勇盛

摘 要 智能節(jié)能插座通過實(shí)現(xiàn)人來時(shí)用電器自動(dòng)開啟，人走時(shí)用電器自動(dòng)關(guān)閉，達(dá)到智能節(jié)能的目的。本設(shè)計(jì)克服傳統(tǒng)的熱釋電紅外傳感器控制電路往往只能檢測移動(dòng)人體，對于靜坐或睡眠等靜止不動(dòng)的人體往往容易出現(xiàn)誤判的缺點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)/靜兩態(tài)的人體識(shí)別，同時(shí)具備定時(shí)開啟/關(guān)閉、時(shí)間顯示、遙控操作等功能。

【關(guān)鍵詞】熱釋電紅外 單片機(jī) 智能節(jié)能

1 概述

隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，人體感應(yīng)類智能插座得到了廣泛的應(yīng)用，如公共建筑，舊樓改造、智能樓宇等項(xiàng)目，迎合了國家倡導(dǎo)的節(jié)約能源、綠色環(huán)保的理念。

熱釋電紅外傳感器利用人體紅外感應(yīng)原理，通過探測人體發(fā)出的紅外線進(jìn)行人體檢測?；跓後岆娂t外傳感器的智能插座、開關(guān)，比早期的聲光控產(chǎn)品使用壽命更長、性能更穩(wěn)定、誤動(dòng)作較少，更具優(yōu)勢。其應(yīng)用于普通出租屋、集體宿舍、教室等公共場所及樓梯走道等燈具、風(fēng)扇眾多的場合，做到人來時(shí)用電器自動(dòng)開啟，人走時(shí)用電器自動(dòng)關(guān)閉，不再需要專門的管理員，達(dá)到智能節(jié)能的目的。但傳統(tǒng)的熱釋電紅外傳感器控制電路往往只能檢測移動(dòng)的人體，對于靜坐、睡眠等靜止不動(dòng)的人體往往容易出現(xiàn)誤判。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括熱釋電紅外探測模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊、STC12系列單片機(jī)模塊、可由繼電器接通或切斷電源的插座模塊、DS1302時(shí)鐘模塊、1602液晶模塊、無線射頻遙控收發(fā)模塊、24C02存儲(chǔ)模塊及操作按鍵等，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)人體的智能探測，自動(dòng)開關(guān)用電器；對用電器進(jìn)行定時(shí)開關(guān)；亦可以作為電子鐘使用。系統(tǒng)既可以通過面板按鍵進(jìn)行設(shè)置，也可以通過遙控器進(jìn)行相關(guān)操作，大大提高了用戶的使用體驗(yàn)。

其特點(diǎn)是為了克服熱釋電紅外傳感器無法探測靜態(tài)人體的缺點(diǎn)，將熱釋電紅外傳感器模塊固定在步進(jìn)電機(jī)上，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)熱釋電傳感器以一定的速度及角度范圍進(jìn)行正反往復(fù)旋轉(zhuǎn)，讓熱釋電紅外傳感器與靜止的人體之間產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)。當(dāng)開啟人體智能探測功能時(shí)，能自動(dòng)探測運(yùn)動(dòng)或靜止的人體，當(dāng)人進(jìn)入探測區(qū)域后自動(dòng)開啟用電器，離開時(shí)自動(dòng)關(guān)閉用電器，達(dá)到智能節(jié)能的效果。

3 系統(tǒng)工作原理

3.1 人體智能探測

用于檢測人體紅外線的熱釋電傳感器模塊（含菲涅爾透鏡）、STC12系列單片機(jī)模塊、步進(jìn)電機(jī)及ULN2003驅(qū)動(dòng)模塊、24C02存儲(chǔ)器模塊。STC12系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，同樣晶振的情況下，速度是普通51系列單片機(jī)的8～12倍。

熱釋電紅外傳感器內(nèi)部包含三部分，分別為傳感探測元、濾光窗和場效應(yīng)管匹配器。濾光窗由一塊薄玻璃片鍍上多層濾光層薄膜而成的，對波長7.0～14um以外的紅外線能有效過濾。人體正常體溫時(shí)，輻射的紅外線中心波長為9.65um，所以人體輻射的紅外線能很好地通過濾光窗，而燈光、陽光等其他光源中的紅外線則被有效過濾。傳感器只對處于移動(dòng)或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的人體或體溫近似人體的物體起作用。

人體智能探測的工作原理是：當(dāng)設(shè)置了人體智能探測功能后，若單片機(jī)的繼電器（I/O口為P1.4）控制輸出信號(hào)為低電平（反邏輯），智能插座通電，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)熱釋電紅外傳感器以10度每秒的角速度進(jìn)行60度范圍的往復(fù)正反旋轉(zhuǎn)，讓運(yùn)動(dòng)的熱釋電紅外傳感器與靜止的人體之間產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)。不管是人體是處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)還是處于靜坐或睡眠狀態(tài)，熱釋電模塊均可探測并通過輸出高電平脈沖信號(hào)至單片機(jī)的P3.2端口。

