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    鄭州煒盛電子科技有限公司

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    單片機控制的熱釋電紅外傳感器節能照明開關設計

    信息來源: http://www.drbobtraining.com  時間:2020/9/2 13:24:49 

        摘要:該文設計一種利用熱釋電紅外節能照明開關,該節能照明開關通過單片機處理熱釋電紅外傳感模塊和光強檢測電路輸出的信號,準確判斷和控制無人時或者有人但自然光照強時關燈、有人但自然光照弱時開燈,實現照明控制智能化,最大限度減小學校等公共場所的用電浪費,真正實現節能的目的。

        關鍵詞:熱釋電紅外傳感器模塊單片機用電器光強

        節能減排已刻不容緩,在綠色環保降低碳排放的倡議下,各種節能設備應運而生,在不同的領域里取得了很大的成就。但在學校等公共場所的用電浪費仍然比較嚴重,經常教室空無一人,燈和電扇等電器還在工作,有時天氣良好,室內光線明亮,已滿足學習等活動的要求,而燈仍然還是開著。所以公共場所急需要一種智能控制的節能裝置。國內有很多學者基于節能的目的設計了一些節能控制設備,其中利用熱釋電紅外模塊作為傳感器的節能控制設備是當前的研究熱點。文獻[1]利用STC單片機為核心,以熱釋電紅外傳感器模塊做傳感器設計了一種節能開關,文獻[2]以電力線為載波通信信道的LonWorks技術,利用自然光傳感器和人體紅外傳感器,分別檢測光強和教室人員狀況,自動調節教室照明系統,達到節能的目的。文獻[3]利用熱釋電紅外檢測器、光敏電阻和溫度傳感器采集數據,利用PWM調光技術,通過STC單片機處理后產生PWM信號,根據周圍環境情況自動調節LED照明的開關和亮度。文獻[4]基于C51單片機的教學樓智能照明系統,以光強檢測和熱釋電紅外人體測量電路構成信號輸入電路,以C51單片機為控制核心構成。熱釋電紅外傳感器是利用被檢測對象的相對移動來進行檢測的,上述這些文獻均未考慮在圖書館或教室等場所,人員處于相對靜止狀態時,熱釋電紅外傳感器模塊將不能做出正確的判斷。

        鑒于此,我們設計出一款用熱釋電紅外模塊和光敏元件作為傳感器模塊,將傳感器模塊置于電動云臺上,用單片機控制云臺減速電機旋轉,當教室或圖書館等公共場所內人員處于看書等相對靜止狀態時,減速電機自動旋轉,使熱釋電紅外傳感器獲得被測對象相對移動的信號,用單片機正確控制用電器的開啟與停止,減小誤操作,達到節約用電的目的。

        1、熱釋電紅外傳感器工作原理

        被動式熱釋電紅外傳感器靠接收物體的紅外輻射能量并將其轉變為電信號的元件。這種紅外傳感器中包含兩個反向串聯的熱釋電元件,當被測對象熱紅外信號同時射到兩個敏感元件上時,兩個敏感元件的輸出信號極性相反,即為為差動信號相互抵消,沒有電壓輸出,這樣即可補償背景輻射等隨機噪聲產生的誤報[5]。其原理如圖1所示,在使用該傳感器是D端接電源正極,G端接電源負極,S為信號輸出端。當被測目標(比如人體)紅外輻射至傳感器時,安裝在傳感器前面的菲涅爾透鏡將其聚焦后加至兩個探測元上,從而使傳感器輸出電壓信號[6]。為了提高傳感器對特定波長范圍的紅外輻射有較高的敏感度,在傳感器窗口上加裝一塊干涉濾波片,如圖2所示。這種濾波片只能通過被探測目標的特定紅外輻射波,而將其它如燈光、陽光等紅外輻射濾掉。

        2、系統硬件電路設計

        本裝置硬件由單片機、傳感器、輸出控制等三部分組成,電路原理如圖3所示。其中核心控制單元為AT89C2051單片機,其引腳功能如圖4所示,該單片機只有P1口和P3口兩個端口[7],P1口是8位標準的I/O端口,P3口不但可以做普通I/O端口使用,而且還有第二功能,即兩個外部中斷、兩個全雙向串行通信口、兩個16位可編程定時計數器以及內置一個模擬比較放大器。本設計利用I/O端口P1.0、P1.1、P1.2、P1.5、P1.6、P3.2完成傳感器信號的接收和控制信號的輸出,控制用電器即時開啟與關閉。

