【文章內(nèi)容簡介】 越來越復(fù)雜，燈具之間有媒介聯(lián)系，方便管理和操作，智能化水平越來越高。 熱釋電紅外傳感器的研究現(xiàn)狀 國內(nèi)，對熱釋電紅外傳感器的研究已 有 20幾年 之久 ，但大多 都 無法兼顧探測的 準(zhǔn)確性 和靈敏度 ，在干擾 情況 下，信號識別率有所下降，誤報率 相對較 高。探測器產(chǎn)生誤報 的 主要原因是因為缺乏對 PIR傳感器輸出的紅外信號進行充分有效的分析，對信號中所含有的特征信息沒有進行有效的數(shù)據(jù)挖掘，不利于產(chǎn)品在實際應(yīng)用中的推廣。 國外，很多國家 也越來越 重視這方面的研究開發(fā)。 20xx年，韓國釜山國立大學(xué)研發(fā)了基于熱釋電紅外傳感器（ PIR）陣列的室內(nèi)位置檢測系統(tǒng)， ADEMCO 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 International、德國西門子安防、加拿大 PARADOX SUCURITY SYSTEMS LTD等公司推出了智能 PIR入侵探測器。 光強傳感器研究現(xiàn)狀 在目前的光 強檢測的現(xiàn)行方案中， 人們 大都采用光敏電阻、光敏二極管或三極管 來實現(xiàn) 將光信號 與 電信號 的轉(zhuǎn)換 ， 并 通過光電流的大小 作為判斷依據(jù) 來衡量光照強度的大小。 但 這種測量方法 也 只 能說 是模糊的給出光強是大是小的概念，完全建立在個人經(jīng)驗或者說個人習(xí)慣上，而 在 國家最新頒布的《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn) GB 5003420xx》規(guī)定教室、閱覽室等大面積公共照明場所內(nèi)照度值不得低于3001x。 所以說 依靠光敏二極管或三極管 想要給出一個量化 出來 的照度值是相當(dāng)困難的。因此，光的強度依靠個人經(jīng)驗來定強弱，并作為開關(guān)燈的依據(jù)是不夠合理的。 本課題研究的內(nèi)容 該系統(tǒng)采用遙控模式，由遙控器和教室節(jié)電控制器兩個部分組成。 遙控器部分主要內(nèi)容 遙控器主要實現(xiàn)以下功能 : 通過鍵盤完成對教室節(jié)電控制器的密碼、初始化時間、照度人數(shù)閾值和工作時間等的設(shè)定任務(wù)。 對教室節(jié)電控制器的參數(shù)設(shè)定完成后，通過 LCD 顯示當(dāng)前工作狀態(tài)和工作模式。 教室節(jié)電控制器部分主要內(nèi)容 教室節(jié)能控制器的主要功能如下 : 把無線數(shù)傳模塊發(fā)送過來的系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)存儲在 EEPROM 存儲器內(nèi)； 通過紅外熱釋電傳感器和光電傳感器實時采集人體存在信號、模糊人數(shù)，通過光強傳感器采集照度信號，將數(shù)據(jù)采集主控制器； 依據(jù)設(shè)置的控制模式和采集到的數(shù)據(jù)對燈組進行開關(guān)控制。 需要完成的任務(wù)： 方案選擇：設(shè)計系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，選擇合適的紅外熱釋電傳感器、單片機和系統(tǒng)需要的外圍模塊； 硬件設(shè)計：根據(jù)設(shè)計的系統(tǒng)方案，設(shè)計系統(tǒng)的硬件原理圖，用 Altium Designer繪制電路原理圖和 PCB板圖，焊接電路，并調(diào)試通過； 軟件設(shè)計：分析 系統(tǒng)的功能要求，采用 C51語言在 Keil開發(fā)環(huán)境上設(shè)計系統(tǒng)的軟件，并在焊接的電路板上調(diào)試通過。 主要 內(nèi)容 可總結(jié)為以下幾點： 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 （ 1）現(xiàn)有照明系統(tǒng)的特性及其相關(guān)情況； （ 2）遙控器控制節(jié)電控制器的方法； （ 3）人體存在信號和光照強度信號的采集與處理； （ 4）光強閾值和人數(shù)閾值的確定； （ 5）傳感器在教室的分布、安放問題； （ 6）人為控制與自動控制的結(jié)合。 