光感、手動一體化節(jié)能開關(guān)

文宇等

【摘 要】光感、手動一體化節(jié)能控制系統(tǒng)通過對光信號的實時監(jiān)測，將模擬信號轉(zhuǎn)換成電壓信號傳給單片機(jī)，單片機(jī)控制人體感應(yīng)系統(tǒng)實現(xiàn)檢測有無人從而控制教室或者自習(xí)室燈的亮滅狀態(tài)?；趩纹瑱C(jī)、光敏電阻對光信號的采集、處理與轉(zhuǎn)換成電壓信號進(jìn)一步控制熱釋電檢測人體紅外信號，實現(xiàn)共同控制燈管亮滅狀態(tài)。設(shè)計增加手動與自動控制的切換按鈕，在緊急情況下也可實現(xiàn)白天手動控制燈的亮滅狀態(tài)，以此思想設(shè)計研究。利用proteus軟件平臺進(jìn)行仿真與調(diào)試，確保其實物焊接成后的可用性及系統(tǒng)的正常工作可行性。

【關(guān)鍵詞】光感；手動一體化；人體動態(tài)監(jiān)測檢測；光信號檢測；Proteus軟件仿真；節(jié)能開關(guān)；LED燈

【Abstract】light， manual integrated energy-saving control system through the real-time monitoring of the optical signal， converts the analog signal into a voltage signal to the microcontroller， MCU control system to realize the detection of human body induction has no one to control the classroom or study room lights off state. In this paper， based on MCU， photosensitive resistor on the optical signal acquisition and processing， and converted into a voltage signal to control the pyroelectric infrared signal detection， realize the lamp light off state control. This design increases the switch button manual and automatic control， in case of emergency can realize manual control of light off state during the day light， in order to design research. The simulation and debugging using Proteus Software Platform， to ensure the normal work of the availability and feasibility in the welding system.

【Key words】Optical integration； Dynamic monitoring； Manual human detection； Optical signal detection； Proteus simulation； LED lamp； Energy-saving switch

0 引言

光感、手動一體化節(jié)能開關(guān)主要解決普片存在于各個初中、高中、大學(xué)內(nèi)的電能浪費(fèi)的問題。在初中、高中學(xué)生早上比較早，進(jìn)教室首先會開燈，但當(dāng)上了一節(jié)課或兩節(jié)課時、光線也早已充足時，很多人都會忘記關(guān)燈。每個教室有很多盞燈，每個學(xué)校又有好多教室，這就對學(xué)校造成了很大的電能浪費(fèi)。在大學(xué)上述現(xiàn)象也普遍存在，在大學(xué)還普遍存在另一個現(xiàn)象。在周六周日，學(xué)生都喜歡睡懶覺，宿舍內(nèi)的燈還是會像往常一樣在固定的時間亮起來，當(dāng)學(xué)生睡懶覺起來，燈已近白白亮了幾個小時了，同樣造成了電能的浪費(fèi)。基于以上浪費(fèi)電能情況，我們小組研究設(shè)計的該節(jié)能開關(guān)可以實現(xiàn)自動與手動控制，自動控制以光敏電阻檢測光信號，在晚上把信號傳給單片機(jī)，單片機(jī)控制人體檢測系統(tǒng)采集人體紅外信號后人體檢測系統(tǒng)把信號又傳給單片機(jī)從而控制繼電器來控制燈的亮滅狀態(tài)。實現(xiàn)在光線暗的情況下“人在燈亮，人走燈滅”以達(dá)到節(jié)能的目的。

1 節(jié)能控制系統(tǒng)研究方案

根據(jù)本控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，此系統(tǒng)主要由單片機(jī)，光控部分、獨立按鍵、人體感應(yīng)部分、繼電器控制等組成。單片機(jī)為本系統(tǒng)的核心控制元件選擇AT89C52型號，實施對各個子系統(tǒng)信號的處理、轉(zhuǎn)換實現(xiàn)進(jìn)一步控制繼電器來控制燈的狀態(tài)，光控部分選擇光敏電阻采集光模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號，然后用三極管放大數(shù)字電壓信號給單片機(jī)。單片機(jī)此時便控制人體感應(yīng)系統(tǒng)工作。人體感應(yīng)部分由步進(jìn)電機(jī)與熱釋電傳感器構(gòu)成。步進(jìn)電機(jī)用作把靜態(tài)的人體感應(yīng)做成動態(tài)的，這樣實現(xiàn)在人靜止不動時可以繼續(xù)檢測到人體信號，再傳遞給單片機(jī)來控制繼電器的工作?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計流程如圖1所示：

