红外智能计数节能控制开关的设计

肖 博

（郑州航空工业管理学院，河南郑州 450003）

·机械设计与制造·

红外智能计数节能控制开关的设计

肖 博

（郑州航空工业管理学院，河南郑州 450003）

本文主要针对目前高校教学楼的电能浪费严重，用电设备控制和管理不足，教室资源利用不合理的现状，特别是在人离开教室后照明设备等因忘记关闭而造成的巨大电能浪费问题，设计了一款红外智能计数节能控制开关。该系统采用模块化结构设计，具有条理清晰、通用性好、便于改进和扩充、体积小、控制方便、智能化和人性化程度高等优点。达到了节能环保的目的，为构建节约型社会做出一份贡献。

智能系统；教室照明；节能环保；红外线感应；机电一体化

1 研制背景和意义

随着社会生产力的不断发展和全球范围内工业化的不断深入，经济发展对于能源的依赖性日益加重，然而，全球的能源储备量却急剧下降。在这种大环境下，节能减排日益成为国际上议论的核心话题。由此可见，能源浪费已经成为各国亟待解决的问题。然而现在的人们节约能源的意识普遍不强，日常生活中对于电能的浪费随处可见。其中，不必要的长明灯现象就是电能浪费最典型的例子。

2006 年初，政协九届委员董秦明确指出，在单位不经意之中所形成的浪费尤其是不必要的长明灯现象，是一笔巨大的支出，这种现象严重违背了我国建设资源友好型社会的政策，是政府部门亟待解决的问题。同时山东经济学院的孙如教授给记者们算了这样一笔账：一座使用面积为5 000m2的教学楼，一般每10m2配置一盏40W的灯具，若按“长明灯”每天浪费两小时计算，一天就浪费电能40kW·h，以学生一年在校9个月计算，每座教学楼一年将浪费电能约10 800kW·h。

国内部分学校也意识到了教室照明中存在的巨大浪费，采取了各种各样的管理方式，企图来杜绝这种浪费。如:费用包干制、任课教师负责制、组织勤工俭学学生或聘用专职人员进行专门管理，拉闸限电等等。许多学校都采取过这些方法，但始终没能长久坚持下去，也就没有取得理想效果。国内产品研究也存在诸多问题。

而在日本，像松下、索尼、东芝等大型的电子公司都有自己的智能办公大楼。这些智能化建筑能精确地控制建筑物内的能源消耗，使能源浪费的程度降到最低。在实际应用中，英国希思罗（Heathrow）国际机场T5候机楼是一个较为成功的案例，航站楼范围内的大部分的照明，都采用了西门子instabus KNX／EIB系统实现照明控制。但是该系统的设计原理复杂繁琐，操作人员的知识水平要求过高，维修太难，成本巨大，相较于高校应用的节能控制显得太过于高端，费用也无法承受。

因此设计针对目前高校教室“人走不关灯”的电能资源严重浪费现象，开发了一套人性化智能管理系统，提高用电效率，实现手自一体的灯光控制，功能较完善的教室智能控制节能开关。

2 系统总原理设计

红外智能计数节能开关分为检测模块、处理模块和控制模块3大部分。

该系统利用开关电源由220V降压到24V供电。控制模块安装在照明设备电路的干路上，且控制模块的固态继电器、光敏电阻和手动开关串联。根据室内实际人员有无来控制单片机上电磁继电器的通断，同时结合光敏开关和手动开关，三重控制来自动控制照明灯电路，并实现对照明灯的自动关闭和部分情况下的自动接通。由检测装置对进出教室的人员进行检测，并将产生的脉冲信号传送给处理模块分析处理得出结果，再按预先设定好的程序控制控制模块，实现固态继电器的通断切换。最终实现智能节能等目的［1-3］。系统主电路如图1所示。

图1 系统主电路图

3 系统方案设计

3.1 检测模块的设计和原理

3.1.1 红外光电传感器

本文选用的是PES-R18NO3MD NPN（回归反射常开型）红外光电开关。

主要技术参数：供电电源：DC:10～30V；输出电流≤200mA；检测距离：3m；环境照度：白炽灯≤3000LX/日光≤10000LX；反射类型：漫反射型

工作原理：反射式光电开关是集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜，反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。

