基于單片機(jī)的紅外輻射電暖器智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王劍霞 李想

收稿日期：2014－04－30

作者簡介：王劍霞(1978-),女,甘肅蘭州人,碩士,講師,主要研究方向:計(jì)算機(jī)應(yīng)用、控制理論與控制工程；

李想(1978-),男,甘肅武都人,碩士,副教授,主要研究方向: 計(jì)算機(jī)信息處理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、流媒體技術(shù)。

摘要：為避免在使用紅外輻射電暖器時(shí)的疏忽大意，及時(shí)預(yù)防火災(zāi)事故，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的紅外輻射電暖器智能控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)作為核心部件，利用熱釋電紅外傳感器檢測人體信號(hào)，利用三極管和繼電器來構(gòu)成斷電自鎖電路。智能控制系統(tǒng)根據(jù)相應(yīng)情況，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)定時(shí)、關(guān)機(jī)提示、電源接通提示、延時(shí)關(guān)機(jī)等操作處理。程序采用C語言編寫，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，條理清晰、通用性好。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)控制方便、可靠性高、針對(duì)性強(qiáng)，能實(shí)際實(shí)現(xiàn)安全節(jié)能的目的。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)控制； 紅外輻射； 電暖器； 斷電自鎖

中圖分類號(hào)：TP368.12，TP216文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-2163（2014）03-0074-04

Design of Infrared Radiation Heater Intelligent Control System based on MCU

WANG Jianxia, LI Xiang

(Department of Electronics and Information Engineering, Lanzhou Vocational Technical College, Lanzhou 730070,China)

Abstract：To avoid negligence in the use of infrared radiation heater, the paper designs infrared heater intelligent control system based on single chip microcontroller to prevent fire accidents timely. This control system takes AT89C51 microcontroller as the core components, uses the pyroelectric infrared sensors to detect body signals, and uses transistors and relays to constitute a self-locking circuit, and thus achieves manual timing, shutdown notice, power-on tips and delayshut-down operations on the appropriate circumstances. Programs are written using C language with the modular design, well-organized and good generality. Experimental results show that the system, with high reliability, is not only easy to control, but can actually achieve the purpose of safety and energy saving.

Key words：MCU Control; Infrared Radiation; Heater; Self-locking Circuit

0引言

隨著人民生活質(zhì)量的日益改善，結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、使用方便的小太陽等紅外輻射取暖設(shè)備在人們的生活中已經(jīng)隨處可見。但是，由于電暖器使用不慎或疏忽大意而造成的火災(zāi)卻時(shí)有發(fā)生。根據(jù)調(diào)查分析，并參見各種媒體的報(bào)道可知，在日常生活中，人們由于種種原因匆忙外出，或睡覺休息等忘記關(guān)斷電源，則在浪費(fèi)能源的同時(shí)也導(dǎo)致了家庭生命財(cái)產(chǎn)損失［1］?；诖?，研究設(shè)計(jì)既能節(jié)電環(huán)保、又可提高安全性能的紅外輻射電暖器智能控制系統(tǒng)即具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。本文針對(duì)市售紅外輻射電暖器設(shè)計(jì)使用中的缺陷和不足，采用AT89C51通用單片機(jī)芯片作為核心器件，并輔以相關(guān)外圍電路，再通過C語言編寫程序，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了具有智能感應(yīng)、手動(dòng)定時(shí)、智能提示和斷電自鎖等各項(xiàng)功能的紅外輻射電暖器智能控制系統(tǒng)，同時(shí)給出了系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計(jì)方案［2］。

