基于單片機的紅外輻射電暖器智能控制系統設計

收稿日期：2014－04－30

作者簡介：王劍霞(1978-)，女，甘肅蘭州人，碩士，講師，主要研究方向:計算機應用、控制理論與控制工程；

李想(1978-)，男，甘肅武都人，碩士，副教授，主要研究方向: 計算機信息處理、計算機網絡、流媒體技術。

摘要：為避免在使用紅外輻射電暖器時的疏忽大意，及時預防火災事故，設計了一種基于單片機的紅外輻射電暖器智能控制系統。該控制系統采用AT89C51單片機作為核心部件，利用熱釋電紅外傳感器檢測人體信號，利用三極管和繼電器來構成斷電自鎖電路。智能控制系統根據相應情況，可以實現手動定時、關機提示、電源接通提示、延時關機等操作處理。程序采用C語言編寫，采用模塊化結構設計，條理清晰、通用性好。經過實驗驗證，系統控制方便、可靠性高、針對性強，能實際實現安全節能的目的。

關鍵詞：單片機控制； 紅外輻射； 電暖器； 斷電自鎖

中圖分類號：TP368.12，TP216文獻標識碼：A文章編號：2095-2163（2014）03-0074-04

Design of Infrared Radiation Heater Intelligent Control System based on MCU

WANG Jianxia， LI Xiang

(Department of Electronics and Information Engineering， Lanzhou Vocational Technical College， Lanzhou 730070，China)

Abstract：To avoid negligence in the use of infrared radiation heater， the paper designs infrared heater intelligent control system based on single chip microcontroller to prevent fire accidents timely. This control system takes AT89C51 microcontroller as the core components， uses the pyroelectric infrared sensors to detect body signals， and uses transistors and relays to constitute a self-locking circuit， and thus achieves manual timing， shutdown notice， power-on tips and delayshut-down operations on the appropriate circumstances. Programs are written using C language with the modular design， well-organized and good generality. Experimental results show that the system， with high reliability， is not only easy to control， but can actually achieve the purpose of safety and energy saving.

Key words：MCU Control; Infrared Radiation; Heater; Self-locking Circuit

0引言

隨著人民生活質量的日益改善，結構簡單、價格低廉、使用方便的小太陽等紅外輻射取暖設備在人們的生活中已經隨處可見。但是，由于電暖器使用不慎或疏忽大意而造成的火災卻時有發生。根據調查分析，并參見各種媒體的報道可知，在日常生活中，人們由于種種原因匆忙外出，或睡覺休息等忘記關斷電源，則在浪費能源的同時也導致了家庭生命財產損失［1］。基于此，研究設計既能節電環保、又可提高安全性能的紅外輻射電暖器智能控制系統即具有重要的現實意義和實用價值。本文針對市售紅外輻射電暖器設計使用中的缺陷和不足，采用AT89C51通用單片機芯片作為核心器件，并輔以相關外圍電路，再通過C語言編寫程序，設計實現了具有智能感應、手動定時、智能提示和斷電自鎖等各項功能的紅外輻射電暖器智能控制系統，同時給出了系統硬件、軟件設計方案［2］。

1系統硬件電路設計

本設計的系統總體原理框圖如圖1所示，系統由信號采集模塊、信號調理模塊、單片機控制模塊、按鍵設置模塊、數碼顯示模塊和斷電自鎖模塊構成。單片機控制模塊采用AT89C51單片機作為主控芯片，信號采集模塊中的核心器件則為熱釋電紅外傳感器，由其感應到人體發出的紅外信號后再經濾光片放大聚焦后送到信號調理電路，由信號調理電路對采樣電信號進行兩級放大和比較處理后即傳輸入單片機。單片機I/O口根據接收到的控制信號作出相應判斷，在實時數碼顯示的同時，也進一步完成作出智能提示和斷電自鎖等動作。系統中其他部分，如按鍵設置模塊，可用于操作者對人離開后的延時關機時間進行設置；數碼顯示模塊，即采用四位七段顯示數碼管顯示倒計時等時間信息；而斷電自鎖模塊，則在接收到信號后通過控制開關電路來控制電暖器的開關，并于倒計時結束后自動切斷電源。

