紅外智能計數節能控制開關的設計

肖 博

（鄭州航空工業管理學院，河南鄭州 450003）

·機械設計與制造·

紅外智能計數節能控制開關的設計

肖 博

（鄭州航空工業管理學院，河南鄭州 450003）

本文主要針對目前高校教學樓的電能浪費嚴重，用電設備控制和管理不足，教室資源利用不合理的現狀，特別是在人離開教室后照明設備等因忘記關閉而造成的巨大電能浪費問題，設計了一款紅外智能計數節能控制開關。該系統采用模塊化結構設計，具有條理清晰、通用性好、便于改進和擴充、體積小、控制方便、智能化和人性化程度高等優點。達到了節能環保的目的，為構建節約型社會做出一份貢獻。

智能系統；教室照明；節能環保；紅外線感應；機電一體化

1 研制背景和意義

隨著社會生產力的不斷發展和全球范圍內工業化的不斷深入，經濟發展對于能源的依賴性日益加重，然而，全球的能源儲備量卻急劇下降。在這種大環境下，節能減排日益成為國際上議論的核心話題。由此可見，能源浪費已經成為各國亟待解決的問題。然而現在的人們節約能源的意識普遍不強，日常生活中對于電能的浪費隨處可見。其中，不必要的長明燈現象就是電能浪費最典型的例子。

2006 年初，政協九屆委員董秦明確指出，在單位不經意之中所形成的浪費尤其是不必要的長明燈現象，是一筆巨大的支出，這種現象嚴重違背了我國建設資源友好型社會的政策，是政府部門亟待解決的問題。同時山東經濟學院的孫如教授給記者們算了這樣一筆賬：一座使用面積為5 000m2的教學樓，一般每10m2配置一盞40W的燈具，若按“長明燈”每天浪費兩小時計算，一天就浪費電能40kW·h，以學生一年在校9個月計算，每座教學樓一年將浪費電能約10 800kW·h。

國內部分學校也意識到了教室照明中存在的巨大浪費，采取了各種各樣的管理方式，企圖來杜絕這種浪費。如:費用包干制、任課教師負責制、組織勤工儉學學生或聘用專職人員進行專門管理，拉閘限電等等。許多學校都采取過這些方法，但始終沒能長久堅持下去，也就沒有取得理想效果。國內產品研究也存在諸多問題。

而在日本，像松下、索尼、東芝等大型的電子公司都有自己的智能辦公大樓。這些智能化建筑能精確地控制建筑物內的能源消耗，使能源浪費的程度降到最低。在實際應用中，英國希思羅（Heathrow）國際機場T5候機樓是一個較為成功的案例，航站樓范圍內的大部分的照明，都采用了西門子instabus KNX／EIB系統實現照明控制。但是該系統的設計原理復雜繁瑣，操作人員的知識水平要求過高，維修太難，成本巨大，相較于高校應用的節能控制顯得太過于高端，費用也無法承受。

因此設計針對目前高校教室“人走不關燈”的電能資源嚴重浪費現象，開發了一套人性化智能管理系統，提高用電效率，實現手自一體的燈光控制，功能較完善的教室智能控制節能開關。

2 系統總原理設計

紅外智能計數節能開關分為檢測模塊、處理模塊和控制模塊3大部分。

該系統利用開關電源由220V降壓到24V供電。控制模塊安裝在照明設備電路的干路上，且控制模塊的固態繼電器、光敏電阻和手動開關串聯。根據室內實際人員有無來控制單片機上電磁繼電器的通斷，同時結合光敏開關和手動開關，三重控制來自動控制照明燈電路，并實現對照明燈的自動關閉和部分情況下的自動接通。由檢測裝置對進出教室的人員進行檢測，并將產生的脈沖信號傳送給處理模塊分析處理得出結果，再按預先設定好的程序控制控制模塊，實現固態繼電器的通斷切換。最終實現智能節能等目的［1-3］。系統主電路如圖1所示。

圖1 系統主電路圖

3 系統方案設計

3.1 檢測模塊的設計和原理

3.1.1 紅外光電傳感器

本文選用的是PES-R18NO3MD NPN（回歸反射常開型）紅外光電開關。

主要技術參數：供電電源：DC:10～30V；輸出電流≤200mA；檢測距離：3m；環境照度：白熾燈≤3000LX/日光≤10000LX；反射類型：漫反射型

工作原理：反射式光電開關是集發射器與接收器于一體，光電開關發射器發出的光線經過反射鏡，反射回接收器，當被檢測物體經過且完全阻斷光線時，光電開關就產生了檢測開關信號。