1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總體原理框圖如圖1所示，系統(tǒng)由信號(hào)采集模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、單片機(jī)控制模塊、按鍵設(shè)置模塊、數(shù)碼顯示模塊和斷電自鎖模塊構(gòu)成。單片機(jī)控制模塊采用AT89C51單片機(jī)作為主控芯片，信號(hào)采集模塊中的核心器件則為熱釋電紅外傳感器，由其感應(yīng)到人體發(fā)出的紅外信號(hào)后再經(jīng)濾光片放大聚焦后送到信號(hào)調(diào)理電路，由信號(hào)調(diào)理電路對(duì)采樣電信號(hào)進(jìn)行兩級(jí)放大和比較處理后即傳輸入單片機(jī)。單片機(jī)I/O口根據(jù)接收到的控制信號(hào)作出相應(yīng)判斷，在實(shí)時(shí)數(shù)碼顯示的同時(shí)，也進(jìn)一步完成作出智能提示和斷電自鎖等動(dòng)作。系統(tǒng)中其他部分，如按鍵設(shè)置模塊，可用于操作者對(duì)人離開后的延時(shí)關(guān)機(jī)時(shí)間進(jìn)行設(shè)置；數(shù)碼顯示模塊，即采用四位七段顯示數(shù)碼管顯示倒計(jì)時(shí)等時(shí)間信息；而斷電自鎖模塊，則在接收到信號(hào)后通過控制開關(guān)電路來控制電暖器的開關(guān)，并于倒計(jì)時(shí)結(jié)束后自動(dòng)切斷電源。

圖1 系統(tǒng)總體原理框圖

Fig.1The principle diagram of system1.1單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著集成電路、數(shù)字信號(hào)處理芯片、微控制器的快速發(fā)展，現(xiàn)在的電子產(chǎn)品已日趨智能化、自動(dòng)化、數(shù)字化，并且微處理器芯片的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟，而高性價(jià)比的AT89C51芯片則是其中的典型代表［3-5］。

單片機(jī)的電源采用5V供電，時(shí)鐘電路則利用11.059 2MHZ晶振，向單片機(jī)提供一個(gè)基準(zhǔn)脈沖信號(hào)，由其來決定單片機(jī)的運(yùn)行速度。而單片機(jī)復(fù)位電路采用的是混合復(fù)位電路，上電時(shí)可自動(dòng)復(fù)位，也可手動(dòng)復(fù)位，這將有利于在單片機(jī)死機(jī)時(shí)進(jìn)行重啟［6］。

1.2信號(hào)采集調(diào)理模塊

熱釋電紅外傳感器利用某些材料的熱釋電效應(yīng)加工制成，專門用來檢測人體輻射的紅外線能量，能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線或入射紅外線的能量變化，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，而將這個(gè)電壓信號(hào)加以放大，便可驅(qū)動(dòng)各種控制電路［7］。熱釋電紅外傳感器輸出的檢測信號(hào)通常都較為微弱，需要經(jīng)過放大、比較兩個(gè)環(huán)節(jié)才能輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作，因此信號(hào)采集模塊就需要由熱釋電紅外傳感器、低頻帶通放大電路和電壓比較整形電路三部分來構(gòu)成。

對(duì)于本系統(tǒng)中的低頻帶通放大電路，其中采用了LM324作為核心器件，內(nèi)部獨(dú)立的高增益運(yùn)算放大器工作電流?。ǖ湫椭礗s=1.0mA），且與所加電源的電壓大小無關(guān)，頻率補(bǔ)償及偏置電流均采用了溫度補(bǔ)償措施，因而具有穩(wěn)定性能。圖2為低頻帶通放大電路，采用脈沖信號(hào)模擬熱釋電傳感器的人體探測信號(hào)，通過開關(guān)SW1的閉合與斷開分別來對(duì)應(yīng)人的離開與存在時(shí)兩種情況。傳感器輸出通過R2直接耦合到低噪聲運(yùn)放（LM324） 構(gòu)成的第一級(jí)放大電路的反向輸入端，串聯(lián)電阻R2用于降低射頻干擾，再由電容C4、電阻R8耦合到第二級(jí)反向放大電路完成進(jìn)一步的濾波、放大。低頻帶通放大電路的主要參數(shù)設(shè)置為：上限截止頻率fH= 1/2πR1C2＝15.9(Hz)；下限截止頻率fL= 1/2πR13C7＝0.07(Hz)；電路增益與頻率有關(guān)，當(dāng)輸入信號(hào)頻率為1 Hz時(shí)， 第一級(jí)放大增益Au1= R1/R2=100，第二級(jí)放大增益Au2= R4/R8=100；通帶帶寬B=fH-fL=15.83(Hz)，電路總增益為G=20lgAu=80(dB）。第3期王劍霞，等：基于單片機(jī)的紅外輻射電暖器智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用第4卷圖2 低頻帶通放大電路

