敖弟維，王亞偉，楊艷芳，楊俊彥

（1.武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，湖北 武漢430063；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

隨著教育事業(yè)的發(fā)展，學(xué)校照明電耗越來(lái)越大。高校教室普遍存在一種狀況，當(dāng)不多的學(xué)生在教室自習(xí)時(shí)，所有的燈都開(kāi)著，造成大量的電能浪費(fèi)。而學(xué)校照明用電的管理，基本處于一種粗放式的管理狀態(tài)。照明電能損失越來(lái)越大，為此很有必要開(kāi)發(fā)教室照明自動(dòng)控制系統(tǒng)。

目前，國(guó)內(nèi)外照明自動(dòng)控制裝置，基本上采用被動(dòng)的人體感應(yīng)探測(cè)、可見(jiàn)光探測(cè)、熱釋電紅外探測(cè)、聲音探測(cè)等方法，但都存在一定的不足。這些方法在探測(cè)上都存在一定的缺陷，其中熱釋電紅外探測(cè)應(yīng)用最廣泛，但是都不能識(shí)別靜止人體。本文針對(duì)該缺點(diǎn)提出了可行的解決方案，并結(jié)合單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套基于紅外傳感器的智能教室照明控制系統(tǒng)方案。

1 方案設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的外傳感器大多用于動(dòng)態(tài)人體的識(shí)別，本文所設(shè)計(jì)的紅外傳感器智能系統(tǒng)，不僅可以判別動(dòng)態(tài)中的人體，也可對(duì)自習(xí)室中相對(duì)靜止的人體加以識(shí)別，從而達(dá)到對(duì)教室燈光照明系統(tǒng)進(jìn)行智能控制的目的。

1.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

由于人體會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)（10 μm 左右）的紅外線，因此可采用目前應(yīng)用廣泛的紅外熱釋電傳感器，來(lái)識(shí)別人體信號(hào)[1]，經(jīng)后續(xù)電路放大和A/D轉(zhuǎn)換等處理后，傳遞給基于單片機(jī)的控制電路，以此來(lái)控制燈的開(kāi)關(guān)。做到人在燈亮，人走燈滅。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 智能教室照明控制系統(tǒng)框架

1.2 傳感器設(shè)計(jì)

（1）傳感器工作原理。熱釋電紅外傳感器，是基于熱電效應(yīng)的紅外傳感器，其內(nèi)部的熱電元由高熱電系數(shù)的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成，其極化隨溫度的變化而改變。

為了抑制因自身溫度變化而產(chǎn)生的干擾，該傳感器在工藝上將兩個(gè)特征一致的熱電元反向串聯(lián)或接成差動(dòng)平衡電路，從而以非接觸的方式，檢測(cè)出物體放出的紅外線能量變化，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。通過(guò)兩個(gè)晶硅片的反向串聯(lián)，傳感器中兩個(gè)極性相反、大小相等的干擾信號(hào)在內(nèi)部相互抵消，得到能量補(bǔ)償。對(duì)于輻射至傳感器的人體紅外線，熱釋電傳感器通過(guò)安裝在前方的菲涅爾透鏡，將其聚焦后加至兩個(gè)探測(cè)元上，使傳感器產(chǎn)生并輸出電壓信號(hào)。菲涅爾透鏡的應(yīng)用增強(qiáng)了元件識(shí)別的正對(duì)性和敏感度。傳感器工作原理如圖2。

圖2 熱釋電紅外傳感器的工作原理

（2）傳感器的動(dòng)態(tài)檢測(cè)解決方案。熱釋電紅外傳感器只對(duì)運(yùn)動(dòng)的人體敏感，而在教室內(nèi)很多情況下，人們都處于相對(duì)靜止或者幅度很小的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，傳感器通常不能加以有效的識(shí)別。這也正是目前市場(chǎng)上該類(lèi)產(chǎn)品的缺陷所在。

