红外智能渐变式LED台灯的研究与设计

汤莉莉，黄 伟，黄孝康

(1.湖北大学知行学院，湖北武汉430011;2.湖北航天技术研究院总体设计所，湖北武汉430040)

0 引言

智能家居系统［1］是当今时代的一个主旋律，该系统使我们的家庭生活更加节能、智能、安全和便利。其中照明系统［2，3］是不可或缺的一部分，普通台灯只有开和关2种状态，不能自动调节光线;而LED智能台灯的设计能够很方便地应用到智能家居中，方便人们进出房间里面，它能够根据人体和光线的强弱来智能控制家庭里面的各种灯具［4］。本设计要实现的功能是当人体进入热释电红外传感器监测范围时，信号处理电路检测到高电平信号，使继电器吸合，同时如果光线比较暗，光敏电阻阻值变大使另一路继电器吸合LED灯点亮，如果光线继续变暗则通过光控灯模块使LED灯逐渐变得更亮，若外界光线比较强，LED灯就自动逐渐熄灭。当人离开热释电红外传感器监测范围时，即使外界光线再暗，LED灯也不会点亮［5］。通过时钟芯片LED台灯上的LCD液晶屏可以实时显示当前的时间、日期、星期和温度等相关信息。

1 总体设计方案

总体方案设计如图1所示。

图1 总体方案设计

本系统主要由硬件系统和软件系统2大系统组成，分别由电源模块［6］、红外信号处理模块、光控灯模块、继电器模块、实时时钟模块、DS18B20温度传感器模块、51单片机模块［7，8］和 LCD液晶模块这8个模块构成。电源模块主要是为整个装置提供电源能量。

2 硬件系统

2．1 人体热释电红外传感器

人体热释电红外传感器［9］是以非接触的方式检测人体红外线(非电量)信号，并将其转化为电压(电量)信号。人体热释电红外传感器控制装置既可应用于安全防盗报警系统，也可用于红外开关控制系统、自动控制系统和遥测等相关领域。其特点是:不需要用专门红外线发射源，可隐蔽性好，安装比较灵活，传感器灵敏度高，配合菲涅耳透镜能使传感器检测范围更大。

2．2 BISS0001红外处理芯片

BISS0001芯片具有较高的红外传感信号处理性能，配合人体热释电红外传感器、光敏电阻和部分外围器件可变成一种被动式的红外开关，能很方便地自动开启各类灯具、电风扇和自动洗手池等控制装置，在各类控制系统中应用广泛。其特点是:具有高输入阻抗运算放大器和A/D混合功能，内设封锁和延迟时间定时器，可与多种传感器匹配并进行信号处理，稳定性好，可靠性高，工作电压范围在+3～+5 V。

2．3 人体热释电红外信号检测及处理电路

由热释电红外传感器接收人体辐射的红外信号，并经过BISS0001红外信号处理芯片及外围电路进行滤波、放大和延时等进行处理，最后送到继电器模块来控制光控灯模块，热释电红外信号检测电路如图2所示。

图2 热释电红外信号检测电路

2．4 光控灯电路

该光控灯电路具有环境亮度检测和渐变式控制功能，当光敏三极管处于亮(暗)环境下时能够自动关(开)灯，当外界光线逐渐变亮(较暗)时，此时LED灯逐渐被熄灭(点亮)，由此来实现渐变式自动调光的功能。光控灯电路的总体电路设计如图3所示。

图3 光控灯电路

2．5 继电器控制模块

继电器［10］是一种电控制器件，它内部有线圈，在线圈中通入电流时，就产生磁场，变成电磁铁，在磁极处有个衔铁作为动触点，当通过电流时，由于衔铁被吸合，就可以实现与静触点的断开或闭合，从而控制电路的通断。本设计采用继电器来驱动控制光控灯电路，以达到控制LED灯的亮暗变化。继电器模块如图4所示。

图4 继电器控制模块

3 软件系统

当进行中断服务程序时，要及时进行现场保护，并将定时器、计数器赋初值，当查询次数为20次时刚好1 s，当秒计数60次时向分进位，当分计数60次时，向时进位，当时计数到24次时，清零。中断服务程序流程如图5所示。

图5 中断流程

4 方案难点及关键技术

方案难点如下:

①传感器采集人体和光线信号比较微弱且极其不稳定，存在很多不确定因素;这对传感器采集信号处理电路的稳定性提出了更高的要求;

②根据环境时间和空间的不同，存在光控和热释电红外传感器的感应距离和灵敏度设定、测量与分析的难点;

③在设计方面采用非程序控制的方式来实现红外智能渐变式LED台灯的控制，由于硬件电路的设计对元器件的性能参数要求较高，这就使得在电路设计、组装调试方面难度加大。

关键技术包括:

①通过人体辐射的红外线和外界光线的强弱来渐变式地控制LED台灯;

②采用人体热释电红外传感器模块电路来处理人体辐射的红外信号;

③光敏电阻和红外传感器检测电路配合继电器的使用;

④软件设计中，多个中断同时使用且相互之间不会产生影响。

5 系统的测试

系统测试结果分析如下:

①能够较灵敏地通过感应人体和外界光线的强弱控制LED灯的逐渐亮灭，实现了智能控制;

②红外感应距离为0～6 m，光敏三极管较明显地感应距离设定为30 cm左右，也可以根据需要灵活设定;

③通过与普通白炽灯和节能灯作对比，LED灯有很明显的节能、经济效果;

④通过与普通白炽灯和节能灯作对比，发现LED灯光线比较柔和且是渐变式，能够很好地保护视力;

⑤能精确地实时显示当前的时间和温度等信息。

6 结束语

通过对系统进行调试与分析，测得热释电红外探测器的探测距离是6 m左右且距离可调，不同的用户可以根据自己的实际情况来调节探测距离。该红外智能系统可以用于酒店、教学楼走廊照明、家用台灯和公共场合室外路灯等。本款红外智能渐变式LED台灯的成功研制不仅方便了人们的生活，而且达到了智能控制、节约能源和经济的目的，可以广泛应用于学习、生活和工作之中，具有一定的使用价值和市场前景。

［1］ 周 洪，胡文山，张立明，等．智能家居控制系统［M］．北京:中国电力出版社，2006．

［2］ 张岳军，吴明光．智能照明系统控制网络的研究［J］．照明工程学报，2004(4):18.21．

［3］ 杨 恒．LED照明驱动电路设计与实例精选［M］．北京:中国电力出版社，2008．

［4］ 刘怡静，李大白，魏政霞．人工智能技术在认知无线电中的应用［J］．无线电通信技术，2011，37(2):51 －54．

［5］ 汤新广．基于认知无线电的OFDM智能侦察监测系统［J］．无线电工程，2011，41(4):17 －19．

［6］ 华成英，童诗白．模拟电子技术基础(第4版)［M］．北京:高等教育出版社，2006．

［7］ 郭天祥．新概念51单片机C语言教程—入门、提高、开发、拓展全攻略［M］．北京:电子工业出版社，2009．

［8］ 沈卫红．单片机应用系统设计实例与分析［M］．北京:北京航空航天大学出版，1999．

［9］ 赵继文．传感器与应用电路设计［M］．北京:科学出版社，2002．

［10］黄继昌．电子元器件应用手册［M］．北京:北京人民邮电出版社，2004．