光感與紅外感應(yīng)結(jié)合的“人走燈滅”開關(guān)設(shè)計(jì)與研究

歐紅娟，李貞貞，楊關(guān)獎(jiǎng)，方聲蓉

（西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

0 引 言

目前，高校電力資源的浪費(fèi)情況相當(dāng)嚴(yán)重，主要體現(xiàn)在教室照明用電。單個(gè)40 W日光燈，一個(gè)小時(shí)的節(jié)電量約為0.04度，平均每間教室有30個(gè)日光燈管，一間教室的小時(shí)節(jié)電量約為1.2度，相當(dāng)于節(jié)約人名幣0.6元。對(duì)150間教室，小時(shí)節(jié)電量為150×1.2=180度。全國(guó)3000所高校的小時(shí)節(jié)電量為180×3 000=540 000度。高校作為一個(gè)大型社區(qū)，電力資源消耗量巨大。由于傳統(tǒng)的用電模式和粗放式的管理使得電能的浪費(fèi)量巨大，損失了大量資金。為建設(shè)節(jié)約型的現(xiàn)代化校園，需重視節(jié)約用電的技術(shù)。采用新型用電技術(shù)和新型設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的充分利用。提升學(xué)校的用電管理水平，不僅有利于節(jié)約資金，而且有利于提高資源的利用率。

1 光感與紅外感應(yīng)開關(guān)的設(shè)計(jì)

光敏開關(guān)+紅外感應(yīng)開關(guān)的結(jié)合利用，降低了環(huán)境因素對(duì)電路通斷的影響，有效提高了燈管的發(fā)光壽命，節(jié)約了大量用電資金。該開關(guān)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，成本低廉，可以廣泛應(yīng)用于教室、宿舍、家庭及辦公等場(chǎng)所。

1.1 開關(guān)的功能和要求

對(duì)于產(chǎn)品功能，該項(xiàng)目產(chǎn)品為紅外加光控開關(guān)。此開關(guān)利用紅外感應(yīng)裝置與光傳感器完成設(shè)定任務(wù)，即人來燈亮，人走燈滅。

對(duì)于產(chǎn)品要求，具體包括以下6點(diǎn)。

（1）產(chǎn)品在工作壽命內(nèi)能夠達(dá)到穩(wěn)定工作的要求。（2）產(chǎn)品應(yīng)具有合適的使用壽命。

（3）產(chǎn)品制造價(jià)格應(yīng)滿足普通使用，便于此組合功能性開關(guān)的廣泛應(yīng)用。

（4）產(chǎn)品的感應(yīng)精度應(yīng)不低于普通感應(yīng)開關(guān)實(shí)現(xiàn)感應(yīng)目的的精度要求。

（5）產(chǎn)品應(yīng)具有廣泛的適應(yīng)性。

（6）組合式感應(yīng)開關(guān)應(yīng)拆卸安裝方便。

1.2 開關(guān)的工作原理

紅外人體感應(yīng)裝置通過以下五大步驟進(jìn)行人體檢測(cè)。

（1）光敏傳感器對(duì)外界光強(qiáng)進(jìn)行信號(hào)輸出，光通弱，則檢測(cè)人體紅外信號(hào)，等待紅外信號(hào)的輸入。

（2）固定延時(shí)時(shí)間的按需設(shè)定，初次設(shè)定為30 s。

（3）檢測(cè)人體紅外信號(hào)，有紅外信號(hào)，直接進(jìn)行方位信號(hào)處理；如無，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)對(duì)環(huán)境進(jìn)行第二次檢測(cè)。

（4）在第二次檢測(cè)中，通過電機(jī)控制電路控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)，進(jìn)而控制熱釋電紅外傳感器施轉(zhuǎn)來檢測(cè)人體信號(hào)，如有信號(hào)，實(shí)施方位信號(hào)處理。

（5）基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器和方位信號(hào)處理器輸出相應(yīng)坐標(biāo)，將指令傳遞給單片機(jī)信號(hào)處理器。輸出控制信號(hào)，電路接通。

圖1為多區(qū)域雙控人體感應(yīng)開關(guān)控制流程圖。

圖1 多區(qū)域雙控人體感應(yīng)開關(guān)控制流程圖

此紅外感應(yīng)與光感組合開關(guān)融合了多區(qū)域多控紅外人體感應(yīng)開關(guān)和普通光控感應(yīng)開關(guān)，迎合了實(shí)際需求，即光強(qiáng)時(shí)燈不亮，光弱時(shí)實(shí)現(xiàn)人走燈滅的目的[1]。圖2為電路總體設(shè)計(jì)圖。

圖2 電路總體設(shè)計(jì)