本文中传感器共两组4个（分为A、B两组）。分别处于水平和垂直位置，传感器串联连接，以提高检测精确度。将检测数据传送给处理模块。

3.1.2 门磁开关

该课题选用的是MC-18常开型门磁开关。

主要技术参数：尺寸：19×15×8（mm）；主要材料：ABS外壳，日本OKI干簧管；工作距离：15mm-+5；固定形式：螺丝；供电电压：5V直流；最大承受电流：0.5A；最大承受电压：100V；最大承受功率：10W；使用寿命:100万次。

工作原理：门磁开关主要由开关和磁铁两部分组成，开关部分由磁簧开关经引线连接，定型封装而成；磁铁部分由对应的磁场强度的磁铁封装于塑胶或合金壳体内，当两者分开或接近至一定距离后，引起开关的开断从而感应物体门磁开关位置的变化。

该开关置于检测模块电源的干路上，其两个部分分别置于门框和门上，计算好位置和角度安装，通过开关门实现门磁开关的通断，控制红外传感器信号传输的通断，进而消除开关门时对检测结果的影响。

3.2 处理模块的设计及原理

3.2.1 单片机

处理模块主要电子元器件是STC89C52R型单片机。工作电压：5.5V～3.3V；工作频率范围：0～40MHz。

图2 引脚图

通过编写程序对接收的信号进行分析处理，然后控制控制模块实现通断的切换。人员进出房间触碰到两组红外传感器的顺序不同，以此识别是进还是出。红外传感器将进门的信号传递到单片机，单片机进行编码转化，与之相连的计数程序进行加1运算。当人走出时，所触碰两组传感器的顺序正好相反，此时计数器程序执行减1运算。当运算结果为初始数据时，单片机会发出一个指令，开关自动断开，从而达到“人走灯灭”的目的［4］。

图2是STC89C52R型单片机引脚图。

3.2.2 光耦电路

由于光电传感器的电压是24V，输出电压也是24V，而单片机的工作电压是5V。光电传感器的输出电压远高于单片机工作电压，所以需要一个光耦电路进行转换。光耦电路图如图3所示：

图3 光耦电路图

3.3 控制模块的设计及原理

3.3.1 继电器

选用的是CDG1-1DA/10A单相固态继电器。

主要技术参数：控制方式：直流控交流；输出电流：10A；输入电压/电流：3-32VDC/<03mA；负载电压：24-480VAC；通态降压：1.6VAC；通断时间：≤5ms；电寿命：≥100万次。

工作原理：固态继电器是一种无触点电子开关，由分立元器件、膜固定电阻网络和芯片，采用混合工艺组装来实现控制回路（输入电路）与负载回路（输出电路）的电隔离及信号耦合，由固态器件实现负载的通断切换功能，内部无任何可动部件。主要由输入（控制）电路，驱动电路和输出（负载）电路三部分组成［5］。

继电器置于室内照明电路的干路上，由处理模块分析处理的数据结果控制固态继电器信号的触发与否，然后其输出电路在触发信号的控制下，实现固态继电器的通断切换。最终实现对照明设备的智能控制［6-7］。

3.3.2 光敏传感器

选用的是通用型光敏开关。

主要技术参数：供电电压：12VDC；电流：＞100mA；负载：250V 10A。

工作原理：光敏电阻是一种半导体器件，利用半导体的光电效应。当有光照时电阻很小。无光照时电阻很大。

光敏开关置于照明电路的干路上，它的串联使用避免了在白天光线较强时照明灯处于工作状态的情况，也可实现光线由暗转亮时照明灯的自动断开和部分情况下的自动接通，从而实现了智能节能的目的。

3.3.3 手动开关

选用的是普通的家用型开关。

置于照明电路的干路上，主要是实现开灯和在特殊情况下断开照明电路的功能［8］。体现了该系统更加具有操作性和人性化的特点。

控制模块的电路图如图4所示：

图4 电路图

4 控制模块的程序设计

A1、A2两个传感器串联（B同A），光耦电路的信号输出端分别接到单片机的P3.3口和P3.2口。A1、B1两个传感器分别垂直安装在门框外、内；A2、B2两个传感器分别水平安装在门框外、内的两侧适当的高度（安装图如图5和6）。

