淺談校園節(jié)能控電系統(tǒng)中熱釋電傳感器的應(yīng)用

【摘 要】本文針對園節(jié)能控電系統(tǒng)中熱釋電傳感器的使用，分析了人體發(fā)出紅外波長的情況，進行了紅外人體感應(yīng)傳感器的硬件設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】紅外人體感應(yīng) 傳感器 熱釋電

決定照明燈具的開關(guān)及位置的重要依據(jù)是室內(nèi)占用情況，即需要檢測一個房間內(nèi)部人員活動情況，以確保相應(yīng)占用位置對應(yīng)的照明燈點亮。研究表明照明控制中占用傳感器的使用可以減少照明中30%的電能消耗。市場上有兩種室內(nèi)占用傳感器，分別是超聲波（US）運動傳感器和紅外（IR）運動傳感器。

超聲波運動傳感器利用多普勒效應(yīng)，它使連續(xù)高頻（超聲）聲波充滿整個房間。這種傳感器的主要特點是對于小運動的高靈敏度。其典型應(yīng)用包括辦公室、休息室和小型會議室。

紅外運動傳感器是通過感受運動的紅外熱源，如人員或其它的散熱物體，對室內(nèi)的照明燈具執(zhí)行相應(yīng)的開關(guān)作用。但它的靈敏度在遠距離的情況下相對較低。這種傳感器的典型應(yīng)用包括工作場所、倉庫、儲藏室、室內(nèi)汽車庫以及裝有懸掛固定物（如吊扇）的房間等。

一、紅外人體感應(yīng)傳感器的硬件設(shè)計

本課題針對大學(xué)的教室環(huán)境，選用紅外人體感應(yīng)傳感器（PIR）RE200B進行人體信號的探測。人體的體溫基本穩(wěn)定在36oC左右，會發(fā)出波長約8-10μm左右的紅外線。PIR的截止波長是7-10μm，正好與人體輻射的紅外線波長范圍相對應(yīng)，因此它就是靠探測人體發(fā)射的紅外線而進行工作的。熱釋電紅外傳感器是一種新型敏感元件。制造它的高熱材料是一種廣譜材料，這種材料的探測波長范圍為0.2-20μm。該傳感器為了對某一波長范圍的紅外輻射保持較高的敏感度，它在窗口上加裝了一塊干涉濾波片。此濾波片只允許一定波長范圍的紅外光通過，而阻止陽光、燈光和其它紅外光通過。采用熱釋電傳感器的優(yōu)點是成本低，不需要用電磁波或紅外線等發(fā)射源，可流動安裝，隱蔽性好，靈敏度高、控制范圍大。熱釋電紅外傳感器利用熱釋電效應(yīng)，能以非接觸形式探測出人體輻射的紅外線，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?。同時，它還能檢測出運動的生物與其他非生物。RE200B的D、C、S端分別為電源端、地端和目標輸出電壓端。輸出信號VO接單片機，供其讀取。

實際使用中，熱釋電傳感器前必須安裝菲涅耳透鏡。菲涅耳透鏡的作用是將人體輻射的紅外線聚焦到熱釋電紅外探測元上，同時也產(chǎn)生交替變化的紅外輻射高靈敏區(qū)和盲區(qū)，以適應(yīng)熱釋電紅外探測元要求信號不斷變化的特性，這樣可大大提高接收靈敏度，增加檢測距離及范圍。菲涅耳透鏡是一種特殊設(shè)計的由塑料制成的光學(xué)透鏡，它能配合熱釋電紅外傳感器提高接收靈敏度以及提高檢測距離和范圍。

針對PIR信號變化緩慢、幅值小這個特點，專用信號處理器一般分為3步處理濾波放大、噪聲抑制、窗口比較及數(shù)字信號處理。BISS0001就是由運算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構(gòu)成的數(shù)模混合專用集成電路。它具有獨立的高輸入阻抗運算放大器，采用CMOS工藝和數(shù)?；旌霞夹g(shù)，內(nèi)部采用雙向鑒幅器可以有效抑制干擾，從而提高紅外人體感應(yīng)整個電路的穩(wěn)定性，通過將引腳A置1或0，可設(shè)置為可重復(fù)觸發(fā)方式和不可重復(fù)觸發(fā)方式兩種工作方式。本系統(tǒng)選擇可重復(fù)觸發(fā)方式。紅外人體感應(yīng)傳感器的信號處理電路如圖1所示，實物圖如圖2所示。

紅外人體感應(yīng)模塊由9VDC通過LM7808及電容穩(wěn)壓濾波后供電，輸出接到MSP430F149單片機的P1.0口，從而實現(xiàn)對傳感器輸出狀態(tài)的檢測。

二、紅外人體感應(yīng)傳感器的布局

現(xiàn)有的照明控制系統(tǒng)研究中，紅外人體感應(yīng)傳感器常用于室內(nèi)人數(shù)的統(tǒng)計，實現(xiàn)的方法是將紅外人體感應(yīng)傳感器安裝在教室門內(nèi)外兩面，當人出入經(jīng)過門口時，觸發(fā)出入兩個傳感器的先后順序不同，通過該順序來判別人體出、入的不同狀態(tài)，連續(xù)探測之下就能統(tǒng)計出室內(nèi)現(xiàn)有人員的總數(shù)，以此作為控制開燈數(shù)量的判斷依據(jù)。

這種方法在探測的基礎(chǔ)上結(jié)合了人體活動的規(guī)律，對于小型室內(nèi)和人數(shù)活動較少的環(huán)境具有很好的效果，但對于大教室多人數(shù)統(tǒng)計卻有很多不足之處。因為教室作為學(xué)生上課自習(xí)的活動場所，其人員流動量大且狀態(tài)復(fù)雜，同時教室的門一般較寬敞，容易出現(xiàn)多人同時進出教室的情況，而這會嚴重影響傳感器的狀態(tài)判斷，因而導(dǎo)致統(tǒng)計人數(shù)的誤差嚴重。所以，這種方法對于大學(xué)教室的照明控制是不可取的。

三、結(jié)語

在本系統(tǒng)的設(shè)計中，為了避免上述錯誤的出現(xiàn)，紅外人體感應(yīng)傳感器僅作為探測室內(nèi)不同區(qū)域有無人員活動的手段，而對于室內(nèi)人數(shù)則采用人數(shù)預(yù)測模型的方法來統(tǒng)計，這里不做詳述。紅外人體感應(yīng)傳感器的具體用法是在每個照明燈具旁安裝，其探測范圍通過在菲涅爾透鏡上加阻擋物調(diào)整到僅燈具下方的座位區(qū)域具有，且不同的燈具沒有重復(fù)重疊范圍。這樣，紅外傳感器就可以準確探測到不同區(qū)域內(nèi)是否有人員活動，并將此信息傳送給控制器和上位機系統(tǒng)，以此作為照明控制的一個重要判斷依據(jù)。

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作者簡介：

高強，1973.9- ，河北阜城人，石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院物業(yè)綜合處 講師。

郭娟，1976.7- ，河北行唐人，石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 講師。

郝建，1981.7- ，河北藁城人，石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院財務(wù)管理處 講師。

基金項目：

河北省科技廳2013年科技支撐計劃項目（13270346）