當(dāng)光照強(qiáng)度超過臨界光照強(qiáng)度（使光控開關(guān)閉合的光照強(qiáng)度）時(shí)，光控開關(guān)斷開，電路為開路，紅外感應(yīng)回路不工作，燈不亮；當(dāng)光照光照強(qiáng)度未超過臨界光照強(qiáng)度時(shí)，光控開關(guān)閉合，紅外感應(yīng)電路接入電路，并開始工作，當(dāng)感應(yīng)到人體時(shí)，紅外感應(yīng)開關(guān)閉合，電路接通，燈亮，否則燈不亮。探頭感應(yīng)到人體紅外信號(hào)，將紅外信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷醯皖l信號(hào)，經(jīng)過放大器放大信號(hào)，最終以電壓信號(hào)的形式輸出，從而實(shí)現(xiàn)燈的亮和滅。

1.3 開關(guān)優(yōu)勢(shì)

（1）市場(chǎng)上很少見人體紅外感應(yīng)與光感應(yīng)進(jìn)行組合的功能性開關(guān)，因此產(chǎn)品具有市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。

（2）相較于傳統(tǒng)的普通手動(dòng)開關(guān)，紅外感應(yīng)與光感應(yīng)組合功能性開關(guān)更加智能化，可在很大程度上減少人員管理的任務(wù)[2]。

（3）紅外感應(yīng)與光感應(yīng)組合功能性開關(guān)可以更有效地避免誤判。聲控開關(guān)需要人的聲音一直存在，才能控制燈一直保持打開或者關(guān)閉狀態(tài)。但這無法滿足學(xué)生安靜學(xué)習(xí)的需求，且存在噪聲誤判的情況。

2 可行性研究

2.1 技術(shù)可行性

目前，經(jīng)過實(shí)踐，此功能性開關(guān)的所有需要組件均可以通過電路板進(jìn)行連接，所使用的元件通過簡(jiǎn)單的電路組合就可以獲得所需的功能。此外，在教室四面墻壁安裝紅外感應(yīng)裝置（探測(cè)距離根據(jù)教室大小確定，角度為180度），可以達(dá)到教室全覆蓋的目的。查閱資料發(fā)現(xiàn)，紅外感應(yīng)可以探測(cè)到的一般距離為30 m。同時(shí)，可以結(jié)合區(qū)域控制開關(guān)，達(dá)到不同區(qū)域分開調(diào)控的目的，避免產(chǎn)生一個(gè)人打開大教室所有燈的情況。

2.2 經(jīng)濟(jì)可行性

西安石油大學(xué)鄠邑校區(qū)有兩棟教學(xué)樓，分別為五層和四層，每層教學(xué)樓裝有雙管白熾燈660盞，假設(shè)每盞燈每天平均浪費(fèi)1度電量，學(xué)生平均每年在校270天，那么一年浪費(fèi)掉的電能為1 458 000度。如果應(yīng)用此節(jié)能開關(guān)，將節(jié)約大量電能。

此外，相較于雷達(dá)感應(yīng)，紅外感應(yīng)成本低，更容易實(shí)現(xiàn)，普遍應(yīng)用于學(xué)習(xí)和辦公等公共場(chǎng)所。

2.3 經(jīng)營(yíng)可行性

此產(chǎn)品使得燈具的使用更加智能化，適用于辦公與學(xué)習(xí)區(qū)域，大大減少了未及時(shí)關(guān)燈帶來的電能損失，例如，冬季早上天空昏暗，同學(xué)們上課時(shí)把燈打開，天亮后容易忘記關(guān)燈，造成用電損耗。

此外，產(chǎn)品可以衍生出一整套燈具應(yīng)用。除了大場(chǎng)合應(yīng)用的一開關(guān)控制多燈和小區(qū)域應(yīng)用的一開關(guān)控制一燈的情況，還可以將開關(guān)放于燈具內(nèi)，制造為一體式燈具，用于家庭衛(wèi)生間、陽臺(tái)或者走廊處。此功能性開關(guān)的適用性很強(qiáng)，具有經(jīng)營(yíng)可行性。

3 結(jié) 論

日常生活中，人體紅外感應(yīng)節(jié)能燈的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，如家庭樓道、小區(qū)及酒店等。該項(xiàng)目主要著眼于校園的使用，可在應(yīng)用反響良好后進(jìn)一步推廣至其他鄰域。聯(lián)系各高校負(fù)責(zé)人，將人體紅外感應(yīng)節(jié)能燈投入到各大高校中使用，達(dá)到高校普及的目的。各大高校使用紅外感應(yīng)節(jié)能燈期間，也會(huì)設(shè)置反饋機(jī)構(gòu)，實(shí)時(shí)了解使用情況，并同步對(duì)存在的問題進(jìn)行優(yōu)化和改正。然后將聯(lián)合技術(shù)商、供應(yīng)商及需求客戶，實(shí)現(xiàn)人體紅外感應(yīng)節(jié)能燈的一體化服務(wù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品商業(yè)化模式，以開拓更加廣闊的市場(chǎng)。