一種低成本、低耗電的室內自動(dòng)控制系統設計

1.引言

隨著(zhù)經(jīng)濟社會(huì )的飛速發(fā)展，電能越來(lái)越緊張，電能浪費的現象卻依舊存在。許多高校存在著(zhù)教室照明管理不到位的問(wèn)題，在夜晚，空無(wú)一人的教室仍然是燈火輝煌，對于這類(lèi)大型樓宇，照明節能日顯重要?，F普及的照明節能開(kāi)關(guān)基本有聲控型、接觸型等，由于使用的局限性，這些開(kāi)關(guān)只能作為控制控制系統的輔助部分。要實(shí)現室內照明系統智能化、節能化，最重要的一點(diǎn)是該系統能探測和判斷是否有人的存在，而市面上的被動(dòng)式熱釋電紅外傳感器，局限于檢測動(dòng)態(tài)人體，對靜坐教室學(xué)習的人不做任何反應。本項目組基于主動(dòng)式熱釋電紅外傳感器設計了一種低成本、低耗電的室內自動(dòng)控制系統。

2.系統總體功能與結構

2.1功能特點(diǎn)

采用熱釋電紅外技術(shù)探測室內是否有人存在，當有人進(jìn)入室內時(shí)，傳感器探測到人體的散發(fā)的紅外線(xiàn)，產(chǎn)生電流信號，信號經(jīng)過(guò)集成處理電路IC處理后傳送給單片機，單片機通過(guò)控制繼電器來(lái)控制照明設備的開(kāi)關(guān)，此后單片機控制電動(dòng)機帶動(dòng)傳感器間隔時(shí)間段旋轉，若室內一直有人體存在，照明設備保持通電狀態(tài)，人離開(kāi)后，傳感器在下一個(gè)探測周期內由于檢測不到人體而關(guān)閉負載。即可實(shí)現“人到燈亮，人在燈亮，人離燈滅，安全節能”的效果。

采用光敏電阻檢測室內光的強度。利用光敏電阻的光照特性，在一定電壓下光敏電阻產(chǎn)生的電流隨著(zhù)相對光強的變化而變化，將這些電信號送至單片機，通過(guò)單片機自動(dòng)控制照明電器的開(kāi)關(guān)。

在模型耗電方面，傳感器在旋轉的情況下，最高5W，在靜態(tài)的情況下，最高0.5W，若在教室內合理布置該傳感器，能實(shí)現照明設備的節能控制。

2.2結構框圖

本設計由主動(dòng)式熱釋電紅外傳感器檢測模塊、單片機控制模塊、環(huán)境光強檢測模塊、繼電器執行模塊組成。結構如圖1所示。

圖1 結構框圖

3.系統硬件設備

3.1主動(dòng)式熱釋電紅外傳感器

正常人體的體溫都在36~37℃，會(huì )散發(fā)出9~12μm的紅外線(xiàn)。熱釋電紅外線(xiàn)傳感器能感應的紅外線(xiàn)波長(cháng)在0.2~20μm，人體散發(fā)的紅外線(xiàn)能被該感應器接收。當人體產(chǎn)生交替變化的紅外輻射聚焦到紅外感應晶體上時(shí)，晶體表面溫度發(fā)生變化，具有熱釋電效應的晶體產(chǎn)生極化現象。被動(dòng)式傳感器檢測不到靜態(tài)人體的原因是，在檢測區域內靜態(tài)人體產(chǎn)生的紅外輻射不變化，電解質(zhì)晶體表面溫度維持不變，不能產(chǎn)生電信號，只有當人體散發(fā)的紅外線(xiàn)交替變化時(shí)，電解質(zhì)晶體表面的溫度隨之變化，表面電荷量也會(huì )隨之變化的同時(shí)產(chǎn)生多余的浮游電荷而產(chǎn)生電信號?；谏鲜鲈?，主動(dòng)式熱釋電傳感器依據相對運動(dòng)，由電動(dòng)機帶動(dòng)探頭正反交替旋轉，與靜態(tài)人體形成一定的相對速度，使靜態(tài)人體散發(fā)的紅外線(xiàn)在接收端交替變化，進(jìn)而產(chǎn)生電流。

當人體進(jìn)入室內，熱釋電傳感器接收到人體散發(fā)的紅外線(xiàn)產(chǎn)生電信號傳遞給單片機，單片機一方面控制繼電器接通照明負載，一方面輸出信號啟動(dòng)電動(dòng)機間隔時(shí)間段旋轉，若人在室內下運動(dòng)或靜止，傳感器都能夠探測到人的存在，若室內沒(méi)人，傳感器不再產(chǎn)生電信號給單片機，單片機控制照明設備斷電，并控制電動(dòng)機不再旋轉。