圖1 系統總體原理框圖

Fig.1The principle diagram of system1.1單片機最小系統設計

隨著集成電路、數字信號處理芯片、微控制器的快速發展，現在的電子產品已日趨智能化、自動化、數字化，并且微處理器芯片的應用已經相當成熟，而高性價比的AT89C51芯片則是其中的典型代表［3-5］。

單片機的電源采用5V供電，時鐘電路則利用11.059 2MHZ晶振，向單片機提供一個基準脈沖信號，由其來決定單片機的運行速度。而單片機復位電路采用的是混合復位電路，上電時可自動復位，也可手動復位，這將有利于在單片機死機時進行重啟［6］。

1.2信號采集調理模塊

熱釋電紅外傳感器利用某些材料的熱釋電效應加工制成，專門用來檢測人體輻射的紅外線能量，能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線或入射紅外線的能量變化，并將其轉換成電壓信號輸出，而將這個電壓信號加以放大，便可驅動各種控制電路［7］。熱釋電紅外傳感器輸出的檢測信號通常都較為微弱，需要經過放大、比較兩個環節才能輸出控制信號，驅動電路執行相關動作，因此信號采集模塊就需要由熱釋電紅外傳感器、低頻帶通放大電路和電壓比較整形電路三部分來構成。

對于本系統中的低頻帶通放大電路，其中采用了LM324作為核心器件，內部獨立的高增益運算放大器工作電流小（典型值Is=1.0mA），且與所加電源的電壓大小無關，頻率補償及偏置電流均采用了溫度補償措施，因而具有穩定性能。圖2為低頻帶通放大電路，采用脈沖信號模擬熱釋電傳感器的人體探測信號，通過開關SW1的閉合與斷開分別來對應人的離開與存在時兩種情況。傳感器輸出通過R2直接耦合到低噪聲運放（LM324） 構成的第一級放大電路的反向輸入端，串聯電阻R2用于降低射頻干擾，再由電容C4、電阻R8耦合到第二級反向放大電路完成進一步的濾波、放大。低頻帶通放大電路的主要參數設置為：上限截止頻率fH= 1/2πR1C2＝15.9(Hz)；下限截止頻率fL= 1/2πR13C7＝0.07(Hz)；電路增益與頻率有關，當輸入信號頻率為1 Hz時， 第一級放大增益Au1= R1/R2=100，第二級放大增益Au2= R4/R8=100；通帶帶寬B=fH-fL=15.83(Hz)，電路總增益為G=20lgAu=80(dB）。第3期王劍霞，等：基于單片機的紅外輻射電暖器智能控制系統設計智能計算機與應用第4卷圖2 低頻帶通放大電路

Fig.2The circuit of Low-frequency bandpass amplifier電壓比較整形電路應用LM324之中的兩個集成運算比較器構成一個雙限電壓比較器，當人體通過菲涅爾透鏡組成的傳感器現場時，傳感器輸出一交變信號。電路中，電阻分壓計算可得電壓比較器的兩個閾值電壓分別為3.2V和1.8V，這就表明當放大器輸出信號電平大于3.2V 或者小于1.8V 時，比較器輸出高電平，意即探測到移動人體。

1.3按鍵控制模塊

按鍵控制模塊的輸入信號分別接到AT89C51單片機的P1.1端口、P1.5端口和P1.6端口。其中，P1.1端口為自鎖開關，P1.5端口對應分鐘按鍵加1功能，P1.6端口對應分鐘按鍵減1功能。當按鍵未按下時，P1.1端口、P1.5端口及P1.6端口的電壓接近電源電壓，即為高電平；當某一按鍵按下時，對應端口將被按鈕開關短接到地，變為低電平。鍵盤工作方式采用中斷掃描方式，即利用其電平的變化產生中斷，在中斷服務程序中可讀入P1端口的3位信號，由此而確定哪個鍵被按下，隨之則執行相應的按鍵功能。通過按鍵可設定延時關機時間為一百分鐘以內的任意數值，并將憑此來滿足使用者的需求。