本文所提出的解決方案，是要從另一個(gè)角度去解決動(dòng)態(tài)檢測(cè)的問(wèn)題，即讓傳感器產(chǎn)生一定幅度的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)人和傳感器之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效識(shí)別。本文提出了傳感器的運(yùn)動(dòng)的兩種方式。

1.3 傳感器運(yùn)動(dòng)的方式

（1）振動(dòng)方式。如圖3所示，把傳感器和一個(gè)小型振動(dòng)器固定在一起。當(dāng)人進(jìn)入識(shí)別區(qū)后，傳感器檢測(cè)到人體信號(hào)，經(jīng)處理后傳給控制電路，使振動(dòng)器帶動(dòng)傳感器一起振動(dòng)，從而識(shí)別出靜止的人體。本系統(tǒng)每次振動(dòng)時(shí)間設(shè)定為2 s，振動(dòng)周期為30 s，每30 s掃描一次。如果連續(xù)兩個(gè)周期該區(qū)域內(nèi)沒(méi)有人體信號(hào)，控制系統(tǒng)執(zhí)行關(guān)閉照明燈的動(dòng)作。

圖3 振動(dòng)方案

（2）擺動(dòng)方式。圖4所示的擺動(dòng)方式，其基本思路與振動(dòng)方式相同。區(qū)別在于傳感器運(yùn)動(dòng)的方式，是在彈片的帶動(dòng)下發(fā)生擺動(dòng)，從而達(dá)到相對(duì)運(yùn)動(dòng)的目的。通過(guò)一個(gè)小型電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪，即可實(shí)現(xiàn)彈片的擺動(dòng)。

圖4 擺動(dòng)方案

1.4 控制電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用LM358 集成放大器來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，而后傳到控制電路，以80C51 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)編程控制[2]。單片機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)繼電器，分別實(shí)現(xiàn)燈和電機(jī)的控制。

其過(guò)程為：傳感器識(shí)別到的人體信號(hào)經(jīng)處理后，傳給單片機(jī)，單片機(jī)輸出兩個(gè)指令，一個(gè)讓控制燈的繼電器閉合，照明燈打開(kāi)；另一個(gè)控制小型電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。該指令為周期性輸出，直至傳感器檢查不到人體信號(hào)時(shí)，單片機(jī)控制兩個(gè)繼電器同時(shí)斷開(kāi)，照明燈熄滅，以此達(dá)到智能控制的效果。

信號(hào)處理和控制過(guò)程如圖5。

圖5 信號(hào)處理和控制過(guò)程

單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)流程如圖6。

圖6 單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)流程

2 教室區(qū)域規(guī)劃

圖7為一個(gè)吸頂式安裝的傳感器系統(tǒng)。傳感器的敏感范圍有限，若教室面積較大，可將其劃分為若干個(gè)分區(qū)，加以單獨(dú)控制[3]，而不必同時(shí)開(kāi)啟教室里的全部照明燈具，從而達(dá)到省電節(jié)能的效果。

圖7 吸頂式安裝的傳感器系統(tǒng)

3 結(jié)束語(yǔ)

本文應(yīng)用熱釋電傳感器及單片機(jī)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)出教室照明控制系統(tǒng)，達(dá)到了省電節(jié)能、操作方便、人性化控制的效果。本設(shè)計(jì)不僅可用于教室的照明系統(tǒng)，還可對(duì)風(fēng)扇、空調(diào)等用電裝置實(shí)施相同的控制。本系統(tǒng)還可推廣至車(chē)站候車(chē)室、醫(yī)院等公共場(chǎng)所。在當(dāng)今大力倡導(dǎo)節(jié)能的背景下，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

[1]董小瓊.紅外傳感器的應(yīng)用研究[J].科技文匯，2006，（2）：161-162.

[2]王海倫，葉冬芬.基于單片機(jī)控制的教室照明智能控制系統(tǒng)[J].機(jī)電一體化，2005，（1）：69-70.

[3]陳歲生，盧建剛.基于智能檢測(cè)技術(shù)的室內(nèi)照明系統(tǒng)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2008，（5）：53-56.