        傳感器部分由熱釋電紅外傳感器模塊和光強檢測模塊兩部分構成。熱釋電紅外傳感器模塊放置在可以左右旋轉的云臺上,它是由菲涅爾透鏡、熱釋電傳感元件、濾波電路、放大電路等部分構成。該傳感器用于檢測人的移動,當有人移動時,輸出S端輸出高電平,當人不動或者無人時,輸出S端輸出高電平延時后跳到低電平。S端輸出的信號通過R1和Q2輸入到反相器Q1的基極,經過Q1反相后送入AT89C2051的6腳,即I/O端口P3.2。光強檢測部分檢測室內光照強度,由光敏電阻RG、Q2、可調電阻RP構成。光敏電阻的阻值隨光照的強弱變化,光照強時阻值變小,反之阻值變大??烧{電阻RP和光敏電阻RG構成分壓電路,RG兩端的電壓加到Q2的基極,光照增強時RG兩端的電壓變小,光強達到一定強度時,Q2飽和導通,反之Q2截止,Q2的發射極接Q1的基極,Q2飽和導通時,旁路熱釋電紅外傳感模塊的信號,AT89C2051的P3.2始終保持為高電平,改變可調電阻RP,就可以改變RP和RG的分壓比,確保光照滿足需求時Q2飽和導通。

        輸出控制部分由云臺減速電機左右旋轉及旋轉角度檢測模塊和用電器的啟閉控制模塊構成。左右旋轉由AT89C2051的12腳和13腳控制,即I/O端口P1.0、P1.1。當P1.0和P1.1輸出均為低電平時,減速電機M不轉,當P1.0或者P1.1為高電平時,減速電機M左轉或者右轉,P1.0、P1.1不能同時為高電平。行程開關K1、K2分別接入AT89C2051的17腳和18腳,即I/O端口P1.5、P1.6,用來檢測電機M左轉或者右轉的最大位置,到達最大位置時停轉或者回轉,其結構如圖3所示。熱釋電紅外傳感模塊感應角度約120°,距離7~10m,電機帶動熱釋電紅外傳感模塊擴大偵測范圍,普通教室是完全在偵測范圍內的,同時彌補了熱釋電紅外傳感模塊的一個不足,即在偵測范圍內有人但人不動時熱釋電紅外傳感模塊是沒有輸出的,減速電機帶動云臺旋轉構成熱釋電紅外傳感模塊與人的相對運動,熱釋電紅外傳感模塊輸出高電平。用電器的啟閉模塊由AT89C2051的14腳即P1.2控制,P1.2輸出為低電平時Q7飽和導通,繼電器KM得電,反之Q7截止,繼電器KM失電。K是空氣開關與KM構成與門電路,K和KM同時閉合時用電器L1…LN得電工作。

        3、系統軟件設計

        軟件流程圖如圖5所示,系統上電后,由單片機控制云臺減速電機把熱釋電紅外傳感模塊轉動到正對門口區域,檢測是否有人進門活動,若有人進入且自然光照弱時,開啟用電器。當延時結束,如果人員處于相對靜止狀態或者不在偵測范圍內,此時單片機啟動電機帶動云臺旋轉,使熱釋電紅外傳感模塊在一定的角度范圍內掃描一次,造成熱釋電紅外傳感模塊與人的相對運動,若有人,熱釋電紅外傳感模塊再次輸出高電平并延時,若無人,關閉用電器,電機把熱釋電紅外傳感模塊轉動到正對門口區域,等待再次有人進門。當自然光照達到設定值時,一直關閉用電器。

        4、結語

        該文介紹一種以單片機為核心控制單元,利用熱釋電紅外傳感器和光強傳感器構成的公共場所節能照明開關裝置。通過實驗驗證可以得出以下結論:

        (1)本裝置可以準確判斷和控制無人以及有人但自然光照強時關燈、有人且自然光照弱時開燈,實現了照明控制智能化,真正實現節能的目標。

        (2)因為熱釋電紅外傳感器只能對運動目標做出判斷,為了克服該不足,本設計利用單片機控制電動云臺的減速電機旋轉,使相對靜止的被檢測目標發生相對移動,該設計可以大大降低開關誤動的可能性。

        (3)對本設計稍加改動,即可用于防盜安全報警、對靠近野外無人值守設備或場所的動物進行驅趕以及野外動物資源的監控等等。

     鄭州煒盛電子科技有限公司成立于2003年,是一家集研發、生產、銷售及氣體傳感器應用方案服務為一體的高新技術企業,建筑面積達30000多平方米。煒盛科技自成立以來,產品緊跟時代步伐,已從過去的生產單一品種發展到現在的包括紅外氣體傳感器、電化學氣體傳感器、平面半導體氣體傳感器、載體催化元件、半導體氣體傳感器、流量傳感器、熱釋電紅外傳感器、熱傳導氣體傳感器、固體電解質氣體傳感器、熱線型氣體傳感器、壓力傳感器等十一大系列,200多個品種,共可用于檢測氣體300余種。憑借國際先進的生產工藝裝備,以開拓創新卓越追求的精神和煒盛團隊的持續努力,平均24小時就有3萬支氣體傳感器產出,并服務于全球各地的安全、環保、健康領域。

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