基于主動式熱釋電紅外傳感器的自動控制

【摘要】本項目設計研究的主動式熱釋電紅外傳感器，跟市面上的被動式熱釋電紅外傳感器相比，能穩定有效地檢測到靜態人體，達到“人到燈亮，人在燈亮，人離燈滅”的效果。基于該傳感器設計室內照明設備的自動控制系統，實現對教學樓等大型樓宇內照明系統的智能控制。

【關鍵詞】主動式熱釋電紅外傳感器；自動控制；節能；低成本

1.引言

隨著經濟社會的飛速發展，電能越來越緊張，電能浪費的現象卻依舊存在。許多高校存在著教室照明管理不到位的問題，在夜晚，空無一人的教室仍然是燈火輝煌，對于這類大型樓宇，照明節能日顯重要。現普及的照明節能開關基本有聲控型、接觸型等，由于使用的局限性，這些開關只能作為控制控制系統的輔助部分。要實現室內照明系統智能化、節能化，最重要的一點是該系統能探測和判斷是否有人的存在，而市面上的被動式熱釋電紅外傳感器，局限于檢測動態人體，對靜坐教室學習的人不做任何反應。本項目組基于主動式熱釋電紅外傳感器設計了一種低成本、低耗電的室內自動控制系統。

2.系統總體功能與結構

2.1 功能特點

采用熱釋電紅外技術探測室內是否有人存在，當有人進入室內時，傳感器探測到人體的散發的紅外線，產生電流信號，信號經過集成處理電路IC處理后傳送給單片機，單片機通過控制繼電器來控制照明設備的開關，此后單片機控制電動機帶動傳感器間隔時間段旋轉，若室內一直有人體存在，照明設備保持通電狀態，人離開后，傳感器在下一個探測周期內由于檢測不到人體而關閉負載。即可實現“人到燈亮，人在燈亮，人離燈滅，安全節能”的效果。

采用光敏電阻檢測室內光的強度。利用光敏電阻的光照特性，在一定電壓下光敏電阻產

生的電流隨著相對光強的變化而變化，將這些電信號送至單片機，通過單片機自動控制照明電器的開關。

在模型耗電方面，傳感器在旋轉的情況下，最高5W，在靜態的情況下，最高0.5W，若在教室內合理布置該傳感器，能實現照明設備的節能控制。

2.2 結構框圖

本設計由主動式熱釋電紅外傳感器檢測模塊、單片機控制模塊、環境光強檢測模塊、繼電器執行模塊組成。結構如圖1所示。

3.系統硬件設備

3.1 主動式熱釋電紅外傳感器

正常人體的體溫都在36～37℃，會散發出9～12μm的紅外線。熱釋電紅外線傳感器能感應的紅外線波長在0.2～20μm，人體散發的紅外線能被該感應器接收。當人體產生交替變化的紅外輻射聚焦到紅外感應晶體上時，晶體表面溫度發生變化，具有熱釋電效應的晶體產生極化現象。被動式傳感器檢測不到靜態人體的原因是，在檢測區域內靜態人體產生的紅外輻射不變化，電解質晶體表面溫度維持不變，不能產生電信號，只有當人體散發的紅外線交替變化時，電解質晶體表面的溫度隨之變化，表面電荷量也會隨之變化的同時產生多余的浮游電荷而產生電信號。基于上述原理，主動式熱釋電傳感器依據相對運動，由電動機帶動探頭正反交替旋轉，與靜態人體形成一定的相對速度，使靜態人體散發的紅外線在接收端交替變化，進而產生電流。

當人體進入室內，熱釋電傳感器接收到人體散發的紅外線產生電信號傳遞給單片機，單片機一方面控制繼電器接通照明負載，一方面輸出信號啟動電動機間隔時間段旋轉，若人在室內下運動或靜止，傳感器都能夠探測到人的存在，若室內沒人，傳感器不再產生電信號給單片機，單片機控制照明設備斷電，并控制電動機不再旋轉。

