基于傳感器設(shè)計室內(nèi)照明設(shè)備的自動控制系統(tǒng)

1.引言

隨著經(jīng)濟社會的飛速發(fā)展，電能越來越緊張，電能浪費的現(xiàn)象卻依舊存在。許多高校存在著教室照明管理不到位的問題，在夜晚，空無一人的教室仍然是燈火輝煌，對于這類大型樓宇，照明節(jié)能日顯重要。現(xiàn)普及的照明節(jié)能開關(guān)基本有聲控型、接觸型等，由于使用的局限性，這些開關(guān)只能作為控制控制系統(tǒng)的輔助部分。要實現(xiàn)室內(nèi)照明系統(tǒng)智能化、節(jié)能化，最重要的一點是該系統(tǒng)能探測和判斷是否有人的存在，而市面上的被動式熱釋電紅外傳感器，局限于檢測動態(tài)人體，對靜坐教室學(xué)習(xí)的人不做任何反應(yīng)。本項目組基于主動式熱釋電紅外傳感器設(shè)計了一種低成本、低耗電的室內(nèi)自動控制系統(tǒng)。

2.系統(tǒng)總體功能與結(jié)構(gòu)

2.1 功能特點

采用熱釋電紅外技術(shù)探測室內(nèi)是否有人存在，當(dāng)有人進入室內(nèi)時，傳感器探測到人體的散發(fā)的紅外線，產(chǎn)生電流信號，信號經(jīng)過集成處理電路IC處理后傳送給單片機，單片機通過控制繼電器來控制照明設(shè)備的開關(guān)，此后單片機控制電動機帶動傳感器間隔時間段旋轉(zhuǎn)，若室內(nèi)一直有人體存在，照明設(shè)備保持通電狀態(tài)，人離開后，傳感器在下一個探測周期內(nèi)由于檢測不到人體而關(guān)閉負載。即可實現(xiàn)“人到燈亮，人在燈亮，人離燈滅，安全節(jié)能”的效果。

采用光敏電阻檢測室內(nèi)光的強度。利用光敏電阻的光照特性，在一定電壓下光敏電阻產(chǎn)生的電流隨著相對光強的變化而變化，將這些電信號送至單片機，通過單片機自動控制照明電器的開關(guān)。

在模型耗電方面，傳感器在旋轉(zhuǎn)的情況下，最高5W,在靜態(tài)的情況下，最高0.5W,若在教室內(nèi)合理布置該傳感器，能實現(xiàn)照明設(shè)備的節(jié)能控制。

2.2 結(jié)構(gòu)框圖

本設(shè)計由主動式熱釋電紅外傳感器檢測模塊、單片機控制模塊、環(huán)境光強檢測模塊、繼電器執(zhí)行模塊組成。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)備

3.1 主動式熱釋電紅外傳感器

正常人體的體溫都在36~37℃，會散發(fā)出9~12μm的紅外線。熱釋電紅外線傳感器能感應(yīng)的紅外線波長在0.2~20μm,人體散發(fā)的紅外線能被該感應(yīng)器接收。當(dāng)人體產(chǎn)生交替變化的紅外輻射聚焦到紅外感應(yīng)晶體上時，晶體表面溫度發(fā)生變化，具有熱釋電效應(yīng)的晶體產(chǎn)生極化現(xiàn)象。被動式傳感器檢測不到靜態(tài)人體的原因是，在檢測區(qū)域內(nèi)靜態(tài)人體產(chǎn)生的紅外輻射不變化，電解質(zhì)晶體表面溫度維持不變，不能產(chǎn)生電信號，只有當(dāng)人體散發(fā)的紅外線交替變化時，電解質(zhì)晶體表面的溫度隨之變化，表面電荷量也會隨之變化的同時產(chǎn)生多余的浮游電荷而產(chǎn)生電信號?；谏鲜鲈恚鲃邮綗後岆妭鞲衅饕罁?jù)相對運動，由電動機帶動探頭正反交替旋轉(zhuǎn)，與靜態(tài)人體形成一定的相對速度，使靜態(tài)人體散發(fā)的紅外線在接收端交替變化，進而產(chǎn)生電流。

當(dāng)人體進入室內(nèi)，熱釋電傳感器接收到人體散發(fā)的紅外線產(chǎn)生電信號傳遞給單片機，單片機一方面控制繼電器接通照明負載，一方面輸出信號啟動電動機間隔時間段旋轉(zhuǎn)，若人在室內(nèi)下運動或靜止，傳感器都能夠探測到人的存在，若室內(nèi)沒人，傳感器不再產(chǎn)生電信號給單片機，單片機控制照明設(shè)備斷電，并控制電動機不再旋轉(zhuǎn)。

