教室燈光智能控制系統設計

河南科技學院機電學院 王 怡 張 鶴 盧 薇 陳艷鋒

教室燈光智能控制系統設計

河南科技學院機電學院 王 怡 張 鶴 盧 薇 陳艷鋒

本文以熱釋電紅外感應原理和STM32為基礎設計了教室燈光智能控制系統.該系統電路由熱釋電人體紅外傳感器、繼電器,STM32等工作電路組成.利用熱釋電紅外傳感器探測人體紅外線變化,對室內的燈進行自動控制,當檢測到教室內有人進入時(含人在時),控制系統會將燈自動開啟;當人走時系統控制燈延時后關閉.完成人在燈亮,人走燈滅的效果.

STM32;熱釋電;節能;綠色照明

0 引言

隨著社會的不斷進步與科學技術的不斷發展,人們越來越關心我們賴以生存的地球,世界上大多數國家也充分認識到了環境對我們人類發展的重要性.節能燈已成為千家萬戶必需的生活用品,而智能化的熱釋電紅外節能燈也起到了舉足輕重的作用,現實生活中人們經常由于忘記關燈而造成巨大的能源浪費.教室燈光智能控制系統主要針對教學樓使用,由于學校教室多,每個教室的日光燈數量也很多,導致電能浪費嚴重,同時也增加了燈的更換頻率.該系統可實現:一旦有人員進入其紅外傳感作用區域,電燈就會自動點亮,遠去后,電燈就會自動熄滅,其功能充分體現了節能的特點及應用于生活中的實用性.

1 系統總體設計

總體設計框圖如1所示,教室燈光智能系統的電路由5部分組成,包括:220V降壓電路,人員檢測電路,微控制器電路,繼電器控制電路,報警電路.

人發出熱紅外光譜,人體紅外輻射(波長為9.5μm),需要把紅外光先轉換成電信號,此過程可以用紅外傳感器來完成.當有人進入教室內檢測區時,檢測電路向開關電路提供信號通過繼電器控制電路使控制的燈開啟并工作,當人走出教室檢測區時,檢測電路啟動延時電路并向開關電路提供信號通過繼電器控制電路使燈亮,當延時時間到后,檢測電路向開關電路提供信號通過繼電器控制電路使燈滅.

圖1 教室燈光智能控制系統總體框圖

2 系統硬件電路設計

2.1 電源電路

圖2所示是交流市電轉換為低壓直流電路圖,采用變壓器降壓后再整流濾波,變壓器將220V市電轉換為6V輸出,整流濾波采用單相橋式整流電路,輸出平均電壓為:

再經過AMS1117穩壓器轉為3.3V電壓.

圖2 220V轉3.3V降壓電路圖

2.2 人員檢測電路

大學教室一般規模:小教室高度約為2米~3米,階梯教室高度約為5米.熱釋電可通過調節距離電位器順時針旋轉,感應距離增大,最大約7米,反之,感應距離減小,約3米.兩種教室均可實現,通用性強,因此,選用熱釋電紅外傳感器作為檢測元件.人員進入教室內時,系統檢測到這個信號,熱釋電傳感器接收該信號,經過一系列微控制器的處理轉化成能夠識別的高低電平.

本設計主要采用紅外熱釋電處理芯片BISS0001和熱釋電紅外傳感器,主芯片BISS0001是一款具有較高性能的傳感信號處理集成電路,它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構成被動式的熱釋電紅外開關.BISS0001是由運算放大器、電壓比較器、狀態控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構成的數模混合專用集成電路.熱釋電紅外傳感器由傳感探測元、干涉濾光片和場效應管匹配器三部分組成.熱釋電紅外傳感器在結構上引入場效應管的目的在于完成阻抗變換.由于熱釋電元件輸出的是電荷信號,并不能直接使用,因而需要用電阻將其轉換為電壓形式,該電阻阻抗高達104MΩ,故引入的N溝道結型場效應管應接成共漏形式即源極跟隨器來完成阻抗變換.

