紅外反射型教室節電照明控制器的設計與制作

摘 要:紅外反射型教室節電照明控制器是針對目前大多數學校在照明上所存在的能源消耗的問題而設計出的新型節能控制器。當教室光照強度沒達所要求值，若教室里面有人的時候就開燈，反之就不開燈，且教室多媒體開啟時不管當時的燈是開啟還是沒開啟都將使燈關閉。

關鍵詞:教室節電照明 紅外反射傳感器 方向識別 計數器 電流檢測

中圖分類號:TM923文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)04(c)-0082-02

1 課題目的和現實意義

處理好節約能源資源，保護環境與促進經濟發展之間的關系是我國經濟發展中必須面對的一個重要問題。雖說我國面臨著巨大的能量危機，但是當前我國的節能形式并不樂觀。進入新世紀以來，我國工業化、城鎮化進程明顯加快，2004年到2009年，國民經濟連續5年保持兩位數增長，但高能耗、高投入的粗放增長方式使得電力的供需矛盾日益加劇，生產更多的電即意味著要消耗更多的煤、石油、天然氣、核原料等不可再生資源，還會帶來許多相應的環境問題。高校作為培養高素質人才的搖籃，提倡節約的意義更加重大而深遠。目前大多數學校教室照明基本存在一些問題，如負責教室燈光的管理人員不能按時去檢查當不需要照明時教室里的燈是否已關閉，或是有些學校從沒有安排管理人員。因此，教室照明節能絕不是微不足道的，即使單從經濟效益來看，也是大有可為的。雖然各地高校被拉閘限電的現象發生較少，但隨著燃煤和石油價格的年年攀升，勢必會帶來發電成本的增加，因此節約電能不僅有利于社會，也有利于高校本身。

2 課題研究狀況及發展趨勢

目前市場上的節電開關有很多，像光控開關、紅外感應開關、觸摸開關、聲控開關，或是四者中的幾種結合起來[6]。但這些開關都存在著一些弊端，光控開關在教室光線較暗時不管教室里面有沒有人都將一直保持亮;紅外感應開關則是只能檢測活動的人體，如裝在教室里時，若幾分鐘內沒有學生在教室里走動則燈光自動熄滅。而聲控和觸摸開關安裝在需要保持安定的學習環境的教室里顯然也是不合理的。而且現在大多數學校教室都已經安裝或將要安裝多媒體主要是投影儀，一般當用到多媒體時，為了方便觀看，我們都將使室光線盡量保持較低狀態，這時教室里的燈會關閉。如果設計的產品安在教室里可以自動的識別在需要開燈時就自動開燈，不需要時就關閉，這就實現了安在教室里內節電開關的高效化、自動化、人性化[7]。

3 本課題的主要研究內容和方法

根據目前的教室節電的必要性和市場上的各種節電產品的缺陷提出了本課題。本課題主要研究教室節電照明。它是利用紅外反射傳感器作為關鍵器件實現教室里有無人員的檢測。當教室里面有人且無論是否活動，自然光光照足夠時不照明，反之，光照不夠時照明。且還有一個約束條件，多媒體開啟時無論當時教室燈是開啟還是關閉都將不照明。其重點研究的問題就是教室里是否有人的判和多媒體工作狀態的檢測。具體究研時先確定整個系統流程，并根據流程來分塊板設計。然后通過各板塊之間的關系將整個電路合并為一體進而控制日光燈。

因為本設計的電路的主要功能是①利用紅外反射實現人員檢測;②自然光光照足夠時不照明，光照不夠時如果有人時不論是否活動都照明，無人不照明;③附加約束條件，多媒體開啟時不照明。所以依照電路的各個功能可以將系統分為人數檢測部分、光控部分、多媒體工作狀態檢測部分等板塊，并對它們分別進行方案的設計。

4 各部分電路的方案設計

4.1 人數檢測方案的設計

由于本設計是利用紅外反射來實現人員檢測的，所以要獲得教室中是否有人的信息需要的核心元件為紅外反射傳感器。紅外反射傳感器的工作原理是由傳感器前方障礙物將紅外發射探頭發射出去的紅外線反射回來并通過紅外接收探頭接收來實現傳感的。但這種傳感器都有一定的檢測范圍，可以通過調節它的靈敏度來調節它的檢測范圍。對于教室里人數檢測可以用兩個紅外反射傳感器來實現。假設走廊和教室間通道寬a米，將兩個紅外反射傳感器的檢測范圍調至只能檢測a米內的障礙物，然后把這兩個傳感器安裝在教室入口處如圖1所示。我們可以根據兩個紅外反射傳感器的感應先后來確定前方的障礙物是進入還是出去教室。人對傳感器來說也是障礙物，所以它可以實現檢測人的進出情況。但僅由兩個紅外傳感器組成的電路本身不能自動得出該結果，所以還需要將信號整形并加一個方向鑒別電路和計數器來計數。這樣教室里人數檢測方案就確定了，其方框圖如圖2所示。