2 系統(tǒng)法案綜述 5 2 系統(tǒng)方案綜述 該系統(tǒng)采用遙控模式，由遙控器和教室節(jié)電控制器兩個部分組成。教室節(jié)電控制器的主要功能是把無線數(shù)傳模 塊發(fā)送過來的系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)存儲在 EEPROM 存儲器內(nèi)；再通過紅外熱釋電傳感器和光電傳感器實時采集人體存在信號、模糊人數(shù)。通過光強傳感器采集照度信號，將數(shù)據(jù)采集主控制器；最后依據(jù)設(shè)置的控制模式 和采集到的數(shù)據(jù)對燈組進行開關(guān)控制。這里，我們在單片機的選擇上是 以STC12C5A60S2 單片機主控模塊為核心； 光電傳感器的核心選擇為光敏電阻 ； 在紅外熱釋電傳感器的選擇上，利用傳感器 LHI778 檢測人的存在；繼電器 選擇 的型號為 G5LA14 5V 直流雙通電磁繼電器 ,并 由 PNP 型號的 S8550 三極管來驅(qū)動三極管繼電器 【 5】 ； 系 統(tǒng)看門狗電路系統(tǒng)采用芯片 X5045。 X5045 芯片能夠?qū)崿F(xiàn)：看門狗定時器功能、復(fù)位控制功能 和存儲功能；如圖 所示。 S T C 1 2 C 5 A 6 0 S 2單片機最小系統(tǒng)人 體 計 數(shù) 模 塊數(shù) 碼 管 顯 示 模 塊光 強 檢 測 電 路E E P R O M 模 塊時 鐘 模 塊熱 釋 紅 外 傳 感 器遙 控 器 控 制模 塊 電 路電 源 模 塊 電 路 圖 整體設(shè)計圖 本 系統(tǒng)主要由 光強傳感器、 激光傳感器 熱釋紅外塊組成。系統(tǒng)產(chǎn)生 信號，將信號輸入到單片機， 并 結(jié)合遙控器設(shè)定 出相應(yīng)的 光照強度閾值 、人數(shù)閾值 和工作時間等參數(shù)，單片機經(jīng)過判斷輸出信號，通過控制繼電器進而控制日光燈的亮滅。 在教室內(nèi)部，將激光傳感器模塊和熱釋紅外電模塊放置在教室門兩側(cè)，用來西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 檢測人數(shù)和模糊 人數(shù)，將光強檢測傳感器 放置在教室內(nèi)部，用來檢測教室光強。當(dāng)教室光強高于設(shè)定閾值時，自動關(guān)閉教室燈組，即使打開電源開關(guān)，教室燈組也不會亮當(dāng)。 當(dāng)教室光強低于設(shè)定閾值時，比通過激光傳感器模塊和熱釋紅外電模塊計算人數(shù)，會依次打開部分教室燈組 。 單片機的前置信號輸入端主要有，光照因素、人體紅外探測以及人為控制端。 光照因素 全世界有很多國家對建筑照明有明確的規(guī)范。中華人民共和國在 20xx 年 12月 1 日也頒布了《建筑照明設(shè)計標(biāo)灘 GB5003420xx》對我國的照明用電加以規(guī)范，該文件規(guī)定教室、閱覽室等公共學(xué)習(xí)場 所的照度不得低于 3001x。 關(guān)于光信號的采集，如常見的聲光控延時開關(guān)采用的是光敏元件（光敏電阻），利用元器件對光強的響應(yīng)特性來設(shè)計電路。而這些器件一般在光照度不同的情況下響應(yīng)有 一定的 離散性（光敏電阻在同樣光照度下阻值可能不同），效果不甚理想。難以準(zhǔn)確的確定光照度。故而本系統(tǒng)采用光強傳感器可以將光照度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，具有很高的精度。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，這類芯片的集成度和精度也是愈來愈高。當(dāng)系統(tǒng)判斷如果光強大于 3001x時不會開燈，而如果小于 3001x時，則會進行是否有人的判斷 [9]。 