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 系統(tǒng)主電路

系統(tǒng)主控電路是系統(tǒng)工作的核心，本設(shè)計系統(tǒng)主要采用AT89C52型單片機(jī)。單片機(jī)又稱單片微計算機(jī)，它的結(jié)構(gòu)特點是將微型計算機(jī)的基本功能部件（如中央處理器cpu、存儲器、輸入接口、輸出接口、定時/計時器及終端接口）全部集成在一個半導(dǎo)體芯片上。大薄片既具有微計算機(jī)的特性。與通用型計算機(jī)相比，單盤集體績效，可以嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中作為指揮決策中心，使用應(yīng)用系統(tǒng)實現(xiàn)智能化。

2.1.1 單片機(jī)復(fù)位電路

單片機(jī)在開機(jī)時需要復(fù)位，以便CPU及其他功能部件處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個從初始狀態(tài)開始工作，另外，在單片機(jī)工作過程中如果出現(xiàn)死機(jī)，也必須對單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位，使其重新開始工作。單片機(jī)復(fù)位的條件是：在RST出現(xiàn)滿足復(fù)位時間要求的高電平狀態(tài)，該時間等于系統(tǒng)時鐘振蕩周期建立時間再加兩個機(jī)器周期時間（一般不少于10ms）。單片機(jī)的復(fù)位電路有三種方式，本系統(tǒng)采用復(fù)合復(fù)位電路。

2.1.2 單片機(jī)時鐘電路

單片機(jī)執(zhí)行指令的過程可分為取指令、分析指令和執(zhí)行指令三個步驟，每個步驟又由許多微操作組成，這些微操作必須在統(tǒng)一的時鐘控制下才能按照正確的順序執(zhí)行。單片機(jī)的時鐘信號由兩種方式產(chǎn)生，及內(nèi)部時鐘和外部時鐘方式。本系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式。

以上電路組成單片機(jī)的最小系統(tǒng)，如圖2所示：

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

步進(jìn)電機(jī)需提供直流5V電壓，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動芯片用ULN2003A，需提供電壓為5V|～12V。步進(jìn)電機(jī)有三線式、五線式、流線式三種，但其控制方式均相同，都必須以脈沖電流來驅(qū)動。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動接口1B-4B接單片機(jī)P2.0-P2.3接口。VCC接5V電源，1C、2C、3C、4C分別接步進(jìn)電機(jī)ABCD四相且步進(jìn)電機(jī)28BYJ48型四相八拍電機(jī)，電壓為DC5V-DC12V。當(dāng)對步進(jìn)電機(jī)施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動。每一個脈沖信？號對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度（一個步距角）。當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個循環(huán)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距。四相步進(jìn)電機(jī)可以在不同的通電方式下運(yùn)行，常見的通電方式有單（單相繞組通電）四拍（A-B-C-D-A…），雙（雙相繞組通電）四拍（AB-BC-CD-DA-AB-…），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A…）。驅(qū)動電路如圖3所示：

2.3 光感應(yīng)部分電路

光敏傳感器內(nèi)裝有一個高精度的光電管，光電管內(nèi)有一塊由”針式二管”組成的小平板，當(dāng)向光電管兩端施加一個反向的固定壓時，任何光了對它的沖擊都將導(dǎo)致其釋放出電子，結(jié)果是，當(dāng)光照強(qiáng)度越高，光電管的電流也就越大，電流通過一個電阻時，電阻兩端的電壓被轉(zhuǎn)換成可被采集器的數(shù)模轉(zhuǎn)換器接受的0-5V電壓，然后采集以適當(dāng)?shù)男问桨呀Y(jié)果保存下來.簡單的說，光敏傳感器就是利用光敏電阻受光線強(qiáng)度影響而阻值發(fā)生變化的原理向單片機(jī)主控電路發(fā)送光線強(qiáng)度的模擬信號。光敏傳感器又稱光敏電阻，光敏電阻是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器；入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。本設(shè)計圖中采用模擬光敏電阻的方法作圖，接線如圖4所示：

2.4 人體感應(yīng)部分電路

人體感應(yīng)選擇熱釋電傳感器，熱釋電傳感器可以檢測人體發(fā)出的紅外線，從而把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。傳給主控電路單片機(jī)控制繼電器進(jìn)一步工作。熱釋電紅外傳感器的工作電壓為DC5V-20V，觸發(fā)方式有A、L不可重復(fù)，B、H可重復(fù)。A、不可重復(fù)觸發(fā)方式：即感應(yīng)輸出高電平后，延時時間一結(jié)束，輸出將自動從高電平變?yōu)榈碗娖?。B、可重復(fù)觸發(fā)方式：即感應(yīng)輸出高電平后，在延時時間段內(nèi)，如果有人體在其感應(yīng)范圍內(nèi)活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變?yōu)榈碗娖剑ǜ袘?yīng)模塊檢測到人體的每一次活動后會自動順延一個延時時間段，并且以最后一次活動的時間為延時時間的起始點）。在被動紅外探測器中有兩個關(guān)鍵性的元件，一個是熱釋電紅外傳感器（PIR），它能將波長為8～12um之間的紅外信號變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺⒛軐ψ匀唤缰械陌坠庑盘柧哂幸种谱饔?，因此在被動紅外探測器的警戒區(qū)內(nèi)，當(dāng)無人體移動時，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的只是背景溫度，當(dāng)人體進(jìn)人警戒區(qū)，通過菲涅爾透鏡，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的是人體溫度與背景溫度的差異信號，因此，紅外探測器的紅外探測的基本概念就是感應(yīng)移動物體與背景物體的溫度的差異。另外一個器件就是菲涅爾透鏡，菲涅爾透鏡有兩種形式，即折射式和反射式。菲涅爾透鏡作用有兩個：一是聚焦作用，即將熱釋的紅外信號折射（反射）在PIR上，第二個作用是將警戒區(qū)內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入警戒區(qū)的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號，這樣PIR就能產(chǎn)生變化的電信號。但是在我們的設(shè)計中，被動紅外紅外探測器不能滿足要求，所以我們設(shè)計以步進(jìn)電機(jī)帶動熱釋電紅外探頭不停地正反轉(zhuǎn)來達(dá)到檢測靜止人體的目的。在仿真試驗中依然以模擬代替，如圖5所示：

