湯莉莉，黃 偉，黃孝康

(1.湖北大學知行學院，湖北武漢430011;2.湖北航天技術(shù)研究院總體設計所，湖北武漢430040)

0 引言

智能家居系統(tǒng)［1］是當今時代的一個主旋律，該系統(tǒng)使我們的家庭生活更加節(jié)能、智能、安全和便利。其中照明系統(tǒng)［2，3］是不可或缺的一部分，普通臺燈只有開和關2種狀態(tài)，不能自動調(diào)節(jié)光線;而LED智能臺燈的設計能夠很方便地應用到智能家居中，方便人們進出房間里面，它能夠根據(jù)人體和光線的強弱來智能控制家庭里面的各種燈具［4］。本設計要實現(xiàn)的功能是當人體進入熱釋電紅外傳感器監(jiān)測范圍時，信號處理電路檢測到高電平信號，使繼電器吸合，同時如果光線比較暗，光敏電阻阻值變大使另一路繼電器吸合LED燈點亮，如果光線繼續(xù)變暗則通過光控燈模塊使LED燈逐漸變得更亮，若外界光線比較強，LED燈就自動逐漸熄滅。當人離開熱釋電紅外傳感器監(jiān)測范圍時，即使外界光線再暗，LED燈也不會點亮［5］。通過時鐘芯片LED臺燈上的LCD液晶屏可以實時顯示當前的時間、日期、星期和溫度等相關信息。

1 總體設計方案

總體方案設計如圖1所示。

圖1 總體方案設計

本系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)2大系統(tǒng)組成，分別由電源模塊［6］、紅外信號處理模塊、光控燈模塊、繼電器模塊、實時時鐘模塊、DS18B20溫度傳感器模塊、51單片機模塊［7，8］和 LCD液晶模塊這8個模塊構(gòu)成。電源模塊主要是為整個裝置提供電源能量。

2 硬件系統(tǒng)

2．1 人體熱釋電紅外傳感器

人體熱釋電紅外傳感器［9］是以非接觸的方式檢測人體紅外線(非電量)信號，并將其轉(zhuǎn)化為電壓(電量)信號。人體熱釋電紅外傳感器控制裝置既可應用于安全防盜報警系統(tǒng)，也可用于紅外開關控制系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)和遙測等相關領域。其特點是:不需要用專門紅外線發(fā)射源，可隱蔽性好，安裝比較靈活，傳感器靈敏度高，配合菲涅耳透鏡能使傳感器檢測范圍更大。

2．2 BISS0001紅外處理芯片

BISS0001芯片具有較高的紅外傳感信號處理性能，配合人體熱釋電紅外傳感器、光敏電阻和部分外圍器件可變成一種被動式的紅外開關，能很方便地自動開啟各類燈具、電風扇和自動洗手池等控制裝置，在各類控制系統(tǒng)中應用廣泛。其特點是:具有高輸入阻抗運算放大器和A/D混合功能，內(nèi)設封鎖和延遲時間定時器，可與多種傳感器匹配并進行信號處理，穩(wěn)定性好，可靠性高，工作電壓范圍在+3～+5 V。

2．3 人體熱釋電紅外信號檢測及處理電路

由熱釋電紅外傳感器接收人體輻射的紅外信號，并經(jīng)過BISS0001紅外信號處理芯片及外圍電路進行濾波、放大和延時等進行處理，最后送到繼電器模塊來控制光控燈模塊，熱釋電紅外信號檢測電路如圖2所示。

圖2 熱釋電紅外信號檢測電路

2．4 光控燈電路

該光控燈電路具有環(huán)境亮度檢測和漸變式控制功能，當光敏三極管處于亮(暗)環(huán)境下時能夠自動關(開)燈，當外界光線逐漸變亮(較暗)時，此時LED燈逐漸被熄滅(點亮)，由此來實現(xiàn)漸變式自動調(diào)光的功能。光控燈電路的總體電路設計如圖3所示。

圖3 光控燈電路

2．5 繼電器控制模塊

繼電器［10］是一種電控制器件，它內(nèi)部有線圈，在線圈中通入電流時，就產(chǎn)生磁場，變成電磁鐵，在磁極處有個銜鐵作為動觸點，當通過電流時，由于銜鐵被吸合，就可以實現(xiàn)與靜觸點的斷開或閉合，從而控制電路的通斷。本設計采用繼電器來驅(qū)動控制光控燈電路，以達到控制LED燈的亮暗變化。繼電器模塊如圖4所示。

