公共場所照明節(jié)電智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 該系統(tǒng)在傳統(tǒng)的熱釋電人體紅外開關(guān)的基礎(chǔ)上，加入以電機(jī)為主的機(jī)械部分，周期性帶動(dòng)熱釋電傳感器移動(dòng)，使靜止的人體對(duì)其產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而能檢測到靜止的人。另外還加入了以Atmega8單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)，在軟件的配合下，系統(tǒng)智能化程度高，能正確判斷周圍環(huán)境并進(jìn)行動(dòng)作。因此能用于教室、辦公室等對(duì)照明質(zhì)量要求較高的場合，實(shí)現(xiàn)有人區(qū)域燈亮，無人區(qū)域燈滅的效果，達(dá)到節(jié)能目的。此外，該系統(tǒng)安裝時(shí)，只需對(duì)原有線路進(jìn)行小范圍的改動(dòng)，使用方便。
關(guān)鍵詞 熱釋電傳感器；光電開關(guān)；Atmega8；智能控制

    現(xiàn)今部分公共場所，如廁所、走廊等以聲、光作為輸入變量的智能開關(guān)使用較普遍，且技術(shù)比較成熟，生產(chǎn)成本低、可靠性高。但在教室、辦公室、圖書館等對(duì)照明質(zhì)量要求較高的場合，聲光開關(guān)由于智能化程度較低而不能勝任。部分大樓采用底層控制系統(tǒng)加485總線，組成網(wǎng)絡(luò)，由管理員通過計(jì)算機(jī)控制，這樣雖然能達(dá)到節(jié)電的目的，但實(shí)現(xiàn)起來較復(fù)雜，成本較高，而且需要人為控制。當(dāng)今社會(huì)倡導(dǎo)節(jié)能低碳，這給企業(yè)帶來了商機(jī)。但大部分企業(yè)更多是在燈上做文章，比如白熾燈改用節(jié)能燈或成本較高的LED照明燈。很少有企業(yè)把目光集中在低成本的智能節(jié)電開關(guān)上。市場上，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能、價(jià)格低廉、可靠工作的智能節(jié)能開關(guān)較少，本文設(shè)計(jì)了一種控制方式靈活方便，配置合理，一次性投入與運(yùn)行費(fèi)用低廉，安裝簡單，維護(hù)方便，能滿足用戶多樣性要求，適于推廣的新型智能照明系統(tǒng)。

1 整體方案設(shè)計(jì)
    教室內(nèi)通常采用日光燈作為照明燈具，中等大小的教室一般裝有前、中、后3排燈，因此可對(duì)每個(gè)區(qū)域的燈單獨(dú)進(jìn)行控制。如圖1所示，每個(gè)區(qū)域用兩個(gè)熱釋電人體紅外檢測模塊覆蓋，因此一間教室需要6個(gè)熱釋電人體紅外檢測模塊。控制系統(tǒng)通過控制繼電器的吸合來執(zhí)行開燈動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)弱電與強(qiáng)電的隔離。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)包括單片機(jī)控制模塊、開關(guān)電源模塊、線性電源模塊、電機(jī)傳動(dòng)模塊、熱釋電人體紅外探測模塊和可見光探測模塊等。開關(guān)電源產(chǎn)生+8 V的電壓經(jīng)LM7805線性穩(wěn)壓至+5 V，給單片機(jī)與可見光探測組件供電。單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)電源紋波敏感，因此分開供電既避免了開關(guān)電源紋波與電機(jī)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢影響單片機(jī)程序的正常運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又可以在白天光線充足時(shí)，通過K1切斷熱釋電人體紅外探測模塊與電機(jī)傳動(dòng)模塊的供電，使系統(tǒng)功耗減少。另外，把開關(guān)電源與線性電源的輸出壓差設(shè)置為+3 V，既能保證線性電源的正常工作，又減少了LM7805上的熱功耗。在白天光線充足時(shí)系統(tǒng)處于實(shí)時(shí)監(jiān)測狀態(tài)，單片機(jī)處于掉電模式，系統(tǒng)功耗<1mW。

