单片机控制的热释电红外节能照明开关设计

2014-06-16郑时春等

科技创新导报 2014年4期

郑时春等

摘要：该文设计一种利用热释电红外节能照明开关，该节能照明开关通过单片机处理热释电红外传感模块和光强检测电路输出的信号，准确判断和控制无人时或者有人但自然光照强时关灯、有人但自然光照弱时开灯，实现照明控制智能化，最大限度减小学校等公共场所的用电浪费，真正实现节能的目的。

关键词：热释电红外模块单片机用电器光强

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（a）-0111-02

节能减排已刻不容缓，在绿色环保降低碳排放的倡议下，各种节能设备应运而生，在不同的领域里取得了很大的成就。但在学校等公共场所的用电浪费仍然比较严重，经常教室空无一人，灯和电扇等电器还在工作，有时天气良好，室内光线明亮，已满足学习等活动的要求，而灯仍然还是开着。所以公共场所急需要一种智能控制的节能装置。国内有很多学者基于节能的目的设计了一些节能控制设备，其中利用热释电红外模块作为传感器的节能控制设备是当前的研究热点。文献[1]利用STC单片机为核心，以热释电红外模块做传感器设计了一种节能开关，文献[2]以电力线为载波通信信道的LonWorks技术，利用自然光传感器和人体红外传感器，分别检测光强和教室人员状况，自动调节教室照明系统，达到节能的目的。文献[3]利用热释电红外检测器、光敏电阻和温度传感器采集数据，利用PWM调光技术，通过STC单片机处理后产生PWM信号，根据周围环境情况自动调节LED照明的开关和亮度。文献[4]基于C51单片机的教学楼智能照明系统，以光强检测和热释电红外人体测量电路构成信号输入电路，以C51单片机为控制核心构成。热释电红外传感器是利用被检测对象的相对移动来进行检测的，上述这些文献均未考虑在图书馆或教室等场所，人员处于相对静止状态时，热释电红外传感器模块将不能做出正确的判断。

鉴于此，我们设计出一款用热释电红外模块和光敏元件作为传感器模块，将传感器模块置于电动云台上，用单片机控制云台减速电机旋转，当教室或图书馆等公共场所内人员处于看书等相对静止状态时，减速电机自动旋转，使热释电红外传感器获得被测对象相对移动的信号，用单片机正确控制用电器的开启与停止，减小误操作，达到节约用电的目的。

1 热释电红外传感器工作原理

被动式热释电红外传感器靠接收物体的红外辐射能量并将其转变为电信号的元件。这种红外传感器中包含两个反向串联的热释电元件，当被测对象热红外信号同时射到两个敏感元件上时，两个敏感元件的输出信号极性相反，即为为差动信号相互抵消，没有电压输出，这样即可补偿背景辐射等随机噪声产生的误报[5]。其原理如图1所示，在使用该传感器是D端接电源正极，G端接电源负极，S为信号输出端。当被测目标（比如人体）红外辐射至传感器时，安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号[6]。为了提高传感器对特定波长范围的红外辐射有较高的敏感度，在传感器窗口上加装一块干涉滤波片，如图2所示。这种滤波片只能通过被探测目标的特定红外辐射波，而将其它如灯光、阳光等红外辐射滤掉。

2 系统硬件电路设计

本装置硬件由单片机、传感器、输出控制等三部分组成，电路原理如图3所示。其中核心控制单元为AT89C2051单片机，其引脚功能如图4所示，该单片机只有P1口和P3口两个端口[7]，P1口是8位标准的I/O端口，P3口不但可以做普通I/O端口使用，而且还有第二功能，即两个外部中断、两个全双向串行通信口、两个16位可编程定时计数器以及内置一个模拟比较放大器。本设计利用I/O端口P1.0、P1.1、P1.2、P1.5、P1.6、P3.2完成传感器信号的接收和控制信号的输出，控制用电器即时开启与关闭。