3.2 室內光強傳感模塊

光敏電阻的工作原理是基于半導體的光電效應，電阻值隨著入射光的強弱而改變。本設計采用光敏電阻MJ3516，并將其與熱釋電晶體PIR一起封裝在帶有菲涅爾透鏡的塑料殼內，它體積小，靈敏度高，光譜特性好。在不同的光強下，光敏電阻產生相應的電信號，輸入給單片機后，由單片機依據程序控制照明電器的開關和控制照明設備的亮度。

3.3 控制模塊

AT89S51是美國ATMEL公司生產的低功耗，低價位，高性能CMOS8位單片機。本設計采用AT89S51單片機作為控制器，實現對室內人體紅外線的檢測，室內光強的檢測，啟動電動機正反交替旋轉和照明設備開關的控制。

程序流程圖如圖2所示。系統通電時，先對系統進行初始化，接著運行環境光強檢測模塊，當環境光強低于設定值時，單片機啟動主動式熱釋電傳感器模塊探測室內人體紅外線，但電動機不工作，當人進入室內時，傳感器開始接收到人體紅外線，產生的電信號經過處理后傳遞給單片機，由單片機控制接通照明設備，此后單片機控制電動機帶動探頭每隔10分鐘旋轉一次，每次旋轉20秒。若進入室內的人沒離開，則由單片機控制接通照明設備使其保持通電狀態并維持到下一個20秒的檢測，若進入室內的人離開了，熱釋電在20秒的檢測階段內檢測不到人體紅外線，則由單片機控制斷開照明設備直至下一個人進入室內開始循環。在白天，環境光強大于設定值，照明設備和主動式熱釋電傳感器將一直處于斷電狀態。

4.主動式熱釋電傳感器模型

本項目設計的主動式熱釋電模型傳感器如圖3所示，可以分解為三大模塊，一是電動機模塊，二是感應探頭模塊，三是電路板模塊。電動機模塊采用的是同步電動機，利用同步電動機帶動探頭正反交替旋轉，一方面實現了功能的需要，一方面解決了探頭單向旋轉帶來的連接線的繞線問題。對于感應探頭模塊，采用了D203S熱釋電和MJ3516光敏電阻和菲涅爾透鏡，菲涅爾透鏡的作用一是聚焦作用；二是將探測區域內分為若干個明區和暗區，使進入探測區域的移動物體能以溫度變化的形式在熱釋電晶體上產生變化的熱釋紅外信號。對于電路板模塊，根據轉動速率，探頭靈敏度和可靠性來設計集成處理電路，使用AT89S51單片機對信號進行收集、分析和對照明設備進行控制。

本項目完成了模型的構建，通過大量的實驗與總結，設計合適的菲涅爾透鏡，選擇電動機的轉速和排查各種影響因素。電動機的轉速大小，會改變探頭與靜態人體的相對速度，從而影響著探頭接收紅外線的速率，過大過小都會使得傳感器變得不穩定。菲涅爾透鏡大體如圖4所示，探頭旋轉會使熱釋電的靈敏度加大，這就要求設計相應的菲涅爾透鏡，透鏡厚度、接收角度和折射角度都經過實驗改良設計。最后，還得經過實驗排查各種影響因素，才能夠達到穩定檢測靜態人體的功能，例如旋轉時的繞線問題、環境風速問題等。

本項目的特色與創新點在于菲尼爾透鏡的設計，若沒有合理的菲涅爾透鏡，傳感器在旋轉的情況下，將一直處于不穩定狀態，失去檢測靜態人體的功能。

5.結語

整個照明系統成本低，不需人手控制，適用于學校、商場等大規模室內場所的照明控制，可以有效地對照明設備進行智能控制，達到科學管理與節能的目的。

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作者簡介：曾克根，男，現就讀于廣東工業大學材料與能源學院。