基于紅外傳感器的智能教室照明控制

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，所有的燈都開著，造成大量的電能浪費。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)。照明電能損失越來越大，為此很有必要開發(fā)教室照明自動控制系統(tǒng)。

目前，國內(nèi)外照明自動控制裝置，基本上采用被動的人體感應(yīng)探測、可見光探測、熱釋電紅外探測、聲音探測等方法，但都存在一定的不足。這些方法在探測上都存在一定的缺陷，其中熱釋電紅外探測應(yīng)用最廣泛，但是都不能識別靜止人體。本文針對該缺點提出了可行的解決方案，并結(jié)合單片機技術(shù)，設(shè)計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

傳統(tǒng)的外傳感器大多用于動態(tài)人體的識別，本文所設(shè)計的紅外傳感器智能系統(tǒng)，不僅可以判別動態(tài)中的人體，也可對自習(xí)室中相對靜止的人體加以識別，從而達到對教室燈光照明系統(tǒng)進行智能控制的目的。

1.1 系統(tǒng)框架設(shè)計

由于人體會發(fā)出特定波長（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，來識別人體信號[1]，經(jīng)后續(xù)電路放大和A/D轉(zhuǎn)換等處理后，傳遞給基于單片機的控制電路，以此來控制燈的開關(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

（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特征一致的熱電元反向串聯(lián)或接成差動平衡電路，從而以非接觸的方式，檢測出物體放出的紅外線能量變化，并將其轉(zhuǎn)換為電信號輸出。通過兩個晶硅片的反向串聯(lián)，傳感器中兩個極性相反、大小相等的干擾信號在內(nèi)部相互抵消，得到能量補償。對于輻射至傳感器的人體紅外線，熱釋電傳感器通過安裝在前方的菲涅爾透鏡，將其聚焦后加至兩個探測元上，使傳感器產(chǎn)生并輸出電壓信號。菲涅爾透鏡的應(yīng)用增強了元件識別的正對性和敏感度。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）傳感器的動態(tài)檢測解決方案。熱釋電紅外傳感器只對運動的人體敏感，而在教室內(nèi)很多情況下，人們都處于相對靜止或者幅度很小的運動狀態(tài)，傳感器通常不能加以有效的識別。這也正是目前市場上該類產(chǎn)品的缺陷所在。

本文所提出的解決方案，是要從另一個角度去解決動態(tài)檢測的問題，即讓傳感器產(chǎn)生一定幅度的運動，通過人和傳感器之間的相對運動，實現(xiàn)信號的有效識別。本文提出了傳感器的運動的兩種方式。

1.3 傳感器運動的方式

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

圖3 振動方案

（2）擺動方式。圖4所示的擺動方式，其基本思路與振動方式相同。區(qū)別在于傳感器運動的方式，是在彈片的帶動下發(fā)生擺動，從而達到相對運動的目的。通過一個小型電機驅(qū)動凸輪，即可實現(xiàn)彈片的擺動。

圖4 擺動方案

1.4 控制電路設(shè)計

本設(shè)計選用LM358 集成放大器來對信號進行放大處理，而后傳到控制電路，以80C51 單片機實現(xiàn)編程控制[2]。單片機驅(qū)動兩個繼電器，分別實現(xiàn)燈和電機的控制。

其過程為：傳感器識別到的人體信號經(jīng)處理后，傳給單片機，單片機輸出兩個指令，一個讓控制燈的繼電器閉合，照明燈打開；另一個控制小型電機的轉(zhuǎn)動。該指令為周期性輸出，直至傳感器檢查不到人體信號時，單片機控制兩個繼電器同時斷開，照明燈熄滅，以此達到智能控制的效果。

信號處理和控制過程如圖5。

圖5 信號處理和控制過程

單片機的程序設(shè)計流程如圖6。

圖6 單片機的程序設(shè)計流程

2 教室區(qū)域規(guī)劃

圖7為一個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分區(qū)，加以單獨控制[3]，而不必同時開啟教室里的全部照明燈具，從而達到省電節(jié)能的效果。

圖7 吸頂式安裝的傳感器系統(tǒng)

3 結(jié)束語

本文應(yīng)用熱釋電傳感器及單片機控制技術(shù)，設(shè)計出教室照明控制系統(tǒng)，達到了省電節(jié)能、操作方便、人性化控制的效果。本設(shè)計不僅可用于教室的照明系統(tǒng)，還可對風(fēng)扇、空調(diào)等用電裝置實施相同的控制。本系統(tǒng)還可推廣至車站候車室、醫(yī)院等公共場所。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.基于單片機控制的教室照明智能控制系統(tǒng)[J].機電一體化，2005，（1）：69-70.

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