一种低成本、低耗电的室内自动控制系统设计

1.引言

随着经济社会的飞速发展，电能越来越紧张，电能浪费的现象却依旧存在。许多高校存在着教室照明管理不到位的问题，在夜晚，空无一人的教室仍然是灯火辉煌，对于这类大型楼宇，照明节能日显重要。现普及的照明节能开关基本有声控型、接触型等，由于使用的局限性，这些开关只能作为控制控制系统的辅助部分。要实现室内照明系统智能化、节能化，最重要的一点是该系统能探测和判断是否有人的存在，而市面上的被动式热释电红外传感器，局限于检测动态人体，对静坐教室学习的人不做任何反应。本项目组基于主动式热释电红外传感器设计了一种低成本、低耗电的室内自动控制系统。

2.系统总体功能与结构

2.1功能特点

采用热释电红外技术探测室内是否有人存在，当有人进入室内时，传感器探测到人体的散发的红外线，产生电流信号，信号经过集成处理电路IC处理后传送给单片机，单片机通过控制继电器来控制照明设备的开关，此后单片机控制电动机带动传感器间隔时间段旋转，若室内一直有人体存在，照明设备保持通电状态，人离开后，传感器在下一个探测周期内由于检测不到人体而关闭负载。即可实现“人到灯亮，人在灯亮，人离灯灭，安全节能”的效果。

采用光敏电阻检测室内光的强度。利用光敏电阻的光照特性，在一定电压下光敏电阻产生的电流随着相对光强的变化而变化，将这些电信号送至单片机，通过单片机自动控制照明电器的开关。

在模型耗电方面，传感器在旋转的情况下，最高5W，在静态的情况下，最高0.5W，若在教室内合理布置该传感器，能实现照明设备的节能控制。

2.2结构框图

本设计由主动式热释电红外传感器检测模块、单片机控制模块、环境光强检测模块、继电器执行模块组成。结构如图1所示。

图1 结构框图

3.系统硬件设备

3.1主动式热释电红外传感器

正常人体的体温都在36~37℃，会散发出9~12μm的红外线。热释电红外线传感器能感应的红外线波长在0.2~20μm，人体散发的红外线能被该感应器接收。当人体产生交替变化的红外辐射聚焦到红外感应晶体上时，晶体表面温度发生变化，具有热释电效应的晶体产生极化现象。被动式传感器检测不到静态人体的原因是，在检测区域内静态人体产生的红外辐射不变化，电解质晶体表面温度维持不变，不能产生电信号，只有当人体散发的红外线交替变化时，电解质晶体表面的温度随之变化，表面电荷量也会随之变化的同时产生多余的浮游电荷而产生电信号。基于上述原理，主动式热释电传感器依据相对运动，由电动机带动探头正反交替旋转，与静态人体形成一定的相对速度，使静态人体散发的红外线在接收端交替变化，进而产生电流。

当人体进入室内，热释电传感器接收到人体散发的红外线产生电信号传递给单片机，单片机一方面控制继电器接通照明负载，一方面输出信号启动电动机间隔时间段旋转，若人在室内下运动或静止，传感器都能够探测到人的存在，若室内没人，传感器不再产生电信号给单片机，单片机控制照明设备断电，并控制电动机不再旋转。

3.2室内光强传感模块

光敏电阻的工作原理是基于半导体的光电效应，电阻值随着入射光的强弱而改变。本设计采用光敏电阻MJ3516，并将其与热释电晶体PIR一起封装在带有菲涅尔透镜的塑料壳内，它体积小，灵敏度高，光谱特性好。在不同的光强下，光敏电阻产生相应的电信号，输入给单片机后，由单片机依据程序控制照明电器的开关和控制照明设备的亮度。

3.3控制模块

AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，低价位，高性能CMOS8位单片机。本设计采用AT89S51单片机作为控制器，实现对室内人体红外线的检测，室内光强的检测，启动电动机正反交替旋转和照明设备开关的控制。

图2 程序流程图

程序流程图如图2所示。系统通电时，先对系统进行初始化，接着运行环境光强检测模块，当环境光强低于设定值时，单片机启动主动式热释电传感器模块探测室内人体红外线，但电动机不工作，当人进入室内时，传感器开始接收到人体红外线，产生的电信号经过处理后传递给单片机，由单片机控制接通照明设备，此后单片机控制电动机带动探头每隔10分钟旋转一次，每次旋转20秒。若进入室内的人没离开，则由单片机控制接通照明设备使其保持通电状态并维持到下一个20 秒的检测，若进入室内的人离开了，热释电在20秒的检测阶段内检测不到人体红外线，则由单片机控制断开照明设备直至下一个人进入室内开始循环。在白天，环境光强大于设定值，照明设备和主动式热释电传感器将一直处于断电状态。

4.主动式热释电传感器模