劉　輝

(吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院 電氣信息工程系， 吉林 長(zhǎng)春　130111)

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智能LED燈控制系統(tǒng)

劉輝

(吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院 電氣信息工程系， 吉林 長(zhǎng)春130111)

摘要：以ARM為控制器，紅外熱釋電傳感器為控制信號(hào)，根據(jù)環(huán)境光線的亮度控制LED燈以及亮度。適用于學(xué)校教室、實(shí)驗(yàn)室等人員相對(duì)靜止的場(chǎng)所。

關(guān)鍵詞：紅外熱釋電； ARM； LED

0引言

現(xiàn)在被廣泛使用的紅外熱釋電感應(yīng)燈都是使用在走廊、樓梯等人員走動(dòng)的地方。而用在教室、實(shí)驗(yàn)室等人員相對(duì)靜止的地方，僅簡(jiǎn)單使用紅外熱釋電傳感器就有一定的局限性。文中介紹了使用紅外熱釋電傳感器和ARM配合，實(shí)現(xiàn)相對(duì)靜止的人體檢測(cè)的方法。所以，這種方法適用于學(xué)校的教室、實(shí)驗(yàn)室這樣的地方。要實(shí)現(xiàn)光線比較暗的時(shí)候，檢測(cè)是否有人進(jìn)入或者停留在教室、實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)而點(diǎn)亮LED燈，就要有光線傳感器(光電二極管)感應(yīng)光線的強(qiáng)弱，并且使用紅外熱釋電傳感器配合ARM控制，檢測(cè)是否有人。由于紅外熱釋電傳感器只對(duì)變化的紅外信號(hào)敏感，對(duì)恒定的紅外信號(hào)沒(méi)有輸出，文中介紹了紅外熱釋電傳感器對(duì)運(yùn)動(dòng)的人體產(chǎn)生變化信號(hào)的方法和靜止人體產(chǎn)生變化信號(hào)的方法。根據(jù)傳感器的輸出信號(hào)對(duì)LED燈的點(diǎn)亮與熄滅進(jìn)行控制。這種智能LED控制系統(tǒng)可以很好地實(shí)現(xiàn)有人的時(shí)候(無(wú)論人是否移動(dòng))點(diǎn)亮LED燈，人離開(kāi)的時(shí)候關(guān)閉LED燈，節(jié)約電能非常適用于教室、實(shí)驗(yàn)室這樣的地方，因此，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和新穎性。

1紅外熱釋電傳感器的工作原理[1-2]

紅外熱釋電傳感器只對(duì)運(yùn)動(dòng)的人體敏感，像教室、實(shí)驗(yàn)室這樣人員相對(duì)靜止的地方，如果簡(jiǎn)單的使用紅外熱釋電傳感器檢測(cè)是否有人，進(jìn)而控制LED燈的亮滅就有些困難。文中介紹了用紅外熱釋電傳感器配合ARM來(lái)實(shí)現(xiàn)相對(duì)靜止的人體檢測(cè)方法。

熱釋電傳感器的敏感元件是用熱釋電人體材料制成的，先把熱釋電材料制成很小的薄片，再在薄片上鍍上電極，構(gòu)成兩個(gè)串聯(lián)的、有極性的小電容，將極性相反的兩個(gè)敏感元做在同一晶片上，是為了抑制由于環(huán)境和自身溫度變化而引起的熱釋電的干擾[1]。而熱釋電紅外傳感器在使用的時(shí)候前面要安裝透鏡，通過(guò)透鏡的外來(lái)紅外線輻射只匯聚在一個(gè)敏感元上，以增強(qiáng)接收信號(hào)。熱釋電紅外傳感器的特點(diǎn)是它只在由于外界輻射而引起的溫度變化時(shí)，才給出一個(gè)相應(yīng)的電信號(hào)。當(dāng)溫度變化趨于穩(wěn)定后，就再?zèng)]有信號(hào)輸出，所以說(shuō)熱釋電信號(hào)與它的本身溫度變化率成正比，或者說(shuō)熱釋電紅外傳感器只對(duì)運(yùn)動(dòng)的人體敏感，應(yīng)用于移動(dòng)的人體檢測(cè)。

