單片機(jī)控制的熱釋電紅外節(jié)能照明開關(guān)設(shè)計(jì)

鄭時(shí)春等

摘 要：該文設(shè)計(jì)一種利用熱釋電紅外節(jié)能照明開關(guān)，該節(jié)能照明開關(guān)通過單片機(jī)處理熱釋電紅外傳感模塊和光強(qiáng)檢測電路輸出的信號(hào)，準(zhǔn)確判斷和控制無人時(shí)或者有人但自然光照強(qiáng)時(shí)關(guān)燈、有人但自然光照弱時(shí)開燈，實(shí)現(xiàn)照明控制智能化，最大限度減小學(xué)校等公共場所的用電浪費(fèi)，真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

關(guān)鍵詞：熱釋電紅外模塊 單片機(jī) 用電器 光強(qiáng)

中圖分類號(hào)：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）02（a）-0111-02

節(jié)能減排已刻不容緩，在綠色環(huán)保降低碳排放的倡議下，各種節(jié)能設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，在不同的領(lǐng)域里取得了很大的成就。但在學(xué)校等公共場所的用電浪費(fèi)仍然比較嚴(yán)重，經(jīng)常教室空無一人，燈和電扇等電器還在工作，有時(shí)天氣良好，室內(nèi)光線明亮，已滿足學(xué)習(xí)等活動(dòng)的要求，而燈仍然還是開著。所以公共場所急需要一種智能控制的節(jié)能裝置。國內(nèi)有很多學(xué)者基于節(jié)能的目的設(shè)計(jì)了一些節(jié)能控制設(shè)備，其中利用熱釋電紅外模塊作為傳感器的節(jié)能控制設(shè)備是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[1]利用STC單片機(jī)為核心，以熱釋電紅外模塊做傳感器設(shè)計(jì)了一種節(jié)能開關(guān)，文獻(xiàn)[2]以電力線為載波通信信道的LonWorks技術(shù)，利用自然光傳感器和人體紅外傳感器，分別檢測光強(qiáng)和教室人員狀況，自動(dòng)調(diào)節(jié)教室照明系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)能的目的。文獻(xiàn)[3]利用熱釋電紅外檢測器、光敏電阻和溫度傳感器采集數(shù)據(jù)，利用PWM調(diào)光技術(shù)，通過STC單片機(jī)處理后產(chǎn)生PWM信號(hào)，根據(jù)周圍環(huán)境情況自動(dòng)調(diào)節(jié)LED照明的開關(guān)和亮度。文獻(xiàn)[4]基于C51單片機(jī)的教學(xué)樓智能照明系統(tǒng)，以光強(qiáng)檢測和熱釋電紅外人體測量電路構(gòu)成信號(hào)輸入電路，以C51單片機(jī)為控制核心構(gòu)成。熱釋電紅外傳感器是利用被檢測對象的相對移動(dòng)來進(jìn)行檢測的，上述這些文獻(xiàn)均未考慮在圖書館或教室等場所，人員處于相對靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，熱釋電紅外傳感器模塊將不能做出正確的判斷。

鑒于此，我們設(shè)計(jì)出一款用熱釋電紅外模塊和光敏元件作為傳感器模塊，將傳感器模塊置于電動(dòng)云臺(tái)上，用單片機(jī)控制云臺(tái)減速電機(jī)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)教室或圖書館等公共場所內(nèi)人員處于看書等相對靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，減速電機(jī)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，使熱釋電紅外傳感器獲得被測對象相對移動(dòng)的信號(hào)，用單片機(jī)正確控制用電器的開啟與停止，減小誤操作，達(dá)到節(jié)約用電的目的。

