基于熱釋電紅外傳感器的智能節能插座設計

葉勇盛

摘 要 智能節能插座通過實現人來時用電器自動開啟，人走時用電器自動關閉，達到智能節能的目的。本設計克服傳統的熱釋電紅外傳感器控制電路往往只能檢測移動人體，對于靜坐或睡眠等靜止不動的人體往往容易出現誤判的缺點進行動/靜兩態的人體識別，同時具備定時開啟/關閉、時間顯示、遙控操作等功能。

【關鍵詞】熱釋電紅外 單片機 智能節能

1 概述

隨著智能化技術的發展，人體感應類智能插座得到了廣泛的應用，如公共建筑，舊樓改造、智能樓宇等項目，迎合了國家倡導的節約能源、綠色環保的理念。

熱釋電紅外傳感器利用人體紅外感應原理，通過探測人體發出的紅外線進行人體檢測。基于熱釋電紅外傳感器的智能插座、開關，比早期的聲光控產品使用壽命更長、性能更穩定、誤動作較少，更具優勢。其應用于普通出租屋、集體宿舍、教室等公共場所及樓梯走道等燈具、風扇眾多的場合，做到人來時用電器自動開啟，人走時用電器自動關閉，不再需要專門的管理員，達到智能節能的目的。但傳統的熱釋電紅外傳感器控制電路往往只能檢測移動的人體，對于靜坐、睡眠等靜止不動的人體往往容易出現誤判。

2 系統結構及特點

本系統的結構包括熱釋電紅外探測模塊、步進電機模塊、STC12系列單片機模塊、可由繼電器接通或切斷電源的插座模塊、DS1302時鐘模塊、1602液晶模塊、無線射頻遙控收發模塊、24C02存儲模塊及操作按鍵等，系統可以實現人體的智能探測，自動開關用電器；對用電器進行定時開關；亦可以作為電子鐘使用。系統既可以通過面板按鍵進行設置，也可以通過遙控器進行相關操作，大大提高了用戶的使用體驗。

其特點是為了克服熱釋電紅外傳感器無法探測靜態人體的缺點，將熱釋電紅外傳感器模塊固定在步進電機上，單片機控制步進電機帶動熱釋電傳感器以一定的速度及角度范圍進行正反往復旋轉，讓熱釋電紅外傳感器與靜止的人體之間產生相對運動。當開啟人體智能探測功能時，能自動探測運動或靜止的人體，當人進入探測區域后自動開啟用電器，離開時自動關閉用電器，達到智能節能的效果。

3 系統工作原理

3.1 人體智能探測

用于檢測人體紅外線的熱釋電傳感器模塊（含菲涅爾透鏡）、STC12系列單片機模塊、步進電機及ULN2003驅動模塊、24C02存儲器模塊。STC12系列單片機是宏晶科技生產的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，同樣晶振的情況下，速度是普通51系列單片機的8～12倍。

熱釋電紅外傳感器內部包含三部分，分別為傳感探測元、濾光窗和場效應管匹配器。濾光窗由一塊薄玻璃片鍍上多層濾光層薄膜而成的，對波長7.0～14um以外的紅外線能有效過濾。人體正常體溫時，輻射的紅外線中心波長為9.65um，所以人體輻射的紅外線能很好地通過濾光窗，而燈光、陽光等其他光源中的紅外線則被有效過濾。傳感器只對處于移動或運動狀態的人體或體溫近似人體的物體起作用。

人體智能探測的工作原理是：當設置了人體智能探測功能后，若單片機的繼電器（I/O口為P1.4）控制輸出信號為低電平（反邏輯），智能插座通電，同時步進電機帶動熱釋電紅外傳感器以10度每秒的角速度進行60度范圍的往復正反旋轉，讓運動的熱釋電紅外傳感器與靜止的人體之間產生相對運動。不管是人體是處于運動狀態還是處于靜坐或睡眠狀態，熱釋電模塊均可探測并通過輸出高電平脈沖信號至單片機的P3.2端口。

