1、基于热释电红外传感器的智能节能插座设计 叶勇盛 广东省广州市公用事业技师学院 摘 要： 智能节能插座通过实现人来时用电器自动开启, 人走时用电器自动关闭, 达到智能节能的目的。本设计克服传统的热释电红外传感器控制电路往往只能检测移动人体, 对于静坐或睡眠等静止不动的人体往往容易出现误判的缺点进行动/静两态的人体识别, 同时具备定时开启/关闭、时间显示、遥控操作等功能。关键词： 热释电红外; 单片机; 智能节能; 1 概述随着智能化技术的发展, 人体感应类智能插座得到了广泛的应用, 如公共建筑, 旧楼改造、智能楼宇等项目, 迎合了国家倡导的节约能源、绿色环保的理念。热释电红外传感器利用人体红外感
2、应原理, 通过探测人体发出的红外线进行人体检测。基于热释电红外传感器的智能插座、开关, 比早期的声光控产品使用寿命更长、性能更稳定、误动作较少, 更具优势。其应用于普通出租屋、集体宿舍、教室等公共场所及楼梯走道等灯具、风扇众多的场合, 做到人来时用电器自动开启, 人走时用电器自动关闭, 不再需要专门的管理员, 达到智能节能的目的。但传统的热释电红外传感器控制电路往往只能检测移动的人体, 对于静坐、睡眠等静止不动的人体往往容易出现误判。2 系统结构及特点本系统的结构包括热释电红外探测模块、步进电机模块、STC12 系列单片机模块、可由继电器接通或切断电源的插座模块、DS1302 时钟模块、160
3、2 液晶模块、无线射频遥控收发模块、24C02 存储模块及操作按键等, 系统可以实现人体的智能探测, 自动开关用电器;对用电器进行定时开关;亦可以作为电子钟使用。系统既可以通过面板按键进行设置, 也可以通过遥控器进行相关操作, 大大提高了用户的使用体验。其特点是为了克服热释电红外传感器无法探测静态人体的缺点, 将热释电红外传感器模块固定在步进电机上, 单片机控制步进电机带动热释电传感器以一定的速度及角度范围进行正反往复旋转, 让热释电红外传感器与静止的人体之间产生相对运动。当开启人体智能探测功能时, 能自动探测运动或静止的人体, 当人进入探测区域后自动开启用电器, 离开时自动关闭用电器, 达到
4、智能节能的效果。3 系统工作原理3.1 人体智能探测用于检测人体红外线的热释电传感器模块 (含菲涅尔透镜) 、STC12 系列单片机模块、步进电机及 ULN2003 驱动模块、24C02 存储器模块。STC12 系列单片机是宏晶科技生产的新一代 8051 单片机, 指令代码完全兼容传统 8051, 同样晶振的情况下, 速度是普通 51 系列单片机的 812 倍。热释电红外传感器内部包含三部分, 分别为传感探测元、滤光窗和场效应管匹配器。滤光窗由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的, 对波长 7.014um 以外的红外线能有效过滤。人体正常体温时, 辐射的红外线中心波长为 9.65um, 所以人
5、体辐射的红外线能很好地通过滤光窗, 而灯光、阳光等其他光源中的红外线则被有效过滤。传感器只对处于移动或运动状态的人体或体温近似人体的物体起作用。图 1:人体智能探测控制流程图 下载原图人体智能探测的工作原理是:当设置了人体智能探测功能后, 若单片机的继电器 (I/O 口为 P1.4) 控制输出信号为低电平 (反逻辑) , 智能插座通电, 同时步进电机带动热释电红外传感器以 10 度每秒的角速度进行 60 度范围的往复正反旋转, 让运动的热释电红外传感器与静止的人体之间产生相对运动。不管是人体是处于运动状态还是处于静坐或睡眠状态, 热释电模块均可探测并通过输出高电平脉冲信号至单片机的 P3.2