為了增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力避免誤判，系統(tǒng)的算法為：以90秒為一個(gè)探測周期，當(dāng)單片機(jī)在一個(gè)探測周期內(nèi)檢測到人體則自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)探測周期的計(jì)時(shí)，若一個(gè)探測周期內(nèi)未探測到人體則控制輸出信號(hào)變?yōu)楦唠娖?，?qū)動(dòng)繼電器（I/O口為P1.4）斷開插座電源從而關(guān)閉用電器。每個(gè)探測周期以接收到2次以上的有效感應(yīng)信號(hào)作為判斷有人的依據(jù)，感應(yīng)信號(hào)的周期設(shè)定為6秒，一個(gè)感應(yīng)周期內(nèi)單片機(jī)接收到2次熱釋電傳感器傳回的高電平脈沖中斷信號(hào)則作為一個(gè)有效感應(yīng)信號(hào)。從而實(shí)現(xiàn)在普通出租屋、集體宿舍、教室等公共場所及樓梯走道等燈具、風(fēng)扇眾多的場合，人來時(shí)用電器自動(dòng)開啟，人走時(shí)用電器自動(dòng)關(guān)閉，不再需要專門的管理員，達(dá)到智能節(jié)能的目的。當(dāng)智能插座停止電源輸出時(shí)，步進(jìn)電機(jī)亦停止旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入動(dòng)態(tài)人體檢測狀態(tài)。

為了避免因意外掉電導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)不能返回初始位置，造成步進(jìn)電機(jī)偏移一定的角度，日積月累后熱釋電紅外感應(yīng)模塊上的導(dǎo)線纏繞過緊，出現(xiàn)導(dǎo)線斷裂等隱患，系統(tǒng)采用24C02存儲(chǔ)器進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)信息的存儲(chǔ)，每次單片機(jī)輸出步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)時(shí)均將電機(jī)的轉(zhuǎn)向、相位等信息自動(dòng)備份到24C02存儲(chǔ)器中，在系統(tǒng)重新通電時(shí)，在單片機(jī)的初始化過程中將相關(guān)信息讀出并對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行復(fù)位。

為了實(shí)現(xiàn)在人體探測過程中不影響顯示實(shí)時(shí)時(shí)間等功能，在單片機(jī)程序中采用分時(shí)復(fù)用的算法，利用T0定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)中斷，分步完成人體感應(yīng)、定時(shí)開關(guān)、按鍵輸入、步進(jìn)電機(jī)脈沖輸出、液晶顯示等，很好地解決了以上各任務(wù)的協(xié)同運(yùn)行。人體智能探測控制流程如圖1所示。

3.2 定時(shí)開關(guān)

工作原理為，將單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器T0設(shè)置為1毫秒溢出中斷一次，同時(shí)對中斷次數(shù)進(jìn)行累加，每50次中斷即將時(shí)鐘模塊的時(shí)間與設(shè)置的定時(shí)時(shí)間進(jìn)行比對，比對結(jié)果不相同則無動(dòng)作；比對結(jié)果相同則單片機(jī)輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器對插座進(jìn)行開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)對用電器的定時(shí)控制。

3.3 遙控操作

采用常見的2262/2272無線射頻收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遙控控制功能，接收模塊內(nèi)含LC振蕩電路及放大整形電路，帶四路解碼輸出，輸出4位數(shù)據(jù)，分別對應(yīng)系統(tǒng)的4個(gè)操作按鍵，其輸出有效信號(hào)為高電平、非鎖存電平信號(hào)，而按鍵有效輸出電平為低電平信號(hào)，故加入CD4069非門IC對遙控模塊進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換再并聯(lián)到系統(tǒng)操作按鍵的輸入端口（單片機(jī)P2.0～P2.3）。

3.4 時(shí)間日期顯示

系統(tǒng)采用DS1302時(shí)鐘模塊產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)實(shí)現(xiàn)電子鐘功能，同時(shí)為了降低功耗，減少單片機(jī)資源的耗費(fèi)，利用系統(tǒng)定時(shí)器T0的溢出中斷定時(shí)300毫秒更新一次顯示數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)含有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘和31字節(jié)靜態(tài)RAM，通過簡單的串行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信。提供秒、分、時(shí)、日、周、月、年的信息。

3.5 液晶界面顯示

系統(tǒng)采用RT-1602C液晶模塊進(jìn)行顯示，設(shè)置4個(gè)操作按鍵，并對按鍵的短按操作、長按操作做出不同的響應(yīng)。具體操作界面描述如圖2所示。RT-1602C采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，可以顯示兩行，每行16個(gè)字符的數(shù)字或字母。

4 小結(jié)

根據(jù)以上原理設(shè)計(jì)制作的智能插座克服了傳統(tǒng)熱釋電控制電路無法檢測靜止人體的缺陷。經(jīng)過實(shí)踐，產(chǎn)品工作穩(wěn)定，能應(yīng)用于普通出租屋、集體宿舍、教室等公共場所及樓梯走道等燈具、風(fēng)扇眾多的場合，做到人來時(shí)用電器自動(dòng)開啟，人走時(shí)用電器自動(dòng)關(guān)閉，同時(shí)具備定時(shí)開啟/關(guān)閉插座、時(shí)間顯示、遙控操作等，具有一定的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

廣東省廣州市公用事業(yè)技師學(xué)院 廣東省廣州市 510000endprint