【摘要】本項(xiàng)目設(shè)計(jì)研究的主動(dòng)式熱釋電紅外傳感器,跟市面上的被動(dòng)式熱釋電紅外傳感器相比,能穩(wěn)定有效地檢測到靜態(tài)人體,達(dá)到“人到燈亮,人在燈亮,人離燈滅”的效果。基于該傳感器設(shè)計(jì)室內(nèi)照明設(shè)備的自動(dòng)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對教學(xué)樓等大型樓宇內(nèi)照明系統(tǒng)的智能控制。
【關(guān)鍵詞】主動(dòng)式熱釋電紅外傳感器;自動(dòng)控制;節(jié)能;低成本
1.引言
隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的飛速發(fā)展,電能越來越緊張,電能浪費(fèi)的現(xiàn)象卻依舊存在。許多高校存在著教室照明管理不到位的問題,在夜晚,空無一人的教室仍然是燈火輝煌,對于這類大型樓宇,照明節(jié)能日顯重要?,F(xiàn)普及的照明節(jié)能開關(guān)基本有聲控型、接觸型等,由于使用的局限性,這些開關(guān)只能作為控制控制系統(tǒng)的輔助部分。要實(shí)現(xiàn)室內(nèi)照明系統(tǒng)智能化、節(jié)能化,最重要的一點(diǎn)是該系統(tǒng)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(xí)的人不做任何反應(yīng)。本項(xiàng)目組基于主動(dòng)式熱釋電紅外傳感器設(shè)計(jì)了一種低成本、低耗電的室內(nèi)自動(dòng)控制系統(tǒng)。
2.系統(tǒng)總體功能與結(jié)構(gòu)
2.1 功能特點(diǎn)
采用熱釋電紅外技術(shù)探測室內(nèi)是否有人存在,當(dāng)有人進(jìn)入室內(nèi)時(shí),傳感器探測到人體的散發(fā)的紅外線,產(chǎn)生電流信號,信號經(jīng)過集成處理電路IC處理后傳送給單片機(jī),單片機(jī)通過控制繼電器來控制照明設(shè)備的開關(guān),此后單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳感器間隔時(shí)間段旋轉(zhuǎn),若室內(nèi)一直有人體存在,照明設(shè)備保持通電狀態(tài),人離開后,傳感器在下一個(gè)探測周期內(nèi)由于檢測不到人體而關(guān)閉負(fù)載。即可實(shí)現(xiàn)“人到燈亮,人在燈亮,人離燈滅,安全節(jié)能”的效果。
采用光敏電阻檢測室內(nèi)光的強(qiáng)度。利用光敏電阻的光照特性,在一定電壓下光敏電阻產(chǎn)
生的電流隨著相對光強(qiáng)的變化而變化,將這些電信號送至單片機(jī),通過單片機(jī)自動(dòng)控制照明電器的開關(guān)。
在模型耗電方面,傳感器在旋轉(zhuǎn)的情況下,最高5W,在靜態(tài)的情況下,最高0.5W,若在教室內(nèi)合理布置該傳感器,能實(shí)現(xiàn)照明設(shè)備的節(jié)能控制。
2.2 結(jié)構(gòu)框圖
本設(shè)計(jì)由主動(dòng)式熱釋電紅外傳感器檢測模塊、單片機(jī)控制模塊、環(huán)境光強(qiáng)檢測模塊、繼電器執(zhí)行模塊組成。結(jié)構(gòu)如圖1所示。
3.系統(tǒng)硬件設(shè)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。熱釋電紅外線傳感器能感應(yīng)的紅外線波長在0.2~20μm,人體散發(fā)的紅外線能被該感應(yīng)器接收。當(dāng)人體產(chǎn)生交替變化的紅外輻射聚焦到紅外感應(yīng)晶體上時(shí),晶體表面溫度發(fā)生變化,具有熱釋電效應(yīng)的晶體產(chǎn)生極化現(xiàn)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(qū)域內(nèi)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(dāng)人體散發(fā)的紅外線交替變化時(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。基于上述原理,主動(dòng)式熱釋電傳感器依據(jù)相對運(yùn)動(dòng),由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)探頭正反交替旋轉(zhuǎn),與靜態(tài)人體形成一定的相對速度,使靜態(tài)人體散發(fā)的紅外線在接收端交替變化,進(jìn)而產(chǎn)生電流。
當(dāng)人體進(jìn)入室內(nèi),熱釋電傳感器接收到人體散發(fā)的紅外線產(chǎn)生電信號傳遞給單片機(jī),單片機(jī)一方面控制繼電器接通照明負(fù)載,一方面輸出信號啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)間隔時(shí)間段旋轉(zhuǎn),若人在室內(nèi)下運(yùn)動(dòng)或靜止,傳感器都能夠探測到人的存在,若室內(nèi)沒人,傳感器不再產(chǎn)生電信號給單片機(jī),單片機(jī)控制照明設(shè)備斷電,并控制電動(dòng)機(jī)不再旋轉(zhuǎn)。
3.2 室內(nèi)光強(qiáng)傳感模塊