2.3 主控電路

將熱釋電檢測的信號傳遞給STM32,如果所得數值符合設定值,STM32開始工作.輸出相應的高低電平控制繼電器,繼電器對STM32所輸出的信號工作,控制燈的亮滅.

圖3 微控制器電路圖

2.4 報警電路

本系統采用蜂鳴器報警,通常工作電流較大,所以增加了一個三極管來增加通過蜂鳴器的電流.在每天零點到六點期間,教室停止使用,當有人非法進入時,熱釋電感應到有人進入,報警電路工作.

3 軟件設計

軟件設計由4部分組成:信號檢測與處理設計、延時模塊設計、實時時鐘設計、報警模塊設計.

3.1 信號檢測與處理設計

熱釋電首先需要將傳感器探測得到的信號轉換成數字信號.再將信號傳遞給單片機STM32.如果所得數值符合設定值,STM32開始進行判斷工作.若接收數字信號為高電平,則輸出相應信號使繼電器接通將燈點亮;若接收數字信號為低電平,則進入程序中的延時模塊.

3.2 延時模塊設計

接收信號為低電平時,延時10s,再次檢測若仍為低電平,則繼電器不工作,燈熄滅;若為高電平,則繼電器接通,將燈點亮.

3.3 實時時鐘設計

RTC,可提供時鐘日歷的功能.修改這個計數器的值也就重新設置了系統當前的時間和日期.在本系統中,外接32.768KHz的晶振,經過預分頻模塊用來產生1秒的RTC時間基準,每分鐘檢測一次,當時間達到零點時,啟動報警模塊,早上六點時,關閉報警模塊,系統正常工作.

3.4 報警模塊設計

每當時間到達零點時,若有人進入,熱釋電檢測到這個信號,系統將信號處理,轉化成能夠識別的高低電平.PA12輸出高電平,蜂鳴器響.

圖4 軟件系統流程圖

4 結語

基于熱釋電紅外傳感器與STM32設計的教室燈光智能控制系統,該系統具有結構簡單、成本低等優點,但是熱釋電人體紅外傳感器靈敏度較高,容易誤觸發.其誤報率與安裝的位置和方式有關系,正確的安裝應滿足下列條件:

(1)傳感器應離地面2.0~2.2米.

(2)傳感器應遠離空調、冰箱、火爐等空氣、溫度變化比較敏感的地方.

(3)傳感器探測范圍內不得有隔屏、家具、大型盆景或其他隔離物.

(4)傳感器不要直對窗口,否則窗外的熱氣流擾動和人員走動會引起誤報,不要安裝在有強氣流活動的地方.經過多次測試,該系統工作情況穩定,可應用于教室等場所,為節約電能做出貢獻,實現了綠色照明,環保節能.

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[4]林雪梅.熱釋電紅外傳感器及其應用[J].甘肅科技縱橫,2005,34(1):41-42.

Design of Intelligent lighting control system of classroom

Wang Yi,Zhang He,Lu Wei,Chen Yanfeng

This paper designs an Intelligent control system of classroom based on the principle of Pyroelectric Infrared Radial Sensor and STM32.This system is consisted of Pyroelectric Infrared Radial Sensor,relays,STM32 and other operating circuits.It can use Pyroelectric Infrared Radial Sensor to detect the changes of human body's infrared,and control the indoor lamp automatically.When the system detects people entering the classroom(including people in),lamp will light automatically.Otherwise,it will make the lamp turn off after the delay time .The system has the effect of"the lamp lighting when people enter and the lamp off when people out".

STM32;Pyroelectric;Energy-saving;Green-lighting

王怡(1995-),女,河南新鄉人,現就讀于河南科技學院機電學院2014級電氣控制及其自動化專業.

陳艷鋒(1979-),男,河南新鄉人,實驗師,研究方向:智能家居.