基于传感器设计室内照明设备的自动控制系统

1.引言

随着经济社会的飞速发展，电能越来越紧张，电能浪费的现象却依旧存在。许多高校存在着教室照明管理不到位的问题，在夜晚，空无一人的教室仍然是灯火辉煌，对于这类大型楼宇，照明节能日显重要。现普及的照明节能开关基本有声控型、接触型等，由于使用的局限性，这些开关只能作为控制控制系统的辅助部分。要实现室内照明系统智能化、节能化，最重要的一点是该系统能探测和判断是否有人的存在，而市面上的被动式热释电红外传感器，局限于检测动态人体，对静坐教室学习的人不做任何反应。本项目组基于主动式热释电红外传感器设计了一种低成本、低耗电的室内自动控制系统。

2.系统总体功能与结构

2.1功能特点

采用热释电红外技术探测室内是否有人存在，当有人进入室内时，传感器探测到人体的散发的红外线，产生电流信号，信号经过集成处理电路IC处理后传送给单片机，单片机通过控制继电器来控制照明设备的开关，此后单片机控制电动机带动传感器间隔时间段旋转，若室内一直有人体存在，照明设备保持通电状态，人离开后，传感器在下一个探测周期内由于检测不到人体而关闭负载。即可实现“人到灯亮，人在灯亮，人离灯灭，安全节能”的效果。

采用光敏电阻检测室内光的强度。利用光敏电阻的光照特性，在一定电压下光敏电阻产生的电流随着相对光强的变化而变化，将这些电信号送至单片机，通过单片机自动控制照明电器的开关。

在模型耗电方面，传感器在旋转的情况下，最高5W，在静态的情况下，最高0.5W，若在教室内合理布置该传感器，能实现照明设备的节能控制。

2.2结构框图

本设计由主动式热释电红外传感器检测模块、单片机控制模块、环境光强检测模块、继电器执行模块组成。结构如图1所示。


图1 结构框图

3.系统硬件设备

3.1主动式热释电红外传感器

正常人体的体温都在36~37℃，会散发出9~12μm的红外线。热释电红外线传感器能感应的红外线波长在0.2~20μm，人体散发的红外线能被该感应器接收。当人体产生交替变化的红外辐射聚焦到红外感应晶体上时，晶体表面温度发生变化，具有热释电效应的晶体产生极化现象。被动式传感器检测不到静态人体的原因是，在检测区域内静态人体产生的红外辐射不变化，电解质晶体表面温度维持不变，不能产生电信号，只有当人体散发的红外线交替变化时，电解质晶体表面的温度随之变化，表面电荷量也会随之变化的同时产生多余的浮游电荷而产生电信号。基于上述原理，主动式热释电传感器依据相对运动，由电动机带动探头正反交替旋转，与静态人体形成一定的相对速度，使静态人体散发的红外线在接收端交替变化，进而产生电流。

当人体进入室内，热释电传感器接收到人体散发的红外线产生电信号传递给单片机，单片机一方面控制继电器接通照明负载，一方面输出信号启动电动机间隔时间段旋转，若人在室内下运动或静止，传感器都能够探测到人的存在，若室内没人，传感器不再产生电信号给单片机，单片机控制照明设备断电，并控制电动机不再旋转。

3.2室内光强传感模块

光敏电阻的工作原理是基于半导体的光电效应，电阻值随着入射光的强弱而改变。本设计采用光敏电阻MJ3516，并将其与热释电晶体PIR一起封装在带有菲涅尔透镜的塑料壳内，它体积小，灵敏度高，光谱特性好。在不同的光强下，光敏电阻产生相应的电信号，输入给单片机后，由单片机依据程序控制照明电器的开关和控制照明设备的亮度。[page]

3.3控制模块

AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，低价位，高性能CMOS8位单片机。本设计采用AT89S51单片机作为控制器，实现对室内人体红外线的检测，室内光强的检测，启动电动机正反交替旋转和照明设备开关的控制。



图2 程序流程图

程序流程图如图2所示。系统通电时，先对系统进行初始化，接着运行环境光强检测模块，当环境光强低于设定值时，单片机启动主动式热释电传感器模块探测室内人体红外线，但电动机不工作，当人进入室内时，传感器开始接收到人体红外线，产生的电信号经过处理后传递给单片机，由单片机控制接通照明设备，此后单片机控制电动机带动探头每隔10分钟旋转一次，每次旋转20秒。若进入室内的人没离开，则由单片机控制接通照明设备使其保持通电状态并维持到下一个20秒的检测，若进入室内的人离开了，热释电在20秒的检测阶段内检测不到人体红外线，则由单片机控制断开照明设备直至下一个人进入室内开始循环。在白天，环境光强大于设定值，照明设备和主动式热释电传感器将一直处于断电状态。

4.主动式热释电传感器模型

本项目设计的主动式热释电模型传感器如图3所示，可以分解为三大模块，一是电动机模块，二是感应探头模块，三是电路板模块。

电动机模块采用的是同步电动机，利用同步电动机带动探头正反交替旋转，一方面实现了功能的需要，一方面解决了探头单向旋转带来的连接线的绕线问题。对于感应探头模块，采用了D203S热释电和MJ3516光敏电阻和菲涅尔透镜，菲涅尔透镜的作用一是聚焦作用；二是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在热释电晶体上产生变化的热释红外信号。对于电路板模块，根据转动速率，探头灵敏度和可靠性来设计集成处理电路，使用AT89S51单片机对信号进行收集、分析和对照明设备进行控制。


图3 主动式热释电传感器模型


图4 菲涅尔透镜

本项目完成了模型的构建，通过大量的实验与总结，设计合适的菲涅尔透镜，选择电动机的转速和排查各种影响因素。电动机的转速大小，会改变探头与静态人体的相对速度，从而影响着探头接收红外线的速率，过大过小都会使得传感器变得不稳定。菲涅尔透镜大体如图4所示，探头旋转会使热释电的灵敏度加大，这就要求设计相应的菲涅尔透镜，透镜厚度、接收角度和折射角度都经过实验改良设计。最后，还得经过实验排查各种影响因素，才能够达到稳定检测静态人体的功能，例如旋转时的绕线问题、环境风速问题等。

本项目的特色与创新点在于菲尼尔透镜的设计，若没有合理的菲涅尔透镜，传感器在旋转的情况下，将一直处于不稳定状态，失去检测静态人体的功能。

5.结语

整个照明系统成本低，不需人手控制，适用于学校、商场等大规模室内场所的照明控制，可以有效地对照明设备进行智能控制，达到科学管理与节能的目的。