4.2 光控電路方案的設計

對于光控功能的實現目前有很多的的方案可供選擇，如可以用光敏管、光電感應器、光敏電阻。但是光敏管允許的電流太小，需要一個放大電路才能實現電路所需的功能，因而顯得有點麻煩。光電感應器則在目前市場上價格有些偏高。因此，光敏電阻是最佳選擇，因為根據光敏電阻的特性知它的阻值是隨著光照強度變大而變小的，故它不僅可以完全實現該電路的功能，而且成本很低。為了解決在教室里燈在亮暗轉換的時候閃爍不定的問題，在光控電路中可以加一個施密特觸發器。這樣就給燈亮暗轉換的時加入了一個緩沖區使得燈工作時更加的穩定。

4.3 多媒體工作狀態檢測方案設計

多媒體控制部分功能是當多媒體開啟時不管當時的燈是開還是關都將保持關閉。教室里的多媒體也即投影儀。雖然將投影儀內部的某根電線的電流引出來就很容易的達到目的，但這個設計的本身就是一個產品，它和投影儀的關系就如機頂盒跟電視機的關系，我們不能對多媒體進行任何改裝，故這個方案排除。我們還可以想像，當投影儀工作時其提供交流電的電線上必然會有交流電流通過，也就很容易就想到要檢測投影儀是否在工作只須檢測提供投影儀電力的電線上是否有電流通過就行。因為是交流電，故只須將提供投影儀電力的兩根電線中的一根電線上接入一個互感線圈或者一個變壓器就可檢測出多媒體是否在工作。這個方法雖然可行但有一個前提，就是不管接入的是互感線圈還是變壓器都必須是阻抗非常小，不能影響投影儀的正常工作。

5 系統整體方案的設計

根據各部分電路方案的確定可以得出整體方案。首先是人數檢測部分是將兩個紅外反射傳感器一前一后安裝在進出通道上如圖1所示。若前方有人通過，紅外反射傳感器就會輸出一個信號;若前方沒有人通過，則無信號輸出。而人經過門口時是進還是出會使兩個紅外反射傳感器出現的脈沖順序不同。然后將信號經過整形后送入方向識別電路中，使得當人進入或是出去會輸出不同電平信號。然后分別將兩個信號接至加/減計數器的加計數時鐘輸入和減計數時鐘輸入端，進而記錄教室里的人數。光控部分是通過一個光敏電阻和施密特觸發器構成的電路，當光線較強時輸出低電平，光線較弱時輸出高電平。多媒體工作狀態檢測電路則是通過一個線圈來檢測多媒體是否在工作，當多媒體開啟時線圈會檢測出電流進而使輸出端輸出低電平，而平時則輸出高電平。最后將計數部分，光控部分和多媒體控制部分通過一些邏輯關系用邏輯門連起來控制一個電磁繼電器進而控制教室里的燈。整個電路所需的電壓電流都由直流電源部分提供。其整體方框圖如圖3所示。

6 總體電路

總體電路則是將人數檢測電路部分的輸出OUT1、光控電路部分的輸出OUT2、多媒體控制電路部分輸出OUT3通過一個與門控制一個繼電器進而來控制日光燈見附錄1所示。圖中R1為限流電阻。只有當OUT1、OUT2、OUT3都輸出高電平時與門輸出高電平使得繼電器上有電流才能使日光回路閉合，日光燈開啟。也就是說只有當教室有人且光線不足還有多媒體沒開時日光燈會亮，反之則不亮。該電路經過Multisim仿真，結果符合設計要求。

參考文獻

[1]華成英.模擬電子技術[M].北京:清華大學出版社，2006.2.全書.

[2]閻石.數字電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社，2006.5.全書.

[3](美)John F.Wakerly.數字設計原理與實踐.機械工業出版社，2003.8全書.

[4]王爾乾，楊士強，巴林鳳.數字邏輯與數字集成電路.清華大學出版社，2006.11.全書.

[5]俞虹.節能燈光控開關[J].無線電，2006年，第10期:62頁.

[6]張曉東.多用途紅外線反射開關TX05D及其應用(下)[J].電子世界，2001年，第2期:第44頁.

[7]田文俊，田華.介紹一種可逆計數器[J].水文，1996年，第6期:第56頁.

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