1 熱釋電紅外傳感器工作原理

被動(dòng)式熱釋電紅外傳感器靠接收物體的紅外輻射能量并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的元件。這種紅外傳感器中包含兩個(gè)反向串聯(lián)的熱釋電元件，當(dāng)被測對象熱紅外信號(hào)同時(shí)射到兩個(gè)敏感元件上時(shí)，兩個(gè)敏感元件的輸出信號(hào)極性相反，即為為差動(dòng)信號(hào)相互抵消，沒有電壓輸出，這樣即可補(bǔ)償背景輻射等隨機(jī)噪聲產(chǎn)生的誤報(bào)[5]。其原理如圖1所示，在使用該傳感器是D端接電源正極，G端接電源負(fù)極，S為信號(hào)輸出端。當(dāng)被測目標(biāo)（比如人體）紅外輻射至傳感器時(shí)，安裝在傳感器前面的菲涅爾透鏡將其聚焦后加至兩個(gè)探測元上，從而使傳感器輸出電壓信號(hào)[6]。為了提高傳感器對特定波長范圍的紅外輻射有較高的敏感度，在傳感器窗口上加裝一塊干涉濾波片，如圖2所示。這種濾波片只能通過被探測目標(biāo)的特定紅外輻射波，而將其它如燈光、陽光等紅外輻射濾掉。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本裝置硬件由單片機(jī)、傳感器、輸出控制等三部分組成，電路原理如圖3所示。其中核心控制單元為AT89C2051單片機(jī)，其引腳功能如圖4所示，該單片機(jī)只有P1口和P3口兩個(gè)端口[7]，P1口是8位標(biāo)準(zhǔn)的I/O端口，P3口不但可以做普通I/O端口使用，而且還有第二功能，即兩個(gè)外部中斷、兩個(gè)全雙向串行通信口、兩個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器以及內(nèi)置一個(gè)模擬比較放大器。本設(shè)計(jì)利用I/O端口P1.0、P1.1、P1.2、P1.5、P1.6、P3.2完成傳感器信號(hào)的接收和控制信號(hào)的輸出，控制用電器即時(shí)開啟與關(guān)閉。

傳感器部分由熱釋電紅外傳感器模塊和光強(qiáng)檢測模塊兩部分構(gòu)成。熱釋電紅外傳感器模塊放置在可以左右旋轉(zhuǎn)的云臺(tái)上，它是由菲涅爾透鏡、熱釋電傳感元件、濾波電路、放大電路等部分構(gòu)成。該傳感器用于檢測人的移動(dòng)，當(dāng)有人移動(dòng)時(shí)，輸出S端輸出高電平，當(dāng)人不動(dòng)或者無人時(shí)，輸出S端輸出高電平延時(shí)后跳到低電平。S端輸出的信號(hào)通過R1和Q2輸入到反相器Q1的基極，經(jīng)過Q1反相后送入AT89C2051的6腳，即I/O端口P3.2。光強(qiáng)檢測部分檢測室內(nèi)光照強(qiáng)度，由光敏電阻RG、Q2、可調(diào)電阻RP構(gòu)成。光敏電阻的阻值隨光照的強(qiáng)弱變化，光照強(qiáng)時(shí)阻值變小，反之阻值變大?？烧{(diào)電阻RP和光敏電阻RG構(gòu)成分壓電路，RG兩端的電壓加到Q2的基極，光照增強(qiáng)時(shí)RG兩端的電壓變小，光強(qiáng)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，Q2飽和導(dǎo)通，反之Q2截止，Q2的發(fā)射極接Q1的基極，Q2飽和導(dǎo)通時(shí)，旁路熱釋電紅外傳感模塊的信號(hào)，AT89C2051的P3.2始終保持為高電平，改變可調(diào)電阻RP，就可以改變RP和RG的分壓比，確保光照滿足需求時(shí)Q2飽和導(dǎo)通。

輸出控制部分由云臺(tái)減速電機(jī)左右旋轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)角度檢測模塊和用電器的啟閉控制模塊構(gòu)成。左右旋轉(zhuǎn)由AT89C2051的12腳和13腳控制，即I/O端口P1.0、P1.1。當(dāng)P1.0和P1.1輸出均為低電平時(shí)，減速電機(jī)M不轉(zhuǎn)，當(dāng)P1.0或者P1.1為高電平時(shí)，減速電機(jī)M左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)，P1.0、P1.1不能同時(shí)為高電平。行程開關(guān)K1、K2分別接入AT89C2051的17腳和18腳，即I/O端口P1.5、P1.6，用來檢測電機(jī)M左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)的最大位置，到達(dá)最大位置時(shí)停轉(zhuǎn)或者回轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。熱釋電紅外傳感模塊感應(yīng)角度約120°，距離7～10 m，電機(jī)帶動(dòng)熱釋電紅外傳感模塊擴(kuò)大偵測范圍，普通教室是完全在偵測范圍內(nèi)的，同時(shí)彌補(bǔ)了熱釋電紅外傳感模塊的一個(gè)不足，即在偵測范圍內(nèi)有人但人不動(dòng)時(shí)熱釋電紅外傳感模塊是沒有輸出的，減速電機(jī)帶動(dòng)云臺(tái)旋轉(zhuǎn)構(gòu)成熱釋電紅外傳感模塊與人的相對運(yùn)動(dòng)，熱釋電紅外傳感模塊輸出高電平。用電器的啟閉模塊由AT89C2051的14腳即P1.2控制，P1.2輸出為低電平時(shí)Q7飽和導(dǎo)通，繼電器KM得電，反之Q7截止，繼電器KM失電。K是空氣開關(guān)與KM構(gòu)成與門電路，K和KM同時(shí)閉合時(shí)用電器L1…LN得電工作。endprint