    系統(tǒng)的工作過程：可見光探測組件檢測光照信息，光線充足時(shí)，單片機(jī)處于掉電模式，K1，K2斷開；光線不充足時(shí)，單片機(jī)被喚醒，并控制吸合K1，使電機(jī)傳動(dòng)模塊與熱釋電人體紅外探測模塊工作，此時(shí)，如熱釋電人體紅外探測模檢測到燈下有人，單片機(jī)控制K2吸合，點(diǎn)亮電燈。此后，電機(jī)間隔一定時(shí)間帶動(dòng)熱釋電人體紅外探測模掃描一次，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)有人時(shí)電燈持續(xù)點(diǎn)亮，無人時(shí)電燈延遲一定時(shí)間后自動(dòng)關(guān)閉。

2 熱釋電人體紅外探測模塊電路設(shè)計(jì)
    熱釋電人體紅外探測模塊為本系統(tǒng)的“眼睛“主要由熱釋電紅外傳感器、菲涅爾透鏡、紅外傳感信號(hào)處理器芯片，以及少量的電阻電容等外圍元件組成。這里選用的熱釋電紅外傳感器為RE200B，紅外傳感信號(hào)處理器芯片BISS0001。
    熱釋電人體紅外探測模塊電路如圖3所示，當(dāng)有人在熱釋電人體紅外傳感器RE200B警戒范圍內(nèi)走動(dòng)時(shí)，人體發(fā)出的微弱紅外線通過菲涅爾透鏡聚焦后，在傳感器的內(nèi)部敏感元件上引起溫度變化，使其產(chǎn)生極化，從而產(chǎn)生電壓差，從S腳輸出。此電壓信號(hào)雖然經(jīng)過了內(nèi)部場效應(yīng)管的放大，但仍相當(dāng)微弱，將它送至紅外傳感信號(hào)處理器BISS001的1IN+輸入端，經(jīng)兩級(jí)放大、雙向鑒幅、延時(shí)處理后，最終從BISS001的輸出端V0輸出高電平延時(shí)脈沖信號(hào)。將BISS001內(nèi)部放大器分離出來，信號(hào)放大部分等效電路如圖4所示。信號(hào)由OP1的同向端輸入，交流信號(hào)時(shí)，C7相當(dāng)于短路，信號(hào)在該級(jí)放大(1+RPL1／R13)倍，直流信號(hào)時(shí)，C7相當(dāng)于開路，OP1相當(dāng)于一個(gè)電壓跟隨器，對(duì)直流信號(hào)無放大作用。OP1輸出信號(hào)經(jīng)C6耦合至OP2的反向輸入端，經(jīng)R9、R10、OP2組成的反向放大電路后，在該級(jí)被放大-R10／R9倍。OP2的同向輸入端接大小為VM的參考電壓，使最終輸出電壓直流電位提高了VM，提高了抗干擾能力。

    由于系統(tǒng)要求有人燈持續(xù)點(diǎn)亮，所以BISS001的控制端A必須選定為可重復(fù)觸發(fā)工作方式，所以輸出脈沖信號(hào)的延時(shí)時(shí)間Tx與重復(fù)觸發(fā)有關(guān)，即若一直檢測到有人在走動(dòng)時(shí)，V0將一直是高電平輸出。
    BISS001輸出地高電平脈沖信號(hào)送至單片機(jī)，單片機(jī)判斷處理后，發(fā)出信號(hào)控制繼電器點(diǎn)亮電燈。而當(dāng)人離開熱釋電紅外傳感器警戒范圍內(nèi)時(shí)，電路從最后一次觸發(fā)延時(shí)Tx后U39輸出低電平，單片機(jī)判斷處理后控制繼電器關(guān)掉電燈，達(dá)到了無人自動(dòng)關(guān)燈的要求。

3 電機(jī)傳動(dòng)模塊設(shè)計(jì)
    電機(jī)傳動(dòng)模塊主要包括傳動(dòng)機(jī)械部分與電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分。傳動(dòng)機(jī)械部分由電機(jī)、齒輪、蝸桿與支架構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單。下面主要介紹電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，電路如圖5所示。