Fig.2The circuit of Low-frequency bandpass amplifier電壓比較整形電路應(yīng)用LM324之中的兩個(gè)集成運(yùn)算比較器構(gòu)成一個(gè)雙限電壓比較器，當(dāng)人體通過菲涅爾透鏡組成的傳感器現(xiàn)場時(shí)，傳感器輸出一交變信號(hào)。電路中，電阻分壓計(jì)算可得電壓比較器的兩個(gè)閾值電壓分別為3.2V和1.8V，這就表明當(dāng)放大器輸出信號(hào)電平大于3.2V 或者小于1.8V 時(shí)，比較器輸出高電平，意即探測到移動(dòng)人體。

1.3按鍵控制模塊

按鍵控制模塊的輸入信號(hào)分別接到AT89C51單片機(jī)的P1.1端口、P1.5端口和P1.6端口。其中，P1.1端口為自鎖開關(guān)，P1.5端口對(duì)應(yīng)分鐘按鍵加1功能，P1.6端口對(duì)應(yīng)分鐘按鍵減1功能。當(dāng)按鍵未按下時(shí)，P1.1端口、P1.5端口及P1.6端口的電壓接近電源電壓，即為高電平；當(dāng)某一按鍵按下時(shí)，對(duì)應(yīng)端口將被按鈕開關(guān)短接到地，變?yōu)榈碗娖?。鍵盤工作方式采用中斷掃描方式，即利用其電平的變化產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中可讀入P1端口的3位信號(hào)，由此而確定哪個(gè)鍵被按下，隨之則執(zhí)行相應(yīng)的按鍵功能。通過按鍵可設(shè)定延時(shí)關(guān)機(jī)時(shí)間為一百分鐘以內(nèi)的任意數(shù)值，并將憑此來滿足使用者的需求。

1.4數(shù)碼顯示模塊

本模塊使用四位七段共陰極數(shù)碼管作為狀態(tài)顯示電路，使用者可以通過按鍵設(shè)置電暖器延時(shí)時(shí)間，而數(shù)碼顯示模塊則將顯示相應(yīng)時(shí)間，以及倒計(jì)時(shí)預(yù)警信息［8］。七段共陰極數(shù)碼管的段選可接入單片機(jī)P0端口，位選則接至P2端口，同時(shí)選用動(dòng)態(tài)顯示的工作方式。單片機(jī)在將段碼送入數(shù)碼管段選端口后，再從P2端口將位選碼送到數(shù)碼管位選端口，依次選擇四個(gè)數(shù)碼管顯示，并相應(yīng)地調(diào)用延時(shí)程序［9］。

1.5斷電自鎖模塊

斷電自鎖模塊通過NPN型三極管集電極與繼電器線圈串聯(lián)構(gòu)成，繼電器線圈兩端反相并聯(lián)二極管，這就起到了吸收反向電動(dòng)勢的功能，而且保護(hù)了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)三極管，此種繼電器驅(qū)動(dòng)方式的硬件結(jié)構(gòu)比較簡單。繼電器是通過常開觸點(diǎn)串在線圈與電源之間，一旦通電，繼電器吸合，常開觸點(diǎn)處于吸合導(dǎo)通，由此繼電器保持通電閉合狀態(tài)。開機(jī)時(shí)，在程序中將單片機(jī)初始化后的P3.0端口賦為低電平，使得開機(jī)后的繼電器始終處于釋放狀態(tài)。當(dāng)使用者離開，狀態(tài)顯示部分設(shè)定的相應(yīng)延時(shí)也結(jié)束后，P3.0端口將變?yōu)楦唠娖剑藭r(shí)可使繼電器進(jìn)入吸合狀態(tài)，通電指示燈滅，從而達(dá)到自鎖的目的。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件總流程如圖3所示。上電后，單片機(jī)進(jìn)行初始