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件流程圖如圖5所示，系統(tǒng)上電后，由單片機(jī)控制云臺(tái)減速電機(jī)把熱釋電紅外傳感模塊轉(zhuǎn)動(dòng)到正對門口區(qū)域，檢測是否有人進(jìn)門活動(dòng)，若有人進(jìn)入且自然光照弱時(shí)，開啟用電器。當(dāng)延時(shí)結(jié)束，如果人員處于相對靜止?fàn)顟B(tài)或者不在偵測范圍內(nèi)，此時(shí)單片機(jī)啟動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)云臺(tái)旋轉(zhuǎn)，使熱釋電紅外傳感模塊在一定的角度范圍內(nèi)掃描一次，造成熱釋電紅外傳感模塊與人的相對運(yùn)動(dòng)，若有人，熱釋電紅外傳感模塊再次輸出高電平并延時(shí)，若無人，關(guān)閉用電器，電機(jī)把熱釋電紅外傳感模塊轉(zhuǎn)動(dòng)到正對門口區(qū)域，等待再次有人進(jìn)門。當(dāng)自然光照達(dá)到設(shè)定值時(shí)，一直關(guān)閉用電器。

4 結(jié)語

該文介紹一種以單片機(jī)為核心控制單元，利用熱釋電紅外傳感器和光強(qiáng)傳感器構(gòu)成的公共場所節(jié)能照明開關(guān)裝置。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以得出以下結(jié)論：

（1）本裝置可以準(zhǔn)確判斷和控制無人以及有人但自然光照強(qiáng)時(shí)關(guān)燈、有人且自然光照弱時(shí)開燈，實(shí)現(xiàn)了照明控制智能化，真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。

（2）因?yàn)闊後岆娂t外傳感器只能對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)做出判斷，為了克服該不足，本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)控制電動(dòng)云臺(tái)的減速電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使相對靜止的被檢測目標(biāo)發(fā)生相對移動(dòng)，該設(shè)計(jì)可以大大降低開關(guān)誤動(dòng)的可能性。

（3）對本設(shè)計(jì)稍加改動(dòng)，即可用于防盜安全報(bào)警、對靠近野外無人值守設(shè)備或場所的動(dòng)物進(jìn)行驅(qū)趕以及野外動(dòng)物資源的監(jiān)控等等。

參考文獻(xiàn)

[1] 云彩霞，劉林生，李麗芬.智能節(jié)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤炭技術(shù)，2013（2）：42-44.

[2] 馬蕊.基于LonWorks技術(shù)的教室照明節(jié)能系統(tǒng)研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（4）：81-83.

[3] 王秀霞.基于STC12C5410AD系列單片機(jī)的智能LED照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].照明工程學(xué)報(bào)，2012（2）：61-65.

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[5] 張曄，楊衛(wèi)，岳元，等.基于熱釋電紅外傳感器探測距離影響因素的研究[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2010（6）：448-451.