    電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由4個(gè)晶體管，4個(gè)二極管，和限流電阻RPL4組成。Q3、Q4為8050(npn)型功率三極管，Q5、Q6為8550(pnp)型功率三極管，4個(gè)三極管組成橋式驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)正轉(zhuǎn)控制端輸入高電平，反轉(zhuǎn)控制端輸入低電平時(shí)，電流方向?yàn)椋篤MOT→Q3→直流電機(jī)線圈→Q6→地，電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，當(dāng)正轉(zhuǎn)控制端輸入高電平，反轉(zhuǎn)控制端輸入高電平時(shí)，電流方向?yàn)椋篤MOT→Q4→直流電機(jī)線圈→Q5→地，電機(jī)反轉(zhuǎn)。由于電路采用兩對(duì)互補(bǔ)的功率管，因此當(dāng)兩控制端同時(shí)為高電平或者同時(shí)為低電平時(shí)，都不會(huì)使處在同一邊的兩個(gè)功率管同時(shí)導(dǎo)通，造成電流過大擊穿導(dǎo)體管。因此無須使用數(shù)字邏輯門確保兩控制端電位相反，也無須在軟件中通過延時(shí)設(shè)置死區(qū)時(shí)間。D3～D6為續(xù)流二極管，當(dāng)電機(jī)線圈中電流方向發(fā)生改變時(shí)，線圈電感將產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動(dòng)勢，使功率管的C＼E間承受很大的反向電壓，容易損壞功率管，在C＼E間反向并聯(lián)二極管，給感應(yīng)電動(dòng)勢提供放電回路，可以有效地保護(hù)功率管。RPL4為基極限流電阻，由于本設(shè)計(jì)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩要求較低，RPL4可以調(diào)節(jié)電機(jī)的速度，使系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。

4 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    單片機(jī)控制系統(tǒng)除單片機(jī)最小系統(tǒng)外，還包括熱釋人體紅外檢測信號(hào)的輸入端口，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制端口，可見光感應(yīng)模塊，熱釋電、電機(jī)傳動(dòng)電源開關(guān)與電燈開關(guān)。

    如圖6所示，CNL1、CNL2為電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制端口，PB3～PB5為MCU的SPI接口，此處只做程序下載口用。Y1、C4、C5組成時(shí)鐘電路，Atme-ga8引腳XTAL1，XTAL2上外接石英晶體(Y1)和電容組成的諧振回路，配合片內(nèi)的OSC振蕩電路構(gòu)成的振蕩源作為系統(tǒng)時(shí)鐘源，C4、C5為微調(diào)電容，有幫助起振與頻率微調(diào)的作用。R7、R8、S1、C2組成單片機(jī)復(fù)位電路，單片機(jī)復(fù)位引腳RESET為低電平且低電平持續(xù)時(shí)間>1．5μs時(shí)，MCU復(fù)位。系統(tǒng)加電時(shí)，對(duì)C2進(jìn)行充電，短時(shí)間內(nèi)(>1．5μs)C2相當(dāng)于短接到地，使MCU復(fù)位。當(dāng)系統(tǒng)程序跑飛或死機(jī)時(shí)，可按S1使MCU強(qiáng)制復(fù)位?？梢姽飧袘?yīng)模塊由光敏電阻R_LIGHT，與可調(diào)電阻RPL3組成，光敏電阻的亮電阻與暗電阻相差很大，讓它與RPL3分壓，在有光與無光的條件下會(huì)得到不同的電平。兩個(gè)開關(guān)的電路結(jié)構(gòu)相同，由基極限流電阻、功率三極管、續(xù)流二極管，繼電器組成，各元件作用跟電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中相似。

5 結(jié)束語
    目前，低成本智能節(jié)能開關(guān)的使用較少。而學(xué)校教室、圖書館等還在使用傳統(tǒng)的按鍵式開關(guān)。企業(yè)大多把注意力集中在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，高成本是其普及的最大阻力。所以，市場上同價(jià)位的同類產(chǎn)品較少。低成本智能節(jié)電系統(tǒng)將擁有廣泛的市場前景。