熱釋電人體傳感器只有配合菲涅爾透鏡使用，才能發(fā)揮最大作用。不加菲涅爾透鏡時(shí)，該探測(cè)器的探測(cè)距離可能只有2 m；配合菲涅爾透鏡，探測(cè)距離可以達(dá)到10 m，甚至更遠(yuǎn)。菲涅爾透鏡是用超密度的熱塑性聚乙烯制成的，安裝在傳感器前面，紅外線信號(hào)可以比較多的通過(guò)菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡實(shí)際上是一個(gè)透鏡組，當(dāng)光線通過(guò)透鏡單元，在其反面則形成明暗相間的可見(jiàn)區(qū)和盲區(qū)。每個(gè)透鏡單元只有一個(gè)很小的視場(chǎng)角，視場(chǎng)角內(nèi)為可見(jiàn)區(qū)，之外為盲區(qū)。相鄰的兩個(gè)透鏡單元的視場(chǎng)既不連續(xù)，更不交疊，卻都相隔盲區(qū)。當(dāng)人在這一監(jiān)視范圍中運(yùn)動(dòng)時(shí)，順次進(jìn)入某一可見(jiàn)區(qū)，然后又走出可見(jiàn)區(qū)，進(jìn)入盲區(qū)，熱釋電傳感器對(duì)運(yùn)動(dòng)的人體一會(huì)兒看到，一會(huì)兒又看不到，再過(guò)一會(huì)又看到，然后又看不到[3]。于是人體的紅外熱輻射不斷的改變熱釋電傳感器的溫度，使它輸出一個(gè)又一個(gè)相應(yīng)的信號(hào)。輸出信號(hào)的頻率大約為0.1~10 Hz，這一頻率范圍由菲涅爾透鏡、人體運(yùn)動(dòng)速度和熱釋電傳感器本身的特性決定的。菲涅爾透鏡不僅形成可見(jiàn)區(qū)和盲區(qū)，而且還有聚焦作用，正是因?yàn)橛薪咕嘧饔茫攀蛊涮綔y(cè)距離大為提高[4]。其焦距一般為25 mm，還有半球面形狀的菲涅爾透鏡，其焦距約為11 mm。一般把透鏡固定在傳感器正前方25 mm處(25 mm焦距)或者11 mm處(11 mm焦距)。透鏡的焦距正好對(duì)準(zhǔn)傳感器敏感元的中心，這樣使傳感器的檢測(cè)最為靈敏。

紅外熱釋電傳感器選用RE200B，它的主要參數(shù)[4]如下：

工作波長(zhǎng)：5~14 μm;

靈敏度：3 300 V/W;

比探測(cè)率：1.5×108cm· Hz1/2· W-1。

熱釋電紅外傳感器配合菲涅爾透鏡，直接安放在教室或?qū)嶒?yàn)室的頂部。因?yàn)楫?dāng)人到教室以后，如果坐在桌邊看書(shū)，人基本上不動(dòng)，傳感器很難檢測(cè)到，這時(shí)候就需要想辦法使靜止的人被檢測(cè)到。有兩個(gè)辦法使靜止的人在紅外熱釋電傳感器輸出端產(chǎn)生信號(hào)。第一個(gè)辦法是在透鏡和傳感器之間安裝一個(gè)類似風(fēng)扇的東西，當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，用風(fēng)扇葉把恒定的人體熱輻射斬波以后，輻射到傳感器敏感元上，產(chǎn)生變化的信號(hào)。第二個(gè)辦法是讓熱釋電傳感器以一定的速度旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，這個(gè)辦法與人在地面上走動(dòng)一樣，使人體的熱輻射在傳感器上產(chǎn)生變化的信號(hào)，從而檢測(cè)到靜止的人體。然而第一個(gè)辦法有時(shí)候會(huì)有問(wèn)題，因?yàn)槿绻俗诜颇鶢柾哥R的盲區(qū)，就不能在傳感器產(chǎn)生變化的信號(hào)。而第二個(gè)辦法只要人在傳感器的探測(cè)范圍內(nèi)，就可以使靜止的人和傳感器之間產(chǎn)生相對(duì)的移動(dòng)，使傳感器輸出信號(hào)。可見(jiàn)，第二個(gè)辦法可以很好地解決靜止的人體檢測(cè)的難題。

2應(yīng)用ARM控制LED燈原理[5]

2.1　原理簡(jiǎn)介

LED控制系統(tǒng)[6-7]接通電源，ARM根據(jù)環(huán)境光線的亮度，如果環(huán)境光線比較亮，ARM屏蔽紅外熱釋電傳感器信號(hào)，關(guān)閉LED燈。當(dāng)光線比較暗的時(shí)候，ARM檢測(cè)是否有紅外熱釋電信號(hào)，如果有信號(hào)輸出，說(shuō)明有人進(jìn)入房間，ARM控制LED燈點(diǎn)亮。并且根據(jù)環(huán)境的亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)LED的亮度，環(huán)境光線較暗的時(shí)候，控制LED燈，使其電流增大，增加LED的亮度，如果光線較亮，則控制LED燈，使其電流小些，LED就暗一些。當(dāng)紅外熱釋電信號(hào)消失時(shí)，經(jīng)過(guò)一小段時(shí)間的延時(shí)(延時(shí)時(shí)間由ARM程序控制)，如果這段時(shí)間還沒(méi)有紅外熱釋電信號(hào)輸出，則ARM控制紅外熱釋電探頭轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)小角度(15°即可)，轉(zhuǎn)動(dòng)以后再轉(zhuǎn)回原位，如果紅外熱釋電傳感器有信號(hào)輸出，則說(shuō)明房間里有人，繼續(xù)控制LED燈點(diǎn)亮，如果沒(méi)有信號(hào)輸出，說(shuō)明人已經(jīng)離開(kāi)房間，就關(guān)閉LED燈，如此循環(huán)控制。