继电器、光敏电阻和手动开关串联在照明电路的干路上。微处理器的初始值设定为100，当有人进入教室时，检测模块检测到信号后（先经过A组，再经过B组），计数程序进行加1运算，计数显示由100变为101，接收模块指示灯亮有信号传入，则继电器将闭合，控制负载进行工作。如果继续有一人进入教室，那么将会继续进行加1运算，一直循环；当有人出教室时，检测模块检测到相反的信号（先经过B组，再经过A组）后，处理模块再次有信号传入，计数程序进行减1运算，直至计数显示由101变为100时，按程序设定，延时一段时间后将继电器断开，从而照明设备关闭，进而达到“人走灯灭”的智能节能的功能［9-10］。

图5

图6

5 出现的主要问题及分析解决

问题1：进出教室时，人行走过程中摆手对检测装置的干扰问题（“摆手”问题）。

分析解决：对于这个问题，该开关系统采用两组、四个红外光电传感器串联检测。只有四个传感器同时检测到有人时，才会将产生的信号传送给处理模块进行分析。

问题2:人体存在传感器，有人存在时输出高电平的电压偏低。

分析解决:人体存在传感器，使输出高电平的电压偏低，单片机会产生误判，或采集不到正确的信号，于是在人体存在传感器的输出端加一个100千欧的上拉电阻。

问题3:每次开机插上电源后，硬件时钟显示的时间都从所设初始值开始计时。

分析解决:硬件时钟显示的时间不正常。解决办法:一方面是充电电池没有充电功能；另一方面是应对硬件时钟先进行自检。

6 结语

系统的设计从低碳环保的理念出发，立足于节能，对高校教室的灯光控制具有普遍适用性。开关系统具有多个创新点：（1）通过每组两个红外传感器的二维检测，从而对进出房间人数的检测准确度大幅提高；（2）门磁开关的串联使用避免了门对红外传感器的影响；（3）光敏开关的串联使用避免了在白天光线较强时照明灯处于工作状态的情况，也可实现光线由暗转亮时照明灯的自动断开和部分情况下的自动接通；（4）开关24小时工作，能全天准确判断人数。（5）既可自动也可手动控制照明灯的通断。此装置也可控制多个照明灯。（6）照明灯坏掉或更换，该系统仍能继续使用。同时该开关系统属于一个载体平台，今后可以搭载其他模块，完成不同功能。例如，签到、室内人数统计、上下课铃声提醒等。

经过初步试验，系统能够完成设计的要求，智能控制开关灯，具有良好的稳定性，达到了较好的节能效果。

［1］周瑶.高校教室灯光节能控制系统的设计［D］.郑州大学，2010.

［2］姜涛，王浩.高校教室节能照明改造与设计［J］.照明工程学报，2014（5）：40-45.

［3］王昊辰.高校教学楼智能灯光控制系统设计［D］，2014.

［4］曾屹.单片机原理与应用［M］.中南大学出版社，2009.

［5］郭培源，付杨.光电检测技术与应用［M］.北京航空航天大学出版社，2009.

［6］吴建平.传感器原理及应用［M］.机械工业出版社，2009.

［7］陈龙三.8051单片机C语言控制与应用［M］.北京：清华大学出版社，1999.

［8］宋建国.AVR单片机原理及应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2000.

［9］赵本虎，赵国库.基于单片机的室内灯光控制系统设计［J］.江苏冶金，2004（5）：31-35.

［10］夏勇，黄子豪.教室灯光节能控制系统的设计［J］.科学与财富，2014（11）：79-81.

The Design of Infrared Intelligent Energy-saving ControlSw itch

Xiao Bo
(Zhengzhou Institute of Aeronautics IndustryManagement，Zhengzhou Henan 450003)

The paper mainly targeted at the situation of serious power waste of universities teaching buildings，insufficientcontrolandmanagementof electrical equipment，unreasonable use of classroom resources，especially the enomorous powerwaste problem caused by people leaving the classroom without turning off the lighting equipment，designed an infrared intelligentenergy-saving control switch.The system used themodular structure design，with the advantagesof clarity，good common，easy forexpansion，smallvolume，convenient control，being intelligent，and high humanization.The purpose of energy-saving and environmental protection has been achieved and it made a contribution forbuild a conservation oriented society.

intelligent system;classroom lighting;energy saving;environmental protection;infrared induction; Mechatronics

TP273

：A

：1003-5168（2015）03-0046-4

2015-2-15

肖博（1992.6-），男，本科，专业：机械设计制造及其自动化。