【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 越來(lái)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(lái)越高。 熱釋電紅外傳感器的研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)，對(duì)熱釋電紅外傳感器的研究已 有 20幾年 之久 ，但大多 都 無(wú)法兼顧探測(cè)的 準(zhǔn)確性 和靈敏度 ，在干擾 情況 下，信號(hào)識(shí)別率有所下降，誤報(bào)率 相對(duì)較 高。探測(cè)器產(chǎn)生誤報(bào) 的 主要原因是因?yàn)槿狈?duì) PIR傳感器輸出的紅外信號(hào)進(jìn)行充分有效的分析，對(duì)信號(hào)中所含有的特征信息沒(méi)有進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)挖掘，不利于產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中的推廣。 國(guó)外，很多國(guó)家 也越來(lái)越 重視這方面的研究開(kāi)發(fā)。 20xx年，韓國(guó)釜山國(guó)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(cè)系統(tǒng)， ADEMCO 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 International、德國(guó)西門(mén)子安防、加拿大 PARADOX SUCURITY SYSTEMS LTD等公司推出了智能 PIR入侵探測(cè)器。 光強(qiáng)傳感器研究現(xiàn)狀 在目前的光 強(qiáng)檢測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn) 將光信號(hào) 與 電信號(hào) 的轉(zhuǎn)換 ， 并 通過(guò)光電流的大小 作為判斷依據(jù) 來(lái)衡量光照強(qiáng)度的大小。 但 這種測(cè)量方法 也 只 能說(shuō) 是模糊的給出光強(qiáng)是大是小的概念，完全建立在個(gè)人經(jīng)驗(yàn)或者說(shuō)個(gè)人習(xí)慣上，而 在 國(guó)家最新頒布的《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) GB 5003420xx》規(guī)定教室、閱覽室等大面積公共照明場(chǎng)所內(nèi)照度值不得低于3001x。 所以說(shuō) 依靠光敏二極管或三極管 想要給出一個(gè)量化 出來(lái) 的照度值是相當(dāng)困難的。因此，光的強(qiáng)度依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來(lái)定強(qiáng)弱，并作為開(kāi)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(gè)部分組成。 遙控器部分主要內(nèi)容 遙控器主要實(shí)現(xiàn)以下功能 : 通過(guò)鍵盤(pán)完成對(duì)教室節(jié)電控制器的密碼、初始化時(shí)間、照度人數(shù)閾值和工作時(shí)間等的設(shè)定任務(wù)。 對(duì)教室節(jié)電控制器的參數(shù)設(shè)定完成后，通過(guò) 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(wú)線數(shù)傳模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)存儲(chǔ)在 EEPROM 存儲(chǔ)器內(nèi)； 通過(guò)紅外熱釋電傳感器和光電傳感器實(shí)時(shí)采集人體存在信號(hào)、模糊人數(shù)，通過(guò)光強(qiáng)傳感器采集照度信號(hào)，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(duì)燈組進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。 需要完成的任務(wù)： 方案選擇：設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，選擇合適的紅外熱釋電傳感器、單片機(jī)和系統(tǒng)需要的外圍模塊； 硬件設(shè)計(jì)：根據(jù)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)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(guò)； 軟件設(shè)計(jì)：分析 系統(tǒng)的功能要求，采用 C51語(yǔ)言在 Keil開(kāi)發(fā)環(huán)境上設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件，并在焊接的電路板上調(diào)試通過(guò)。 主要 內(nèi)容 可總結(jié)為以下幾點(diǎn)： 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(hào)和光照強(qiáng)度信號(hào)的采集與處理； （ 4）光強(qiáng)閾值和人數(shù)閾值的確定； （ 5）傳感器在教室的分布、安放問(wèn)題； （ 6）人為控制與自動(dòng)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(gè)部分組成。教室節(jié)電控制器的主要功能是把無(wú)線數(shù)傳模 塊發(fā)送過(guò)來(lái)的系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)存儲(chǔ)在 EEPROM 存儲(chǔ)器內(nèi)；再通過(guò)紅外熱釋電傳感器和光電傳感器實(shí)時(shí)采集人體存在信號(hào)、模糊人數(shù)。通過(guò)光強(qiáng)傳感器采集照度信號(hào)，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(duì)燈組進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。