光敏電阻的工作原理是基于半導(dǎo)體的光電效應(yīng),電阻值隨著入射光的強(qiáng)弱而改變。本設(shè)計(jì)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(nèi),它體積小,靈敏度高,光譜特性好。在不同的光強(qiáng)下,光敏電阻產(chǎn)生相應(yīng)的電信號,輸入給單片機(jī)后,由單片機(jī)依據(jù)程序控制照明電器的開關(guān)和控制照明設(shè)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(jī)。本設(shè)計(jì)采用AT89S51單片機(jī)作為控制器,實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)人體紅外線的檢測,室內(nèi)光強(qiáng)的檢測,啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)正反交替旋轉(zhuǎn)和照明設(shè)備開關(guān)的控制。
程序流程圖如圖2所示。系統(tǒng)通電時(shí),先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化,接著運(yùn)行環(huán)境光強(qiáng)檢測模塊,當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)低于設(shè)定值時(shí),單片機(jī)啟動(dòng)主動(dòng)式熱釋電傳感器模塊探測室內(nèi)人體紅外線,但電動(dòng)機(jī)不工作,當(dāng)人進(jìn)入室內(nèi)時(shí),傳感器開始接收到人體紅外線,產(chǎn)生的電信號經(jīng)過處理后傳遞給單片機(jī),由單片機(jī)控制接通照明設(shè)備,此后單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)探頭每隔10分鐘旋轉(zhuǎn)一次,每次旋轉(zhuǎn)20秒。若進(jìn)入室內(nèi)的人沒離開,則由單片機(jī)控制接通照明設(shè)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(nèi)的人離開了,熱釋電在20秒的檢測階段內(nèi)檢測不到人體紅外線,則由單片機(jī)控制斷開照明設(shè)備直至下一個(gè)人進(jìn)入室內(nèi)開始循環(huán)。在白天,環(huán)境光強(qiáng)大于設(shè)定值,照明設(shè)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(xiàng)目設(shè)計(jì)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(jī)模塊,二是感應(yīng)探頭模塊,三是電路板模塊。電動(dòng)機(jī)模塊采用的是同步電動(dòng)機(jī),利用同步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)探頭正反交替旋轉(zhuǎn),一方面實(shí)現(xiàn)了功能的需要,一方面解決了探頭單向旋轉(zhuǎn)帶來的連接線的繞線問題。對于感應(yīng)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(qū)域內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū),使進(jìn)入探測區(qū)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(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)速率,探頭靈敏度和可靠性來設(shè)計(jì)集成處理電路,使用AT89S51單片機(jī)對信號進(jìn)行收集、分析和對照明設(shè)備進(jìn)行控制。
本項(xiàng)目完成了模型的構(gòu)建,通過大量的實(shí)驗(yàn)與總結(jié),設(shè)計(jì)合適的菲涅爾透鏡,選擇電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和排查各種影響因素。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速大小,會(huì)改變探頭與靜態(tài)人體的相對速度,從而影響著探頭接收紅外線的速率,過大過小都會(huì)使得傳感器變得不穩(wěn)定。菲涅爾透鏡大體如圖4所示,探頭旋轉(zhuǎn)會(huì)使熱釋電的靈敏度加大,這就要求設(shè)計(jì)相應(yīng)的菲涅爾透鏡,透鏡厚度、接收角度和折射角度都經(jīng)過實(shí)驗(yàn)改良設(shè)計(jì)。最后,還得經(jīng)過實(shí)驗(yàn)排查各種影響因素,才能夠達(dá)到穩(wěn)定檢測靜態(tài)人體的功能,例如旋轉(zhuǎn)時(shí)的繞線問題、環(huán)境風(fēng)速問題等。
本項(xiàng)目的特色與創(chuàng)新點(diǎn)在于菲尼爾透鏡的設(shè)計(jì),若沒有合理的菲涅爾透鏡,傳感器在旋轉(zhuǎn)的情況下,將一直處于不穩(wěn)定狀態(tài),失去檢測靜態(tài)人體的功能。
5.結(jié)語
整個(gè)照明系統(tǒng)成本低,不需人手控制,適用于學(xué)校、商場等大規(guī)模室內(nèi)場所的照明控制,可以有效地對照明設(shè)備進(jìn)行智能控制,達(dá)到科學(xué)管理與節(jié)能的目的。
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作者簡介:曾克根,男,現(xiàn)就讀于廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院。