圖3 系統(tǒng)軟件總流程圖

Fig.3The flowchart of system software化，完成后就開始檢測P1.0端口的狀態(tài)，如果P1.0端口變?yōu)楦唠娖?，就表示有人在使用紅外輻射電暖器，如果P1.0端口為低電平就表示沒有檢測到人。系統(tǒng)開始倒計(jì)時(shí)，并且在數(shù)碼管上顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間，同時(shí)循環(huán)檢測P1.0端口的狀態(tài)，若延時(shí)結(jié)束前并未檢測到高電平，即給P3.0端口送高電平信號(hào)，從而開啟三極管控制繼電器切斷電源；當(dāng)再次檢測到高電平時(shí)則需要按下自鎖開關(guān)，此時(shí)紅外輻射電暖器才能重新工作，這就達(dá)到了斷電自鎖要求［10］。

3系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

系統(tǒng)仿真測試結(jié)果如圖4所示。其中信號(hào)調(diào)理電路輸入采用脈沖信號(hào)代替熱釋電傳感器檢測到的人體紅外信號(hào)，開關(guān)的閉合和斷開分別表示人在和離開兩種狀態(tài)。程序中默認(rèn)初始延時(shí)為10秒鐘（可設(shè)置），即人離開后從10秒開始倒計(jì)時(shí)。使用者在檢測范圍內(nèi)時(shí)，通電指示燈亮，數(shù)碼顯示模塊默認(rèn)程序中設(shè)置的初始延時(shí)時(shí)間10秒；當(dāng)智能控制系統(tǒng)斷電自鎖后而使用者若再次回到感應(yīng)區(qū)域，則需要重新按下自鎖開關(guān)，數(shù)碼顯示屏顯示上次設(shè)置的默認(rèn)值，通電指示燈亮，同時(shí)也要接通電源，紅外輻射電暖器開始工作；使用者離開時(shí)，執(zhí)行延時(shí)子程序，開始倒計(jì)時(shí)，同時(shí)在四位數(shù)碼顯示模塊上顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間，倒計(jì)時(shí)結(jié)束后，單片機(jī)P3.0端口輸出高電平，自鎖繼電器吸合，并且通電指示燈滅，而紅外輻射電暖器停止工作，即達(dá)到延時(shí)關(guān)機(jī)、斷電自鎖的目的；使用者在時(shí)，如需增加或減少延時(shí)時(shí)間，則可通過按鍵主動(dòng)設(shè)置延時(shí)時(shí)間，達(dá)到節(jié)能控制的目的。

圖4 系統(tǒng)仿真測試結(jié)果

Fig.4The test results of simulation

4結(jié)束語

紅外輻射電暖器智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用能有效避免使用者因突發(fā)停電離開，而未斷開紅外輻射電暖器電源，當(dāng)其離開期間市電又恢復(fù)供應(yīng)所可能導(dǎo)致的能源浪費(fèi)，甚至紅外輻射電暖器壽命受損乃至引發(fā)火災(zāi)事故等諸多狀況的發(fā)生?；贏T89C51單片機(jī)為核心的紅外輻射電暖器智能控制系統(tǒng)在保證性能穩(wěn)定、工作可靠的前提下，硬件設(shè)計(jì)上盡量采用性價(jià)比較高的通用元器件，因而降低了制作成本。紅外輻射電暖器智能控制系統(tǒng)與已有的紅外輻射電暖器配套使用時(shí)，并不需要重新購置電暖器，這樣在無形中節(jié)約了使用者的成本。紅外輻射電暖器智能控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)智能感應(yīng)、手動(dòng)定時(shí)、斷電自鎖、延時(shí)關(guān)機(jī)等功能，提高了電能的利用率和電暖器的安全效果，因此具有較高的實(shí)際應(yīng)用推廣價(jià)值［11］。

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