圖4 繼電器控制模塊

3 軟件系統(tǒng)

當進行中斷服務程序時，要及時進行現(xiàn)場保護，并將定時器、計數(shù)器賦初值，當查詢次數(shù)為20次時剛好1 s，當秒計數(shù)60次時向分進位，當分計數(shù)60次時，向時進位，當時計數(shù)到24次時，清零。中斷服務程序流程如圖5所示。

圖5 中斷流程

4 方案難點及關鍵技術(shù)

方案難點如下:

①傳感器采集人體和光線信號比較微弱且極其不穩(wěn)定，存在很多不確定因素;這對傳感器采集信號處理電路的穩(wěn)定性提出了更高的要求;

②根據(jù)環(huán)境時間和空間的不同，存在光控和熱釋電紅外傳感器的感應距離和靈敏度設定、測量與分析的難點;

③在設計方面采用非程序控制的方式來實現(xiàn)紅外智能漸變式LED臺燈的控制，由于硬件電路的設計對元器件的性能參數(shù)要求較高，這就使得在電路設計、組裝調(diào)試方面難度加大。

關鍵技術(shù)包括:

①通過人體輻射的紅外線和外界光線的強弱來漸變式地控制LED臺燈;

②采用人體熱釋電紅外傳感器模塊電路來處理人體輻射的紅外信號;

③光敏電阻和紅外傳感器檢測電路配合繼電器的使用;

④軟件設計中，多個中斷同時使用且相互之間不會產(chǎn)生影響。

5 系統(tǒng)的測試

系統(tǒng)測試結(jié)果分析如下:

①能夠較靈敏地通過感應人體和外界光線的強弱控制LED燈的逐漸亮滅，實現(xiàn)了智能控制;

②紅外感應距離為0～6 m，光敏三極管較明顯地感應距離設定為30 cm左右，也可以根據(jù)需要靈活設定;

③通過與普通白熾燈和節(jié)能燈作對比，LED燈有很明顯的節(jié)能、經(jīng)濟效果;

④通過與普通白熾燈和節(jié)能燈作對比，發(fā)現(xiàn)LED燈光線比較柔和且是漸變式，能夠很好地保護視力;

⑤能精確地實時顯示當前的時間和溫度等信息。

6 結(jié)束語

通過對系統(tǒng)進行調(diào)試與分析，測得熱釋電紅外探測器的探測距離是6 m左右且距離可調(diào)，不同的用戶可以根據(jù)自己的實際情況來調(diào)節(jié)探測距離。該紅外智能系統(tǒng)可以用于酒店、教學樓走廊照明、家用臺燈和公共場合室外路燈等。本款紅外智能漸變式LED臺燈的成功研制不僅方便了人們的生活，而且達到了智能控制、節(jié)約能源和經(jīng)濟的目的，可以廣泛應用于學習、生活和工作之中，具有一定的使用價值和市場前景。

［1］ 周 洪，胡文山，張立明，等．智能家居控制系統(tǒng)［M］．北京:中國電力出版社，2006．

［2］ 張岳軍，吳明光．智能照明系統(tǒng)控制網(wǎng)絡的研究［J］．照明工程學報，2004(4):18.21．

［3］ 楊 恒．LED照明驅(qū)動電路設計與實例精選［M］．北京:中國電力出版社，2008．

［4］ 劉怡靜，李大白，魏政霞．人工智能技術(shù)在認知無線電中的應用［J］．無線電通信技術(shù)，2011，37(2):51 －54．

［5］ 湯新廣．基于認知無線電的OFDM智能偵察監(jiān)測系統(tǒng)［J］．無線電工程，2011，41(4):17 －19．

［6］ 華成英，童詩白．模擬電子技術(shù)基礎(第4版)［M］．北京:高等教育出版社，2006．

［7］ 郭天祥．新概念51單片機C語言教程—入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2009．

［8］ 沈衛(wèi)紅．單片機應用系統(tǒng)設計實例與分析［M］．北京:北京航空航天大學出版，1999．

［9］ 趙繼文．傳感器與應用電路設計［M］．北京:科學出版社，2002．

［10］黃繼昌．電子元器件應用手冊［M］．北京:北京人民郵電出版社，2004．