2.5 繼電器控制電路

繼電器主要是實現(xiàn)開關(guān)控制作用，我們本設(shè)計采用直流5V普通繼電器，在單片機(jī)對各種模擬信號處理完后控制繼電器來控制燈的開關(guān)狀態(tài)。其接線圖如圖6所示：

2.6 獨立按鍵電路

獨立按鍵設(shè)計兩個，且外接10K電阻之后接電源，由單片機(jī)電源提供5V電源。一個獨立按鍵用來自動與手動的切換控制，另一個獨立按鍵用來控制在手動狀態(tài)下，控制繼電器的開關(guān)狀態(tài)。這樣實現(xiàn)了手動與自動的完美結(jié)合，即使在白天或者有點灰暗的環(huán)境中，緊急用電視可以隨意控制，達(dá)到既不費(fèi)事又能節(jié)約的目的。

2.7 系統(tǒng)總體設(shè)計圖

將以上各個子系統(tǒng)綜合在一起變組成一個光感手動一體化節(jié)能開關(guān)的控制系統(tǒng)圖，在proteus中輸入程序進(jìn)行仿真。

3 本系統(tǒng)工作流程

光感手動一體化節(jié)能開關(guān)系統(tǒng)工作流程如下，首先由單片機(jī)判斷是否有獨立按鍵按下，然后光感部分感應(yīng)是不是在晚上，把信號傳給單片機(jī)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，接下來單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)帶動熱釋電人體紅外傳感器檢測是否有人，再把信號給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)而控制繼電器來控制燈。如果獨立按鍵按下時，直接進(jìn)入手動控制，有獨立按鍵控制繼電器來工作。程序圖如圖10所示：

4 研究結(jié)果與分析

本節(jié)能開關(guān)控制系統(tǒng)原理簡單，制作也方便。在現(xiàn)實生活中自動性和實用性也很高，安裝要求適用與學(xué)校教室，廁所，家里等等，能給我們帶來不可預(yù)算的節(jié)能效果。當(dāng)然再設(shè)計研究過程中也存在一些問題，有待后續(xù)研究，如：熱釋電熱體感應(yīng)探頭的安裝要求，對其產(chǎn)生干擾的因素有很多，即使一根發(fā)熱的導(dǎo)線也能使其誤工作，還有焊接電路過程中電阻值的不得當(dāng)?shù)鹊仍斐蓪嶒炗幸欢ǖ牟煌昝?，實驗理論與現(xiàn)實情況的誤差等等都需后續(xù)進(jìn)一步的研究解決。

5 研究結(jié)論

在如今自動化電器引領(lǐng)的時代，我們設(shè)計研究自動控制與手動控制的結(jié)合體，來實現(xiàn)現(xiàn)實社會中人們極大的需求及提高人們的節(jié)約理念?；趩纹瑱C(jī)研究這個創(chuàng)新項目試用范圍廣，不僅為學(xué)校節(jié)約電能，節(jié)省電費(fèi)開支，也間接的對環(huán)境保護(hù)做出貢獻(xiàn)。光感、手動一體化節(jié)能開關(guān)不僅可以在太陽光充足時通過自動控制系統(tǒng)及時切斷電路以達(dá)到節(jié)能的目的，更可以在白天滿足對特殊照明需求的情況，進(jìn)行人為手動控制開關(guān)。這樣的新型節(jié)能開關(guān)可以為學(xué)校節(jié)約電能，也可以延長教室內(nèi)用的燈的壽命，為學(xué)校節(jié)約了一部分基礎(chǔ)照明設(shè)施的開支。當(dāng)然還可用此電路設(shè)計一款光控自動窗簾，利用光線的照射來實現(xiàn)窗簾的自動開合（窗簾在清晨能自動拉開，在傍晚能自動關(guān)閉）。為后面更多的自動化裝置提供一定的參考價值。

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[責(zé)任編輯：鄧麗麗]