本文中傳感器共兩組4個（分為A、B兩組）。分別處于水平和垂直位置，傳感器串聯連接，以提高檢測精確度。將檢測數據傳送給處理模塊。

3.1.2 門磁開關

該課題選用的是MC-18常開型門磁開關。

主要技術參數：尺寸：19×15×8（mm）；主要材料：ABS外殼，日本OKI干簧管；工作距離：15mm-+5；固定形式：螺絲；供電電壓：5V直流；最大承受電流：0.5A；最大承受電壓：100V；最大承受功率：10W；使用壽命:100萬次。

工作原理：門磁開關主要由開關和磁鐵兩部分組成，開關部分由磁簧開關經引線連接，定型封裝而成；磁鐵部分由對應的磁場強度的磁鐵封裝于塑膠或合金殼體內，當兩者分開或接近至一定距離后，引起開關的開斷從而感應物體門磁開關位置的變化。

該開關置于檢測模塊電源的干路上，其兩個部分分別置于門框和門上，計算好位置和角度安裝，通過開關門實現門磁開關的通斷，控制紅外傳感器信號傳輸的通斷，進而消除開關門時對檢測結果的影響。

3.2 處理模塊的設計及原理

3.2.1 單片機

處理模塊主要電子元器件是STC89C52R型單片機。工作電壓：5.5V～3.3V；工作頻率范圍：0～40MHz。

圖2 引腳圖

通過編寫程序對接收的信號進行分析處理，然后控制控制模塊實現通斷的切換。人員進出房間觸碰到兩組紅外傳感器的順序不同，以此識別是進還是出。紅外傳感器將進門的信號傳遞到單片機，單片機進行編碼轉化，與之相連的計數程序進行加1運算。當人走出時，所觸碰兩組傳感器的順序正好相反，此時計數器程序執行減1運算。當運算結果為初始數據時，單片機會發出一個指令，開關自動斷開，從而達到“人走燈滅”的目的［4］。

圖2是STC89C52R型單片機引腳圖。

3.2.2 光耦電路

由于光電傳感器的電壓是24V，輸出電壓也是24V，而單片機的工作電壓是5V。光電傳感器的輸出電壓遠高于單片機工作電壓，所以需要一個光耦電路進行轉換。光耦電路圖如圖3所示：

圖3 光耦電路圖

3.3 控制模塊的設計及原理

3.3.1 繼電器

選用的是CDG1-1DA/10A單相固態繼電器。

主要技術參數：控制方式：直流控交流；輸出電流：10A；輸入電壓/電流：3-32VDC/<03mA；負載電壓：24-480VAC；通態降壓：1.6VAC；通斷時間：≤5ms；電壽命：≥100萬次。

工作原理：固態繼電器是一種無觸點電子開關，由分立元器件、膜固定電阻網絡和芯片，采用混合工藝組裝來實現控制回路（輸入電路）與負載回路（輸出電路）的電隔離及信號耦合，由固態器件實現負載的通斷切換功能，內部無任何可動部件。主要由輸入（控制）電路，驅動電路和輸出（負載）電路三部分組成［5］。

繼電器置于室內照明電路的干路上，由處理模塊分析處理的數據結果控制固態繼電器信號的觸發與否，然后其輸出電路在觸發信號的控制下，實現固態繼電器的通斷切換。最終實現對照明設備的智能控制［6-7］。

3.3.2 光敏傳感器

選用的是通用型光敏開關。

主要技術參數：供電電壓：12VDC；電流：＞100mA；負載：250V 10A。

工作原理：光敏電阻是一種半導體器件，利用半導體的光電效應。當有光照時電阻很小。無光照時電阻很大。

光敏開關置于照明電路的干路上，它的串聯使用避免了在白天光線較強時照明燈處于工作狀態的情況，也可實現光線由暗轉亮時照明燈的自動斷開和部分情況下的自動接通，從而實現了智能節能的目的。

3.3.3 手動開關

選用的是普通的家用型開關。

置于照明電路的干路上，主要是實現開燈和在特殊情況下斷開照明電路的功能［8］。體現了該系統更加具有操作性和人性化的特點。

控制模塊的電路圖如圖4所示：

圖4 電路圖

4 控制模塊的程序設計

A1、A2兩個傳感器串聯（B同A），光耦電路的信號輸出端分別接到單片機的P3.3口和P3.2口。A1、B1兩個傳感器分別垂直安裝在門框外、內；A2、B2兩個傳感器分別水平安裝在門框外、內的兩側適當的高度（安裝圖如圖5和6）。