传感器部分由热释电红外传感器模块和光强检测模块两部分构成。热释电红外传感器模块放置在可以左右旋转的云台上，它是由菲涅尔透镜、热释电传感元件、滤波电路、放大电路等部分构成。该传感器用于检测人的移动，当有人移动时，输出S端输出高电平，当人不动或者无人时，输出S端输出高电平延时后跳到低电平。S端输出的信号通过R1和Q2输入到反相器Q1的基极，经过Q1反相后送入AT89C2051的6脚，即I/O端口P3.2。光强检测部分检测室内光照强度，由光敏电阻RG、Q2、可调电阻RP构成。光敏电阻的阻值随光照的强弱变化，光照强时阻值变小，反之阻值变大。可调电阻RP和光敏电阻RG构成分压电路，RG两端的电压加到Q2的基极，光照增强时RG两端的电压变小，光强达到一定强度时，Q2饱和导通，反之Q2截止，Q2的发射极接Q1的基极，Q2饱和导通时，旁路热释电红外传感模块的信号，AT89C2051的P3.2始终保持为高电平，改变可调电阻RP，就可以改变RP和RG的分压比，确保光照满足需求时Q2饱和导通。

输出控制部分由云台减速电机左右旋转及旋转角度检测模块和用电器的启闭控制模块构成。左右旋转由AT89C2051的12脚和13脚控制，即I/O端口P1.0、P1.1。当P1.0和P1.1输出均为低电平时，减速电机M不转，当P1.0或者P1.1为高电平时，减速电机M左转或者右转，P1.0、P1.1不能同时为高电平。行程开关K1、K2分别接入AT89C2051的17脚和18脚，即I/O端口P1.5、P1.6，用来检测电机M左转或者右转的最大位置，到达最大位置时停转或者回转，其结构如图3所示。热释电红外传感模块感应角度约120°，距离7～10 m，电机带动热释电红外传感模块扩大侦测范围，普通教室是完全在侦测范围内的，同时弥补了热释电红外传感模块的一个不足，即在侦测范围内有人但人不动时热释电红外传感模块是没有输出的，减速电机带动云台旋转构成热释电红外传感模块与人的相对运动，热释电红外传感模块输出高电平。用电器的启闭模块由AT89C2051的14脚即P1.2控制，P1.2输出为低电平时Q7饱和导通，继电器KM得电，反之Q7截止，继电器KM失电。K是空气开关与KM构成与门电路，K和KM同时闭合时用电器L1…LN得电工作。endprint

3 系统软件设计

软件流程图如图5所示，系统上电后，由单片机控制云台减速电机把热释电红外传感模块转动到正对门口区域，检测是否有人进门活动，若有人进入且自然光照弱时，开启用电器。当延时结束，如果人员处于相对静止状态或者不在侦测范围内，此时单片机启动电机带动云台旋转，使热释电红外传感模块在一定的角度范围内扫描一次，造成热释电红外传感模块与人的相对运动，若有人，热释电红外传感模块再次输出高电平并延时，若无人，关闭用电器，电机把热释电红外传感模块转动到正对门口区域，等待再次有人进门。当自然光照达到设定值时，一直关闭用电器。

4 结语

该文介绍一种以单片机为核心控制单元，利用热释电红外传感器和光强传感器构成的公共场所节能照明开关装置。通过实验验证可以得出以下结论：

（1）本装置可以准确判断和控制无人以及有人但自然光照强时关灯、有人且自然光照弱时开灯，实现了照明控制智能化，真正实现节能的目标。

（2）因为热释电红外传感器只能对运动目标做出判断，为了克服该不足，本设计利用单片机控制电动云台的减速电机旋转，使相对静止的被检测目标发生相对移动，该设计可以大大降低开关误动的可能性。

（3）对本设计稍加改动，即可用于防盗安全报警、对靠近野外无人值守设备或场所的动物进行驱赶以及野外动物资源的监控等等。

参考文献

[1] 云彩霞，刘林生，李丽芬.智能节电控制系统设计[J].煤炭技术，2013（2）：42-44.

[2] 马蕊.基于LonWorks技术的教室照明节能系统研究[J].大连理工大学学报，2011（4）：81-83.

[3] 王秀霞.基于STC12C5410AD系列单片机的智能LED照明系统的设计[J].照明工程学报，2012（2）：61-65.

[4] 凌振宝，邹得宝，徐民.教学楼智能照明系统的设计与实现[J].吉林大学学报（信息科学版），2009（4）：435-438.

[5] 张晔，杨卫，岳元，等.基于热释电红外传感器探测距离影响因素的研究[J].红外与毫米波学报，2010（6）：448-451.

[6] 刘舒祺，施国梁.基于热释电红外传感器的报警系统[J].国外电子元器件，2005（3）：18-21.