為了增強系統的抗干擾能力避免誤判，系統的算法為：以90秒為一個探測周期，當單片機在一個探測周期內檢測到人體則自動進入下一個探測周期的計時，若一個探測周期內未探測到人體則控制輸出信號變為高電平，驅動繼電器（I/O口為P1.4）斷開插座電源從而關閉用電器。每個探測周期以接收到2次以上的有效感應信號作為判斷有人的依據，感應信號的周期設定為6秒，一個感應周期內單片機接收到2次熱釋電傳感器傳回的高電平脈沖中斷信號則作為一個有效感應信號。從而實現在普通出租屋、集體宿舍、教室等公共場所及樓梯走道等燈具、風扇眾多的場合，人來時用電器自動開啟，人走時用電器自動關閉，不再需要專門的管理員，達到智能節能的目的。當智能插座停止電源輸出時，步進電機亦停止旋轉，進入動態人體檢測狀態。

為了避免因意外掉電導致步進電機不能返回初始位置，造成步進電機偏移一定的角度，日積月累后熱釋電紅外感應模塊上的導線纏繞過緊，出現導線斷裂等隱患，系統采用24C02存儲器進行步進電機狀態信息的存儲，每次單片機輸出步進電機控制信號時均將電機的轉向、相位等信息自動備份到24C02存儲器中，在系統重新通電時，在單片機的初始化過程中將相關信息讀出并對步進電機進行復位。

為了實現在人體探測過程中不影響顯示實時時間等功能，在單片機程序中采用分時復用的算法，利用T0定時器進行定時中斷，分步完成人體感應、定時開關、按鍵輸入、步進電機脈沖輸出、液晶顯示等，很好地解決了以上各任務的協同運行。人體智能探測控制流程如圖1所示。

3.2 定時開關

工作原理為，將單片機內部定時器T0設置為1毫秒溢出中斷一次，同時對中斷次數進行累加，每50次中斷即將時鐘模塊的時間與設置的定時時間進行比對，比對結果不相同則無動作；比對結果相同則單片機輸出控制信號驅動繼電器對插座進行開關，從而實現對用電器的定時控制。

3.3 遙控操作

采用常見的2262/2272無線射頻收發模塊實現系統的遙控控制功能，接收模塊內含LC振蕩電路及放大整形電路，帶四路解碼輸出，輸出4位數據，分別對應系統的4個操作按鍵，其輸出有效信號為高電平、非鎖存電平信號，而按鍵有效輸出電平為低電平信號，故加入CD4069非門IC對遙控模塊進行電平轉換再并聯到系統操作按鍵的輸入端口（單片機P2.0～P2.3）。

3.4 時間日期顯示

系統采用DS1302時鐘模塊產生時鐘信號實現電子鐘功能，同時為了降低功耗，減少單片機資源的耗費，利用系統定時器T0的溢出中斷定時300毫秒更新一次顯示數據。DS1302內含有一個實時時鐘和31字節靜態RAM，通過簡單的串行接口與單片機進行通信。提供秒、分、時、日、周、月、年的信息。

3.5 液晶界面顯示

系統采用RT-1602C液晶模塊進行顯示，設置4個操作按鍵，并對按鍵的短按操作、長按操作做出不同的響應。具體操作界面描述如圖2所示。RT-1602C采用標準的16腳接口，可以顯示兩行，每行16個字符的數字或字母。

4 小結

根據以上原理設計制作的智能插座克服了傳統熱釋電控制電路無法檢測靜止人體的缺陷。經過實踐，產品工作穩定，能應用于普通出租屋、集體宿舍、教室等公共場所及樓梯走道等燈具、風扇眾多的場合，做到人來時用電器自動開啟，人走時用電器自動關閉，同時具備定時開啟/關閉插座、時間顯示、遙控操作等，具有一定的推廣價值。

參考文獻

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作者單位

廣東省廣州市公用事業技師學院 廣東省廣州市 510000endprint