繼電器、光敏電阻和手動開關串聯在照明電路的干路上。微處理器的初始值設定為100，當有人進入教室時，檢測模塊檢測到信號后（先經過A組，再經過B組），計數程序進行加1運算，計數顯示由100變為101，接收模塊指示燈亮有信號傳入，則繼電器將閉合，控制負載進行工作。如果繼續有一人進入教室，那么將會繼續進行加1運算，一直循環；當有人出教室時，檢測模塊檢測到相反的信號（先經過B組，再經過A組）后，處理模塊再次有信號傳入，計數程序進行減1運算，直至計數顯示由101變為100時，按程序設定，延時一段時間后將繼電器斷開，從而照明設備關閉，進而達到“人走燈滅”的智能節能的功能［9-10］。

圖5

圖6

5 出現的主要問題及分析解決

問題1：進出教室時，人行走過程中擺手對檢測裝置的干擾問題（“擺手”問題）。

分析解決：對于這個問題，該開關系統采用兩組、四個紅外光電傳感器串聯檢測。只有四個傳感器同時檢測到有人時，才會將產生的信號傳送給處理模塊進行分析。

問題2:人體存在傳感器，有人存在時輸出高電平的電壓偏低。

分析解決:人體存在傳感器，使輸出高電平的電壓偏低，單片機會產生誤判，或采集不到正確的信號，于是在人體存在傳感器的輸出端加一個100千歐的上拉電阻。

問題3:每次開機插上電源后，硬件時鐘顯示的時間都從所設初始值開始計時。

分析解決:硬件時鐘顯示的時間不正常。解決辦法:一方面是充電電池沒有充電功能；另一方面是應對硬件時鐘先進行自檢。

6 結語

系統的設計從低碳環保的理念出發，立足于節能，對高校教室的燈光控制具有普遍適用性。開關系統具有多個創新點：（1）通過每組兩個紅外傳感器的二維檢測，從而對進出房間人數的檢測準確度大幅提高；（2）門磁開關的串聯使用避免了門對紅外傳感器的影響；（3）光敏開關的串聯使用避免了在白天光線較強時照明燈處于工作狀態的情況，也可實現光線由暗轉亮時照明燈的自動斷開和部分情況下的自動接通；（4）開關24小時工作，能全天準確判斷人數。（5）既可自動也可手動控制照明燈的通斷。此裝置也可控制多個照明燈。（6）照明燈壞掉或更換，該系統仍能繼續使用。同時該開關系統屬于一個載體平臺，今后可以搭載其他模塊，完成不同功能。例如，簽到、室內人數統計、上下課鈴聲提醒等。

經過初步試驗，系統能夠完成設計的要求，智能控制開關燈，具有良好的穩定性，達到了較好的節能效果。

［1］周瑤.高校教室燈光節能控制系統的設計［D］.鄭州大學，2010.

［2］姜濤，王浩.高校教室節能照明改造與設計［J］.照明工程學報，2014（5）：40-45.

［3］王昊辰.高校教學樓智能燈光控制系統設計［D］，2014.

［4］曾屹.單片機原理與應用［M］.中南大學出版社，2009.

［5］郭培源，付楊.光電檢測技術與應用［M］.北京航空航天大學出版社，2009.

［6］吳建平.傳感器原理及應用［M］.機械工業出版社，2009.

［7］陳龍三.8051單片機C語言控制與應用［M］.北京：清華大學出版社，1999.

［8］宋建國.AVR單片機原理及應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2000.

［9］趙本虎，趙國庫.基于單片機的室內燈光控制系統設計［J］.江蘇冶金，2004（5）：31-35.

［10］夏勇，黃子豪.教室燈光節能控制系統的設計［J］.科學與財富，2014（11）：79-81.

The Design of Infrared Intelligent Energy-saving ControlSw itch

Xiao Bo
(Zhengzhou Institute of Aeronautics IndustryManagement，Zhengzhou Henan 450003)

The paper mainly targeted at the situation of serious power waste of universities teaching buildings，insufficientcontrolandmanagementof electrical equipment，unreasonable use of classroom resources，especially the enomorous powerwaste problem caused by people leaving the classroom without turning off the lighting equipment，designed an infrared intelligentenergy-saving control switch.The system used themodular structure design，with the advantagesof clarity，good common，easy forexpansion，smallvolume，convenient control，being intelligent，and high humanization.The purpose of energy-saving and environmental protection has been achieved and it made a contribution forbuild a conservation oriented society.

intelligent system;classroom lighting;energy saving;environmental protection;infrared induction; Mechatronics

TP273

：A

：1003-5168（2015）03-0046-4

2015-2-15

肖博（1992.6-），男，本科，專業：機械設計制造及其自動化。