6、端口。为了增强系统的抗干扰能力避免误判, 系统的算法为:以 90 秒为一个探测周期, 当单片机在一个探测周期内检测到人体则自动进入下一个探测周期的计时, 若一个探测周期内未探测到人体则控制输出信号变为高电平, 驱动继电器 (I/O口为 P1.4) 断开插座电源从而关闭用电器。每个探测周期以接收到 2 次以上的有效感应信号作为判断有人的依据, 感应信号的周期设定为 6 秒, 一个感应周期内单片机接收到 2 次热释电传感器传回的高电平脉冲中断信号则作为一个有效感应信号。从而实现在普通出租屋、集体宿舍、教室等公共场所及楼梯走道等灯具、风扇众多的场合, 人来时用电器自动开启, 人走时用电器自动关闭,
7、不再需要专门的管理员, 达到智能节能的目的。当智能插座停止电源输出时, 步进电机亦停止旋转, 进入动态人体检测状态。为了避免因意外掉电导致步进电机不能返回初始位置, 造成步进电机偏移一定的角度, 日积月累后热释电红外感应模块上的导线缠绕过紧, 出现导线断裂等隐患, 系统采用 24C02 存储器进行步进电机状态信息的存储, 每次单片机输出步进电机控制信号时均将电机的转向、相位等信息自动备份到 24C02 存储器中, 在系统重新通电时, 在单片机的初始化过程中将相关信息读出并对步进电机进行复位。为了实现在人体探测过程中不影响显示实时时间等功能, 在单片机程序中采用分时复用的算法, 利用 T0 定时
8、器进行定时中断, 分步完成人体感应、定时开关、按键输入、步进电机脉冲输出、液晶显示等, 很好地解决了以上各任务的协同运行。人体智能探测控制流程如图 1 所示。3.2 定时开关工作原理为, 将单片机内部定时器 T0 设置为 1 毫秒溢出中断一次, 同时对中断次数进行累加, 每 50 次中断即将时钟模块的时间与设置的定时时间进行比对, 比对结果不相同则无动作;比对结果相同则单片机输出控制信号驱动继电器对插座进行开关, 从而实现对用电器的定时控制。3.3 遥控操作采用常见的 2262/2272 无线射频收发模块实现系统的遥控控制功能, 接收模块内含 LC 振荡电路及放大整形电路, 带四路解码输出,
9、输出 4 位数据, 分别对应系统的 4 个操作按键, 其输出有效信号为高电平、非锁存电平信号, 而按键有效输出电平为低电平信号, 故加入 CD4069 非门 IC 对遥控模块进行电平转换再并联到系统操作按键的输入端口 (单片机 P2.0P2.3) 。3.4 时间日期显示系统采用 DS1302 时钟模块产生时钟信号实现电子钟功能, 同时为了降低功耗, 减少单片机资源的耗费, 利用系统定时器 T0 的溢出中断定时 300 毫秒更新一次显示数据。DS1302 内含有一个实时时钟和 31 字节静态 RAM, 通过简单的串行接口与单片机进行通信。提供秒、分、时、日、周、月、年的信息。3.5 液晶界面显示
10、系统采用 RT-1602C 液晶模块进行显示, 设置 4 个操作按键, 并对按键的短按操作、长按操作做出不同的响应。具体操作界面描述如图 2 所示。RT-1602C 采用标准的 16 脚接口, 可以显示两行, 每行 16 个字符的数字或字母。4 小结根据以上原理设计制作的智能插座克服了传统热释电控制电路无法检测静止人体的缺陷。经过实践, 产品工作稳定, 能应用于普通出租屋、集体宿舍、教室等公共场所及楼梯走道等灯具、风扇众多的场合, 做到人来时用电器自动开启, 人走时用电器自动关闭, 同时具备定时开启/关闭插座、时间显示、遥控操作等, 具有一定的推广价值。图 2:操作显示界面描述 下载原图参考文献1刘笃仁, 韩保君编著.传感器原理及应用技术M.西安电子科技大学出版社, 2003. 2乔振民.基于单片机控制的热释电红外报警电路设计J.产业与科技论坛, 2012 (15) . 3韩强, 陈金周, 冯小军, 郑少锋, 刘耀先, 朱铮涛.智能节能插座的研制J.家电科技, 2014 (08) . 4孙茂超.物联网环境下智能插座的设计J.电子制作, 2015 (06) .