3.2 室內(nèi)光強傳感模塊

光敏電阻的工作原理是基于半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，電阻值隨著入射光的強弱而改變。本設(shè)計采用光敏電阻MJ3516,并將其與熱釋電晶體PIR一起封裝在帶有菲涅爾透鏡的塑料殼內(nèi)，它體積小，靈敏度高，光譜特性好。在不同的光強下，光敏電阻產(chǎn)生相應(yīng)的電信號，輸入給單片機后，由單片機依據(jù)程序控制照明電器的開關(guān)和控制照明設(shè)備的亮度。

3.3 控制模塊

AT89S51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，低價位，高性能CMOS8位單片機。本設(shè)計采用AT89S51單片機作為控制器，實現(xiàn)對室內(nèi)人體紅外線的檢測，室內(nèi)光強的檢測，啟動電動機正反交替旋轉(zhuǎn)和照明設(shè)備開關(guān)的控制。

程序流程圖如圖2所示。系統(tǒng)通電時，先對系統(tǒng)進行初始化，接著運行環(huán)境光強檢測模塊，當(dāng)環(huán)境光強低于設(shè)定值時，單片機啟動主動式熱釋電傳感器模塊探測室內(nèi)人體紅外線，但電動機不工作，當(dāng)人進入室內(nèi)時，傳感器開始接收到人體紅外線，產(chǎn)生的電信號經(jīng)過處理后傳遞給單片機，由單片機控制接通照明設(shè)備，此后單片機控制電動機帶動探頭每隔10分鐘旋轉(zhuǎn)一次，每次旋轉(zhuǎn)20秒。若進入室內(nèi)的人沒離開，則由單片機控制接通照明設(shè)備使其保持通電狀態(tài)并維持到下一個20秒的檢測，若進入室內(nèi)的人離開了，熱釋電在20秒的檢測階段內(nèi)檢測不到人體紅外線，則由單片機控制斷開照明設(shè)備直至下一個人進入室內(nèi)開始循環(huán)。在白天，環(huán)境光強大于設(shè)定值，照明設(shè)備和主動式熱釋電傳感器將一直處于斷電狀態(tài)。

4.主動式熱釋電傳感器模型

本項目設(shè)計的主動式熱釋電模型傳感器如圖3所示，可以分解為三大模塊，一是電動機模塊，二是感應(yīng)探頭模塊，三是電路板模塊。

電動機模塊采用的是同步電動機，利用同步電動機帶動探頭正反交替旋轉(zhuǎn)，一方面實現(xiàn)了功能的需要，一方面解決了探頭單向旋轉(zhuǎn)帶來的連接線的繞線問題。對于感應(yīng)探頭模塊，采用了D203S熱釋電和MJ3516光敏電阻和菲涅爾透鏡，菲涅爾透鏡的作用一是聚焦作用;二是將探測區(qū)域內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入探測區(qū)域的移動物體能以溫度變化的形式在熱釋電晶體上產(chǎn)生變化的熱釋紅外信號。對于電路板模塊，根據(jù)轉(zhuǎn)動速率，探頭靈敏度和可靠性來設(shè)計集成處理電路，使用AT89S51單片機對信號進行收集、分析和對照明設(shè)備進行控制。

本項目完成了模型的構(gòu)建，通過大量的實驗與總結(jié)，設(shè)計合適的菲涅爾透鏡，選擇電動機的轉(zhuǎn)速和排查各種影響因素。電動機的轉(zhuǎn)速大小，會改變探頭與靜態(tài)人體的相對速度，從而影響著探頭接收紅外線的速率，過大過小都會使得傳感器變得不穩(wěn)定。菲涅爾透鏡大體如圖4所示，探頭旋轉(zhuǎn)會使熱釋電的靈敏度加大，這就要求設(shè)計相應(yīng)的菲涅爾透鏡，透鏡厚度、接收角度和折射角度都經(jīng)過實驗改良設(shè)計。最后，還得經(jīng)過實驗排查各種影響因素，才能夠達到穩(wěn)定檢測靜態(tài)人體的功能，例如旋轉(zhuǎn)時的繞線問題、環(huán)境風(fēng)速問題等。

本項目的特色與創(chuàng)新點在于菲尼爾透鏡的設(shè)計，若沒有合理的菲涅爾透鏡，傳感器在旋轉(zhuǎn)的情況下，將一直處于不穩(wěn)定狀態(tài)，失去檢測靜態(tài)人體的功能。

5.結(jié)語

整個照明系統(tǒng)成本低，不需人手控制，適用于學(xué)校、商場等大規(guī)模室內(nèi)場所的照明控制，可以有效地對照明設(shè)備進行智能控制，達到科學(xué)管理與節(jié)能的目的。