人體紅外探測 系統(tǒng)判斷 是否需要開燈 還有一個重要因素，那就是教室內(nèi)是否有人，而判斷人體是否存在，則是利用熱釋電紅外傳感器監(jiān)控人體發(fā)出的紅外射線來實現(xiàn)的。紅外探測技術(shù)主要分為主動式和被動式，在本系統(tǒng)中采用被動式熱釋電傳感器。熱釋電紅外 傳感器 是一種被動式調(diào)制型溫度敏感器件，利用熱釋電效應(yīng)工作，它是通過目標(biāo)與背景的溫差來探測目標(biāo)的。它可在室溫下使用、光譜響應(yīng)寬、工作頻率寬，靈敏度與波長無關(guān)，容易使用。這種探測器，靈敏度高，探測面廣 ，是一種可靠性很強的探測器。因此廣泛應(yīng)用于各類入侵 報警器 ，自動 開關(guān) 、非接觸測溫、火焰報警器等，目前生產(chǎn)有單元、雙元、四元、 180176。 等傳感器和帶有 PCB控制電路的傳感器。 本系統(tǒng) 采用雙元探頭熱釋電紅外傳感器，而在搭建電路時應(yīng)該注意其靈敏度和探測距離的選擇，靈敏度過高可能出現(xiàn)誤操作，過于遲鈍也不行。 另外 人體紅外輻射波 長在 9~10μm ，所以需要選擇適合的濾波片，同時加上菲涅耳透鏡可適當(dāng)提高探測器的靈敏度。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 人為控制開關(guān) 由于高校教室使用要求變化較多， 但 有較強的規(guī)律可循 ， 所以可通過軟件和人為控制開關(guān)結(jié)合的方法來設(shè)計系統(tǒng)。這樣既可以大大減少人工控制也可以滿足教室使用要求的多變性。 3 系統(tǒng)硬件 8 3 系統(tǒng)硬件 單片機最小系統(tǒng) 單 片機最小工作系統(tǒng)由 復(fù)位電路、 電源、晶振電路組成 。本系統(tǒng)單片機選擇是 STC12C5A60S2，引腳圖如圖 所示。 圖 STC12C5A60S2 引腳圖 STC12C5A60S2 是 STC 生產(chǎn)的單時鐘 /機器周期（ 1T）的單片機，是 具有 高速、低功耗、超強抗干擾 等優(yōu)點 的新一代 8051 單片機，指令代碼 能夠 完全兼容傳統(tǒng) 的 8051，但速度 比 8051 要 快 812 倍。內(nèi)部集成 有 MAX810 專用復(fù)位電路，2 路 PWM， 8 路高速 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換，針對電機控制，強干擾場合。 電源模塊 單片機工作電壓需要 5V，而我們?nèi)粘Ｓ秒妱t是 220V，所以我們需要變壓器進行轉(zhuǎn)換。 系統(tǒng)接通 220V 交流電源后， 我們選擇 9V 變壓器 將 220V 交流電變壓到 9V， 先 經(jīng)過二極管全波整流、 再通過 電解電容 C1 C21濾波，最后 經(jīng) LM7805穩(wěn)壓芯片得到穩(wěn)定的 +5V 電源。為了 使 緩沖負載突變，輸出端還 需要 電容 CC22，最后得到 +5V 的直流工作電源。電源模塊原理圖如圖 所示。西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 圖 電源模塊原理圖 復(fù)位電路 在 單片機工作 的 過程中，會 因為 外界的干擾而產(chǎn)生程序跑飛、死機 、 甚至 說整機癱瘓等情況， 這種情況 會 時有發(fā)生， 為了 使 單片機 能夠 正常 的 工作， 就 必須采用復(fù)位的方法。所以，需要在硬件中設(shè)計 看門狗電路 ，防止單片機發(fā)生狀況。這樣單片機 如果 發(fā)生死機，看門狗 就會 產(chǎn)生一個復(fù)位信號， 能夠 使單片機復(fù)位，這樣的話就可 以 重新執(zhí)行程序。 本次 設(shè)計 會 使用芯片 是 X5045。 其特點如下： 可編程的看門狗定時器； 低電壓檢測和復(fù)位信號提供； 5種標(biāo)準(zhǔn)復(fù)位端電壓； 使用特殊編程序列可重復(fù)對低 VCC 復(fù)位電壓編程； 低功耗。 看 門狗定時器的預(yù)置時間是 由 X5045 的狀態(tài)寄存器的相應(yīng)位 決 定的。 