這里，我們?cè)趩纹瑱C(jī)的選擇上是 以STC12C5A60S2 單片機(jī)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(cè)人的存在；繼電器 選擇 的型號(hào)為 G5LA14 5V 直流雙通電磁繼電器 ,并 由 PNP 型號(hào)的 S8550 三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)三極管繼電器 【 5】 ； 系 統(tǒng)看門(mén)狗電路系統(tǒng)采用芯片 X5045。 X5045 芯片能夠?qū)崿F(xiàn)：看門(mén)狗定時(shí)器功能、復(fù)位控制功能 和存儲(chǔ)功能；如圖 所示。 S T C 1 2 C 5 A 6 0 S 2單片機(jī)最小系統(tǒng)人 體 計(jì) 數(shù) 模 塊數(shù) 碼 管 顯 示 模 塊光 強(qiáng) 檢 測(cè) 電 路E E P R O M 模 塊時(shí) 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(jì)圖 本 系統(tǒng)主要由 光強(qiáng)傳感器、 激光傳感器 熱釋紅外塊組成。系統(tǒng)產(chǎn)生 信號(hào)，將信號(hào)輸入到單片機(jī)， 并 結(jié)合遙控器設(shè)定 出相應(yīng)的 光照強(qiáng)度閾值 、人數(shù)閾值 和工作時(shí)間等參數(shù)，單片機(jī)經(jīng)過(guò)判斷輸出信號(hào)，通過(guò)控制繼電器進(jìn)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(mén)兩側(cè)，用來(lái)西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 檢測(cè)人數(shù)和模糊 人數(shù)，將光強(qiáng)檢測(cè)傳感器 放置在教室內(nèi)部，用來(lái)檢測(cè)教室光強(qiáng)。當(dāng)教室光強(qiáng)高于設(shè)定閾值時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉教室燈組，即使打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，教室燈組也不會(huì)亮當(dāng)。 當(dāng)教室光強(qiáng)低于設(shè)定閾值時(shí)，比通過(guò)激光傳感器模塊和熱釋紅外電模塊計(jì)算人數(shù)，會(huì)依次打開(kāi)部分教室燈組 。 單片機(jī)的前置信號(hào)輸入端主要有，光照因素、人體紅外探測(cè)以及人為控制端。 光照因素 全世界有很多國(guó)家對(duì)建筑照明有明確的規(guī)范。中華人民共和國(guó)在 20xx 年 12月 1 日也頒布了《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)灘 GB5003420xx》對(duì)我國(guó)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(chǎng) 所的照度不得低于 3001x。 關(guān)于光信號(hào)的采集，如常見(jiàn)的聲光控延時(shí)開(kāi)關(guān)采用的是光敏元件（光敏電阻），利用元器件對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)特性來(lái)設(shè)計(jì)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(qiáng)傳感器可以將光照度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，具有很高的精度。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，這類(lèi)芯片的集成度和精度也是愈來(lái)愈高。當(dāng)系統(tǒng)判斷如果光強(qiáng)大于 3001x時(shí)不會(huì)開(kāi)燈，而如果小于 3001x時(shí)，則會(huì)進(jìn)行是否有人的判斷 [9]。 人體紅外探測(cè) 系統(tǒng)判斷 是否需要開(kāi)燈 還有一個(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)的。紅外探測(cè)技術(shù)主要分為主動(dòng)式和被動(dòng)式，在本系統(tǒng)中采用被動(dòng)式熱釋電傳感器。熱釋電紅外 傳感器 是一種被動(dòng)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(guò)目標(biāo)與背景的溫差來(lái)探測(cè)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(zhǎng)無(wú)關(guān)，容易使用。這種探測(cè)器，靈敏度高，探測(cè)面廣 ，是一種可靠性很強(qiáng)的探測(cè)器。因此廣泛應(yīng)用于各類(lèi)入侵 報(bào)警器 ，自動(dòng) 開(kāi)關(guān) 、非接觸測(cè)溫、火焰報(bào)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(shí)應(yīng)該注意其靈敏度和探測(cè)距離的選擇，靈敏度過(guò)高可能出現(xiàn)誤操作，過(guò)于遲鈍也不行。 另外 人體紅外輻射波 長(zhǎng)在 9~10μm ，所以需要選擇適合的濾波片，同時(shí)加上菲涅耳透鏡可適當(dāng)提高探測(cè)器的靈敏度。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 人為控制開(kāi)關(guān) 由于高校教室使用要求變化較多， 但 有較強(qiáng)的規(guī)律可循 ， 所以可通過(guò)軟件和人為控制開(kāi)關(guān)結(jié)合的方法來(lái)設(shè)計(jì)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(jī)最小系統(tǒng) 單 片機(jī)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(jī)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(shí)鐘 /機(jī)器周期（ 1T）的單片機(jī)，是 具有 高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾 等優(yōu)點(diǎn) 的新一代 8051 單片機(jī)，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(zhuān)用復(fù)位電路，2 路 PWM， 8 路高速 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。 