基于傳感器設(shè)計(jì)室內(nèi)照明設(shè)備的自動(dòng)控制系統(tǒng)

1.引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的飛速發(fā)展，電能越來越緊張，電能浪費(fèi)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(duì)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(shí)現(xiàn)室內(nèi)照明系統(tǒng)智能化、節(jié)能化，最重要的一點(diǎn)是該系統(tǒng)能探測(cè)和判斷是否有人的存在，而市面上的被動(dòng)式熱釋電紅外傳感器，局限于檢測(cè)動(dòng)態(tài)人體，對(duì)靜坐教室學(xué)習(xí)的人不做任何反應(yīng)。本項(xiàng)目組基于主動(dòng)式熱釋電紅外傳感器設(shè)計(jì)了一種低成本、低耗電的室內(nèi)自動(dòng)控制系統(tǒng)。

2.系統(tǒng)總體功能與結(jié)構(gòu)

2.1功能特點(diǎn)

采用熱釋電紅外技術(shù)探測(cè)室內(nèi)是否有人存在，當(dāng)有人進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，傳感器探測(cè)到人體的散發(fā)的紅外線，產(chǎn)生電流信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過集成處理電路IC處理后傳送給單片機(jī)，單片機(jī)通過控制繼電器來控制照明設(shè)備的開關(guān)，此后單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳感器間隔時(shí)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(gè)探測(cè)周期內(nèi)由于檢測(cè)不到人體而關(guān)閉負(fù)載。即可實(shí)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(cè)室內(nèi)光的強(qiáng)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(duì)光強(qiáng)的變化而變化，將這些電信號(hào)送至單片機(jī)，通過單片機(jī)自動(dòng)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(shí)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(jì)由主動(dòng)式熱釋電紅外傳感器檢測(cè)模塊、單片機(jī)控制模塊、環(huán)境光強(qiáng)檢測(cè)模塊、繼電器執(zhí)行模塊組成。結(jié)構(gòu)如圖1所示。


圖1 結(jié)構(gòu)框圖

3.系統(tǒng)硬件設(shè)備

3.1主動(dòng)式熱釋電紅外傳感器

正常人體的體溫都在36~37℃，會(huì)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(shí)，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(dòng)式傳感器檢測(cè)不到靜態(tài)人體的原因是，在檢測(cè)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(hào)，只有當(dāng)人體散發(fā)的紅外線交替變化時(shí)，電解質(zhì)晶體表面的溫度隨之變化，表面電荷量也會(huì)隨之變化的同時(shí)產(chǎn)生多余的浮游電荷而產(chǎn)生電信號(hào)?；谏鲜鲈?，主動(dòng)式熱釋電傳感器依據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)探頭正反交替旋轉(zhuǎn)，與靜態(tài)人體形成一定的相對(duì)速度，使靜態(tài)人體散發(fā)的紅外線在接收端交替變化，進(jìn)而產(chǎn)生電流。

當(dāng)人體進(jìn)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(hào)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)一方面控制繼電器接通照明負(fù)載，一方面輸出信號(hào)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)間隔時(shí)間段旋轉(zhuǎn)，若人在室內(nèi)下運(yùn)動(dòng)或靜止，傳感器都能夠探測(cè)到人的存在，若室內(nèi)沒人，傳感器不再產(chǎn)生電信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)控制照明設(shè)備斷電，并控制電動(dòng)機(jī)不再旋轉(zhuǎn)。

3.2室內(nèi)光強(qiáng)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(qiáng)弱而改變。本設(shè)計(jì)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(qiáng)下，光敏電阻產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)，輸入給單片機(jī)后，由單片機(jī)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(jià)位，高性能CMOS8位單片機(jī)。本設(shè)計(jì)采用AT89S51單片機(jī)作為控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)人體紅外線的檢測(cè)，室內(nèi)光強(qiáng)的檢測(cè)，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)正反交替旋轉(zhuǎn)和照明設(shè)備開關(guān)的控制。



圖2 程序流程圖

程序流程圖如圖2所示。系統(tǒng)通電時(shí)，先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，接著運(yùn)行環(huán)境光強(qiáng)檢測(cè)模塊，當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)低于設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)啟動(dòng)主動(dòng)式熱釋電傳感器模塊探測(cè)室內(nèi)人體紅外線，但電動(dòng)機(jī)不工作，當(dāng)人進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，傳感器開始接收到人體紅外線，產(chǎn)生的電信號(hào)經(jīng)過處理后傳遞給單片機(jī)，由單片機(jī)控制接通照明設(shè)備，此后單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)探頭每隔10分鐘旋轉(zhuǎn)一次，每次旋轉(zhuǎn)20秒。若進(jìn)入室內(nèi)的人沒離開，則由單片機(jī)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(gè)20秒的檢測(cè)，若進(jìn)入室內(nèi)的人離開了，熱釋電在20秒的檢測(cè)階段內(nèi)檢測(cè)不到人體紅外線，則由單片機(jī)控制斷開照明設(shè)備直至下一個(gè)人進(jìn)入室內(nèi)開始循環(huán)。在白天，環(huán)境光強(qiáng)大于設(shè)定值，照明設(shè)備和主動(dòng)式熱釋電傳感器將一直處于斷電狀態(tài)。

4.主動(dòng)式熱釋電傳感器模型

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的主動(dòng)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(dòng)機(jī)模塊，二是感應(yīng)探頭模塊，三是電路板模塊。

電動(dòng)機(jī)模塊采用的是同步電動(dòng)機(jī)，利用同步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)探頭正反交替旋轉(zhuǎn)，一方面實(shí)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(duì)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(cè)區(qū)域內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測(cè)區(qū)域的移動(dòng)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(hào)。對(duì)于電路板模塊，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)速率，探頭靈敏度和可靠性來設(shè)計(jì)集成處理電路，使用AT89S51單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行收集、分析和對(duì)照明設(shè)備進(jìn)行控制。


圖3 主動(dòng)式熱釋電傳感器模型


圖4 菲涅爾透鏡

本項(xiàng)目完成了模型的構(gòu)建，通過大量的實(shí)驗(yàn)與總結(jié)，設(shè)計(jì)合適的菲涅爾透鏡，選擇電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和排查各種影響因素。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速大小，會(huì)改變探頭與靜態(tài)人體的相對(duì)速度，從而影響著探頭接收紅外線的速率，過大過小都會(huì)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(huì)使熱釋電的靈敏度加大，這就要求設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)改良設(shè)計(jì)。最后，還得經(jīng)過實(shí)驗(yàn)排查各種影響因素，才能夠達(dá)到穩(wěn)定檢測(cè)靜態(tài)人體的功能，例如旋轉(zhuǎn)時(shí)的繞線問題、環(huán)境風(fēng)速問題等。

本項(xiàng)目的特色與創(chuàng)新點(diǎn)在于菲尼爾透鏡的設(shè)計(jì)，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(cè)靜態(tài)人體的功能。

5.結(jié)語

整個(gè)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(duì)照明設(shè)備進(jìn)行智能控制，達(dá)到科學(xué)管理與節(jié)能的目的。