1.引言

　　隨著經(jīng)濟(jì)社會的飛速發(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(jìn)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(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)控制電動機(jī)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(fù)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(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)生的電流隨著相對光強(qiáng)的變化而變化，將這些電信號送至單片機(jī)，通過單片機(jī)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(jī)控制模塊、環(huán)境光強(qiáng)檢測模塊、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。基于上述原理，主動式熱釋電傳感器依據(jù)相對運(yùn)動，由電動機(jī)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(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，一方面輸出信號啟動電動機(jī)間隔時間段旋轉(zhuǎn)，若人在室內(nèi)下運(yùn)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(jī)，單片機(jī)控制照明設(shè)備斷電，并控制電動機(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，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，低價位，高性能CMOS8位單片機(jī)。本設(shè)計采用AT89S51單片機(jī)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(qiáng)的檢測，啟動電動機(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，先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，接著運(yùn)行環(huán)境光強(qiáng)檢測模塊，當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)低于設(shè)定值時，單片機(jī)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(jī)不工作，當(dāng)人進(jìn)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(jī)，由單片機(jī)控制接通照明設(shè)備，此后單片機(jī)控制電動機(jī)帶動探頭每隔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20 秒的檢測，若進(jìn)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(jī)控制斷開照明設(shè)備直至下一個人進(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(jī)模塊，二是感應(yīng)探頭模塊，三是電路板模塊。

　　電動機(jī)模塊采用的是同步電動機(jī)，利用同步電動機(jī)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(jìn)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(jī)對信號進(jìn)行收集、分析和對照明設(shè)備進(jìn)行控制。

　　圖3 主動式熱釋電傳感器模型

　　圖4 菲涅爾透鏡

　　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(jī)的轉(zhuǎn)速和排查各種影響因素。電動機(jī)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(dá)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(jìn)行智能控制，達(dá)到科學(xué)管理與節(jié)能的目的。