電源模塊 單片機(jī)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(jìn)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(guò)二極管全波整流、 再通過(guò) 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(fù)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(jì)（論文） 9 圖 電源模塊原理圖 復(fù)位電路 在 單片機(jī)工作 的 過(guò)程中，會(huì) 因?yàn)?外界的干擾而產(chǎn)生程序跑飛、死機(jī) 、 甚至 說(shuō)整機(jī)癱瘓等情況， 這種情況 會(huì) 時(shí)有發(fā)生， 為了 使 單片機(jī) 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(jì) 看門(mén)狗電路 ，防止單片機(jī)發(fā)生狀況。這樣單片機(jī) 如果 發(fā)生死機(jī)，看門(mén)狗 就會(huì) 產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)， 能夠 使單片機(jī)復(fù)位，這樣的話就可 以 重新執(zhí)行程序。 本次 設(shè)計(jì) 會(huì) 使用芯片 是 X5045。 其特點(diǎn)如下： 可編程的看門(mén)狗定時(shí)器； 低電壓檢測(cè)和復(fù)位信號(hào)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(duì)低 VCC 復(fù)位電壓編程； 低功耗。 看 門(mén)狗定時(shí)器的預(yù)置時(shí)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(xiàng) 和看門(mén)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(shí)間為 ； WD0=1， WD1=0，預(yù)置時(shí)間為 ； WD0=0， WD1=1，預(yù)置時(shí)間為 ； WD0=1， WD1=1，禁止看門(mén)狗工作。 看門(mén)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(jì)（論文） 10 圖 看門(mén)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(gè) 10K 的上拉電阻，并與 STC12C5A60S2 單片機(jī) 的復(fù)位端相連?？撮T(mén)狗可以 在電源上電、掉電 的 期間產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)。 X5045 芯片還帶著 一個(gè) 秒的看門(mén)狗定時(shí)器 ，這樣就 可用來(lái)監(jiān)控單片機(jī)的工作。如果 系統(tǒng) 在 秒內(nèi)未檢測(cè)到其工 作， 就會(huì)判定系統(tǒng) 出現(xiàn)故障，看門(mén)狗 WD1 就會(huì) 處于 一個(gè) 低電平狀態(tài)， 這樣可以 為系統(tǒng)提供保護(hù)， 就會(huì) 避免死機(jī)、 進(jìn)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(shí)鐘信號(hào)采用外部時(shí)鐘方式，只要 單片機(jī)的 XTAL1和 XTAL2引腳外接 上 晶振即可。時(shí)鐘模塊主要 是 由 兩個(gè) 5~30pF的負(fù)載電容 和 一個(gè)高速石英晶振接地組成。 在本設(shè)計(jì)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(jī)的時(shí)鐘輸入輸出 管 腳。在設(shè)計(jì)電路時(shí)， 電容和 晶體應(yīng)盡可能靠近單片機(jī)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(jī)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(jì)（論文） 11 圖 最小系統(tǒng)原理圖 光強(qiáng)檢測(cè)電路 教 室的環(huán)境光 強(qiáng) 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(jué)敏感區(qū)的光 的 波長(zhǎng)非常接近；而且當(dāng)外部光 強(qiáng)發(fā)生減弱 的同 時(shí)，光敏電阻的響應(yīng)時(shí) 長(zhǎng) 也會(huì)相應(yīng)增加。 所以 ，本次設(shè)計(jì) 要 選用GM5516 光敏電阻作為教室光強(qiáng) 的采集和處理單元。 圖 是光強(qiáng)檢測(cè)電路。 圖 光強(qiáng)檢測(cè)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(qiáng) 檢測(cè)的臨界電壓。 C C11 的作用是濾除電源雜波，這樣就不會(huì) 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(jī) STC12C5A60S2 內(nèi)部集成有 8 路高速 的 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換，所以，光強(qiáng)檢測(cè) 電路可以直接與單片機(jī)連接，光照參數(shù)在單片機(jī) 的 內(nèi)部經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換后 就可以 通過(guò) LCD 顯示屏顯示， 最西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 后通過(guò) 與 我們 人為設(shè)置的光照閾值進(jìn)行比較， 就可以控制燈組的亮滅了。 熱釋電紅外人體檢測(cè)電路 熱 釋電紅外傳感器是本系統(tǒng)的人數(shù)位置信的號(hào)檢測(cè)器， 本系統(tǒng)采用 的是 德國(guó)原裝進(jìn)口 LHI778，其 特點(diǎn)是 靈敏度高，可靠性強(qiáng)， 可以 廣泛 的 應(yīng)用于各類(lèi)自動(dòng)感應(yīng)電器設(shè)備。 在 信號(hào)處理端我們選用的處理芯片 是 BISS000