紅外熱釋電傳感器放大器采用帶通放大器，放大器的中心頻率為1 Hz左右，放大器的帶寬對(duì)靈敏度和可靠性有很大影響。帶寬窄、噪聲小，則誤測(cè)率低；帶寬高、噪聲大，則誤測(cè)率高。但對(duì)快速、慢速移動(dòng)響應(yīng)好。

2.2　實(shí)現(xiàn)電路圖

紅外熱釋電傳感器放大電路和比較器輸出電路如圖1所示。

圖1　紅外熱釋電傳感器放大電路和比較器輸出電路

圖中放大器電路采用LM324通用運(yùn)算放大器，LM324是4運(yùn)放。由U1A和U1B組成的中心頻率為1 Hz的帶通放大器，對(duì)熱釋電傳感器信號(hào)進(jìn)行放大，只要U1B的輸出信號(hào)幅值大于約0.7 V，就可以使U1C或U1D輸出高電平(U1C和U1D組成窗口比較器)，這個(gè)電平經(jīng)過(guò)R14和R16分壓以后，輸入到ARM。ARM是+3.3 V電源供電，其輸入電壓最好不要超過(guò)3.3 V，LM324是+5 V供電，輸出電壓最高為+3.8 V左右，所以經(jīng)過(guò)R14和R16分壓輸入到ARM，這樣可以使ARM比較可靠地識(shí)別是否有檢測(cè)到人的信號(hào)。由ARM控制LED燈的點(diǎn)亮?xí)r間和亮度。

ARM選用意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的STM32L051系列，這個(gè)系列的ARM處理器內(nèi)部含有A/D，D/A?？梢杂脕?lái)采集環(huán)境光線的強(qiáng)弱，并且用D/A控制LED的亮度，而且它的價(jià)格比較便宜，批量生產(chǎn)價(jià)格較低。

光亮度檢測(cè)電路如圖2所示。

圖2　光亮度檢測(cè)電路

電阻兩端的電壓作為光強(qiáng)度檢測(cè)信號(hào)，送到ARM的A/D轉(zhuǎn)換引腳來(lái)測(cè)量光線強(qiáng)度。

光電檢測(cè)二極管受到光照后，其反相電流增大，bpw21的光譜靈敏度為10 nA/Lx，當(dāng)環(huán)境光照度為500 Lx時(shí)，電阻兩端的電壓約為1.5 V，如果要求看書(shū)時(shí)眼睛不疲勞，室內(nèi)的照度應(yīng)該在1 000~2 000 Lx之間，最低不應(yīng)低于500 Lx，即放在教室/實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的光強(qiáng)度電路不應(yīng)低于1.5 V。如果檢測(cè)到電阻兩端電壓低于1.5 V，說(shuō)明教室/實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的亮度偏低(低于500 Lx)。如果檢測(cè)電壓較低，就在點(diǎn)亮LED時(shí)，根據(jù)檢測(cè)電壓的高低自動(dòng)調(diào)整LED的電流，從而適應(yīng)環(huán)境光線的亮度。走廊的亮度檢測(cè)電路電壓低于0.3 V(光照度低于100 Lx)，檢測(cè)到有人走過(guò)時(shí)，才控制LED點(diǎn)亮，因?yàn)椴辉谧呃瓤磿?shū)，亮度可以低些。亮度控制通過(guò)ARM的D/A輸出電壓值，控制流過(guò)LED的電流，從而控制LED的亮度，亮度檢測(cè)電路要經(jīng)過(guò)高輸入阻抗緩沖電路才能進(jìn)入ARM的D/A。

LED燈的點(diǎn)亮與熄滅[8]由ARM的IO口控制繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)。其電路圖如圖3所示。

3結(jié)語(yǔ)

以ARM和紅外熱釋電傳感器相結(jié)合，可以有效檢測(cè)教室和實(shí)驗(yàn)室是否有人(無(wú)論人是否走動(dòng))，并結(jié)合光電二極管對(duì)環(huán)境光線的檢測(cè)，對(duì)LED燈的點(diǎn)亮與熄滅以及LED燈的亮度進(jìn)行智能控制。以ARM和紅外熱釋電傳感器相結(jié)合，進(jìn)行是否有人的檢測(cè)，這種方法具有很強(qiáng)的新穎性和實(shí)用性。

圖3　IO口控制繼電器工作原理圖

參考文獻(xiàn)：

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Intelligent LED control system

LIU Hui

(Department of Electrical and Information Engineering, The City College of Jilin Jianzhu University, Changchun 130111, China)

Abstract：With ARM as controller, pyroelectric infrared sensor as trigger, LED on/off and brightness can be adjusted according to environment light. The mode is suitable to the classroom or laboratory.

Key words：pyroelectric infrared； ARM； LED.

作者簡(jiǎn)介：劉輝(1980-)，女，漢族，河北河間人，吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院講師,碩士，主要從事嵌入式系統(tǒng)及圖像處理研究,E-mail:834015016@qq.com.

基金項(xiàng)目：吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(吉教科合字[2014]第597號(hào))

收稿日期：2014-10-13

中圖分類號(hào)：TM 923

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1374(2015)01-0053-04

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2015.1.11