3.2室內光強傳感模塊

光敏電阻的工作原理是基于半導體的光電效應，電阻值隨著(zhù)入射光的強弱而改變。本設計采用光敏電阻MJ3516，并將其與熱釋電晶體PIR一起封裝在帶有菲涅爾透鏡的塑料殼內，它體積小，靈敏度高，光譜特性好。在不同的光強下，光敏電阻產(chǎn)生相應的電信號，輸入給單片機后，由單片機依據程序控制照明電器的開(kāi)關(guān)和控制照明設備的亮度。

3.3控制模塊

AT89S51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，低價(jià)位，高性能CMOS8位單片機。本設計采用AT89S51單片機作為控制器，實(shí)現對室內人體紅外線(xiàn)的檢測，室內光強的檢測，啟動(dòng)電動(dòng)機正反交替旋轉和照明設備開(kāi)關(guān)的控制。

圖2 程序流程圖

程序流程圖如圖2所示。系統通電時(shí)，先對系統進(jìn)行初始化，接著(zhù)運行環(huán)境光強檢測模塊，當環(huán)境光強低于設定值時(shí)，單片機啟動(dòng)主動(dòng)式熱釋電傳感器模塊探測室內人體紅外線(xiàn)，但電動(dòng)機不工作，當人進(jìn)入室內時(shí)，傳感器開(kāi)始接收到人體紅外線(xiàn)，產(chǎn)生的電信號經(jīng)過(guò)處理后傳遞給單片機，由單片機控制接通照明設備，此后單片機控制電動(dòng)機帶動(dòng)探頭每隔10分鐘旋轉一次，每次旋轉20秒。若進(jìn)入室內的人沒(méi)離開(kāi)，則由單片機控制接通照明設備使其保持通電狀態(tài)并維持到下一個(gè)20 秒的檢測，若進(jìn)入室內的人離開(kāi)了，熱釋電在20秒的檢測階段內檢測不到人體紅外線(xiàn)，則由單片機控制斷開(kāi)照明設備直至下一個(gè)人進(jìn)入室內開(kāi)始循環(huán)。在白天，環(huán)境光強大于設定值，照明設備和主動(dòng)式熱釋電傳感器將一直處于斷電狀態(tài)。

4.主動(dòng)式熱釋電傳感器模型

本項目設計的主動(dòng)式熱釋電模型傳感器如圖3所示，可以分解為三大模塊，一是電動(dòng)機模塊，二是感應探頭模塊，三是電路板模塊。

電動(dòng)機模塊采用的是同步電動(dòng)機，利用同步電動(dòng)機帶動(dòng)探頭正反交替旋轉，一方面實(shí)現了功能的需要，一方面解決了探頭單向旋轉帶來(lái)的連接線(xiàn)的繞線(xiàn)問(wèn)題。對于感應探頭模塊，采用了D203S熱釋電和MJ3516光敏電阻和菲涅爾透鏡，菲涅爾透鏡的作用一是聚焦作用;二是將探測區域內分為若干個(gè)明區和暗區，使進(jìn)入探測區域的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在熱釋電晶體上產(chǎn)生變化的熱釋紅外信號。對于電路板模塊，根據轉動(dòng)速率，探頭靈敏度和可靠性來(lái)設計集成處理電路，使用AT89S51單片機對信號進(jìn)行收集、分析和對照明設備進(jìn)行控制。

圖3 主動(dòng)式熱釋電傳感器模型

圖4 菲涅爾透鏡

本項目完成了模型的構建，通過(guò)大量的實(shí)驗與總結，設計合適的菲涅爾透鏡，選擇電動(dòng)機的轉速和排查各種影響因素。電動(dòng)機的轉速大小，會(huì )改變探頭與靜態(tài)人體的相對速度，從而影響著(zhù)探頭接收紅外線(xiàn)的速率，過(guò)大過(guò)小都會(huì )使得傳感器變得不穩定。菲涅爾透鏡大體如圖4所示，探頭旋轉會(huì )使熱釋電的靈敏度加大，這就要求設計相應的菲涅爾透鏡，透鏡厚度、接收角度和折射角度都經(jīng)過(guò)實(shí)驗改良設計。最后，還得經(jīng)過(guò)實(shí)驗排查各種影響因素，才能夠達到穩定檢測靜態(tài)人體的功能，例如旋轉時(shí)的繞線(xiàn)問(wèn)題、環(huán)境風(fēng)速問(wèn)題等。

本項目的特色與創(chuàng )新點(diǎn)在于菲尼爾透鏡的設計，若沒(méi)有合理的菲涅爾透鏡，傳感器在旋轉的情況下，將一直處于不穩定狀態(tài)，失去檢測靜態(tài)人體的功能。

5.結語(yǔ)

整個(gè)照明系統成本低，不需人手控制，適用于學(xué)校、商場(chǎng)等大規模室內場(chǎng)所的照明控制，可以有效地對照明設備進(jìn)行智能控制，達到科學(xué)管理與節能的目的。