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[7] 張毅剛，彭喜元.單片機(jī)原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 2008.endprint

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件流程圖如圖5所示，系統(tǒng)上電后，由單片機(jī)控制云臺(tái)減速電機(jī)把熱釋電紅外傳感模塊轉(zhuǎn)動(dòng)到正對門口區(qū)域，檢測是否有人進(jìn)門活動(dòng)，若有人進(jìn)入且自然光照弱時(shí)，開啟用電器。當(dāng)延時(shí)結(jié)束，如果人員處于相對靜止?fàn)顟B(tài)或者不在偵測范圍內(nèi)，此時(shí)單片機(jī)啟動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)云臺(tái)旋轉(zhuǎn)，使熱釋電紅外傳感模塊在一定的角度范圍內(nèi)掃描一次，造成熱釋電紅外傳感模塊與人的相對運(yùn)動(dòng)，若有人，熱釋電紅外傳感模塊再次輸出高電平并延時(shí)，若無人，關(guān)閉用電器，電機(jī)把熱釋電紅外傳感模塊轉(zhuǎn)動(dòng)到正對門口區(qū)域，等待再次有人進(jìn)門。當(dāng)自然光照達(dá)到設(shè)定值時(shí)，一直關(guān)閉用電器。

4 結(jié)語

該文介紹一種以單片機(jī)為核心控制單元，利用熱釋電紅外傳感器和光強(qiáng)傳感器構(gòu)成的公共場所節(jié)能照明開關(guān)裝置。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以得出以下結(jié)論：

（1）本裝置可以準(zhǔn)確判斷和控制無人以及有人但自然光照強(qiáng)時(shí)關(guān)燈、有人且自然光照弱時(shí)開燈，實(shí)現(xiàn)了照明控制智能化，真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。

（2）因?yàn)闊後岆娂t外傳感器只能對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)做出判斷，為了克服該不足，本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)控制電動(dòng)云臺(tái)的減速電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使相對靜止的被檢測目標(biāo)發(fā)生相對移動(dòng)，該設(shè)計(jì)可以大大降低開關(guān)誤動(dòng)的可能性。

（3）對本設(shè)計(jì)稍加改動(dòng)，即可用于防盜安全報(bào)警、對靠近野外無人值守設(shè)備或場所的動(dòng)物進(jìn)行驅(qū)趕以及野外動(dòng)物資源的監(jiān)控等等。

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3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件流程圖如圖5所示，系統(tǒng)上電后，由單片機(jī)控制云臺(tái)減速電機(jī)把熱釋電紅外傳感模塊轉(zhuǎn)動(dòng)到正對門口區(qū)域，檢測是否有人進(jìn)門活動(dòng)，若有人進(jìn)入且自然光照弱時(shí)，開啟用電器。當(dāng)延時(shí)結(jié)束，如果人員處于相對靜止?fàn)顟B(tài)或者不在偵測范圍內(nèi)，此時(shí)單片機(jī)啟動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)云臺(tái)旋轉(zhuǎn)，使熱釋電紅外傳感模塊在一定的角度范圍內(nèi)掃描一次，造成熱釋電紅外傳感模塊與人的相對運(yùn)動(dòng)，若有人，熱釋電紅外傳感模塊再次輸出高電平并延時(shí)，若無人，關(guān)閉用電器，電機(jī)把熱釋電紅外傳感模塊轉(zhuǎn)動(dòng)到正對門口區(qū)域，等待再次有人進(jìn)門。當(dāng)自然光照達(dá)到設(shè)定值時(shí)，一直關(guān)閉用電器。

4 結(jié)語

該文介紹一種以單片機(jī)為核心控制單元，利用熱釋電紅外傳感器和光強(qiáng)傳感器構(gòu)成的公共場所節(jié)能照明開關(guān)裝置。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以得出以下結(jié)論：

（1）本裝置可以準(zhǔn)確判斷和控制無人以及有人但自然光照強(qiáng)時(shí)關(guān)燈、有人且自然光照弱時(shí)開燈，實(shí)現(xiàn)了照明控制智能化，真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。

（2）因?yàn)闊後岆娂t外傳感器只能對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)做出判斷，為了克服該不足，本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)控制電動(dòng)云臺(tái)的減速電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使相對靜止的被檢測目標(biāo)發(fā)生相對移動(dòng)，該設(shè)計(jì)可以大大降低開關(guān)誤動(dòng)的可能性。

（3）對本設(shè)計(jì)稍加改動(dòng)，即可用于防盜安全報(bào)警、對靠近野外無人值守設(shè)備或場所的動(dòng)物進(jìn)行驅(qū)趕以及野外動(dòng)物資源的監(jiān)控等等。

參考文獻(xiàn)

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[7] 張毅剛，彭喜元.單片機(jī)原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 2008.endprint