1.4數碼顯示模塊

本模塊使用四位七段共陰極數碼管作為狀態顯示電路，使用者可以通過按鍵設置電暖器延時時間，而數碼顯示模塊則將顯示相應時間，以及倒計時預警信息［8］。七段共陰極數碼管的段選可接入單片機P0端口，位選則接至P2端口，同時選用動態顯示的工作方式。單片機在將段碼送入數碼管段選端口后，再從P2端口將位選碼送到數碼管位選端口，依次選擇四個數碼管顯示，并相應地調用延時程序［9］。

1.5斷電自鎖模塊

斷電自鎖模塊通過NPN型三極管集電極與繼電器線圈串聯構成，繼電器線圈兩端反相并聯二極管，這就起到了吸收反向電動勢的功能，而且保護了相應的驅動三極管，此種繼電器驅動方式的硬件結構比較簡單。繼電器是通過常開觸點串在線圈與電源之間，一旦通電，繼電器吸合，常開觸點處于吸合導通，由此繼電器保持通電閉合狀態。開機時，在程序中將單片機初始化后的P3.0端口賦為低電平，使得開機后的繼電器始終處于釋放狀態。當使用者離開，狀態顯示部分設定的相應延時也結束后，P3.0端口將變為高電平，此時可使繼電器進入吸合狀態，通電指示燈滅，從而達到自鎖的目的。

2系統軟件設計

系統軟件總流程如圖3所示。上電后，單片機進行初始

圖3 系統軟件總流程圖

Fig.3The flowchart of system software化，完成后就開始檢測P1.0端口的狀態，如果P1.0端口變為高電平，就表示有人在使用紅外輻射電暖器，如果P1.0端口為低電平就表示沒有檢測到人。系統開始倒計時，并且在數碼管上顯示倒計時時間，同時循環檢測P1.0端口的狀態，若延時結束前并未檢測到高電平，即給P3.0端口送高電平信號，從而開啟三極管控制繼電器切斷電源；當再次檢測到高電平時則需要按下自鎖開關，此時紅外輻射電暖器才能重新工作，這就達到了斷電自鎖要求［10］。

3系統仿真結果分析

系統仿真測試結果如圖4所示。其中信號調理電路輸入采用脈沖信號代替熱釋電傳感器檢測到的人體紅外信號，開關的閉合和斷開分別表示人在和離開兩種狀態。程序中默認初始延時為10秒鐘（可設置），即人離開后從10秒開始倒計時。使用者在檢測范圍內時，通電指示燈亮，數碼顯示模塊默認程序中設置的初始延時時間10秒；當智能控制系統斷電自鎖后而使用者若再次回到感應區域，則需要重新按下自鎖開關，數碼顯示屏顯示上次設置的默認值，通電指示燈亮，同時也要接通電源，紅外輻射電暖器開始工作；使用者離開時，執行延時子程序，開始倒計時，同時在四位數碼顯示模塊上顯示倒計時時間，倒計時結束后，單片機P3.0端口輸出高電平，自鎖繼電器吸合，并且通電指示燈滅，而紅外輻射電暖器停止工作，即達到延時關機、斷電自鎖的目的；使用者在時，如需增加或減少延時時間，則可通過按鍵主動設置延時時間，達到節能控制的目的。

圖4 系統仿真測試結果

Fig.4The test results of simulation

4結束語

紅外輻射電暖器智能控制系統的應用能有效避免使用者因突發停電離開，而未斷開紅外輻射電暖器電源，當其離開期間市電又恢復供應所可能導致的能源浪費，甚至紅外輻射電暖器壽命受損乃至引發火災事故等諸多狀況的發生。基于AT89C51單片機為核心的紅外輻射電暖器智能控制系統在保證性能穩定、工作可靠的前提下，硬件設計上盡量采用性價比較高的通用元器件，因而降低了制作成本。紅外輻射電暖器智能控制系統與已有的紅外輻射電暖器配套使用時，并不需要重新購置電暖器，這樣在無形中節約了使用者的成本。紅外輻射電暖器智能控制系統可以實現智能感應、手動定時、斷電自鎖、延時關機等功能，提高了電能的利用率和電暖器的安全效果，因此具有較高的實際應用推廣價值［11］。

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