X5045共有 6 位，其中 的 WD WD0 兩項 和看門狗電路有關(guān)，其余位和 EEPROM 的設(shè)置有關(guān)。如表 所示 。 表 X5045狀態(tài)寄存器 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 WD1 WD0 BL1 BL0 WEL WIP WD0=0， WD1=0，預(yù)置時間為 ； WD0=1， WD1=0，預(yù)置時間為 ； WD0=0， WD1=1，預(yù)置時間為 ； WD0=1， WD1=1，禁止看門狗工作。 看門狗復(fù)位電路圖如 圖 所示。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 圖 看門狗復(fù)位電路 為了 使 復(fù)位 可以 更加可靠， 在 其復(fù)位輸出端外接 了 一個 10K 的上拉電阻，并與 STC12C5A60S2 單片機 的復(fù)位端相連?？撮T狗可以 在電源上電、掉電 的 期間產(chǎn)生一個復(fù)位信號。 X5045 芯片還帶著 一個 秒的看門狗定時器 ，這樣就 可用來監(jiān)控單片機的工作。如果 系統(tǒng) 在 秒內(nèi)未檢測到其工 作， 就會判定系統(tǒng) 出現(xiàn)故障，看門狗 WD1 就會 處于 一個 低電平狀態(tài)， 這樣可以 為系統(tǒng)提供保護， 就會 避免死機、 進入死循環(huán) 或 程序跑飛等意外的發(fā)生。 晶振電路 本系統(tǒng) 的時鐘信號采用外部時鐘方式，只要 單片機的 XTAL1和 XTAL2引腳外接 上 晶振即可。時鐘模塊主要 是 由 兩個 5~30pF的負載電容 和 一個高速石英晶振接地組成。 在本設(shè)計中， 電容選擇 30pF， 振蕩晶體選擇 12MHz，石英晶振的兩端 可以 直接接單片機的時鐘輸入輸出 管 腳。在設(shè)計電路時， 電容和 晶體應(yīng)盡可能靠近單片機芯片安裝， 這樣可以減少寄生電容， 保證振蕩器穩(wěn)定和可 靠地工作。晶振 電路如圖 。 圖 晶振電路 結(jié)合 電源 電路 、晶振電路、復(fù)位電路 ，單片機最小系統(tǒng)原理圖如圖 所示。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 圖 最小系統(tǒng)原理圖 光強檢測電路 教 室的環(huán)境光 強 是系統(tǒng)主要參數(shù) 之一 。大量 的性能研究成果表明，光敏電阻所產(chǎn)生 的光譜響應(yīng)峰值與人視覺敏感區(qū)的光 的 波長非常接近；而且當(dāng)外部光 強發(fā)生減弱 的同 時，光敏電阻的響應(yīng)時 長 也會相應(yīng)增加。 所以 ，本次設(shè)計 要 選用GM5516 光敏電阻作為教室光強 的采集和處理單元。 圖 是光強檢測電路。 圖 光強檢測電路 圖中 的 R5 為光敏電阻， AR1 是 滑線變阻器， 其作用是 確定光強 檢測的臨界電壓。 C C11 的作用是濾除電源雜波，這樣就不會 影響電源的穩(wěn)定性； D4是電壓為 的穩(wěn)壓二極管，作用是 穩(wěn)定電源。由于 單片機 STC12C5A60S2 內(nèi)部集成有 8 路高速 的 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換，所以，光強檢測 電路可以直接與單片機連接，光照參數(shù)在單片機 的 內(nèi)部經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后 就可以 通過 LCD 顯示屏顯示， 最西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 后通過 與 我們 人為設(shè)置的光照閾值進行比較， 就可以控制燈組的亮滅了。 熱釋電紅外人體檢測電路 熱 釋電紅外傳感器是本系統(tǒng)的人數(shù)位置信的號檢測器， 本系統(tǒng)采用 的是 德國原裝進口 LHI778，其 特點是 靈敏度高，可靠性強， 可以 廣泛 的 應(yīng)用于各類自動感應(yīng)電器設(shè)備。 在 信號處理端我們選用的處理芯片 是 BISS000