光感、手动一体化节能开关

文宇等

【摘 要】光感、手动一体化节能控制系统通过对光信号的实时监测，将模拟信号转换成电压信号传给单片机，单片机控制人体感应系统实现检测有无人从而控制教室或者自习室灯的亮灭状态。基于单片机、光敏电阻对光信号的采集、处理与转换成电压信号进一步控制热释电检测人体红外信号，实现共同控制灯管亮灭状态。设计增加手动与自动控制的切换按钮，在紧急情况下也可实现白天手动控制灯的亮灭状态，以此思想设计研究。利用proteus软件平台进行仿真与调试，确保其实物焊接成后的可用性及系统的正常工作可行性。

【关键词】光感；手动一体化；人体动态监测检测；光信号检测；Proteus软件仿真；节能开关；LED灯

【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、手动一体化节能开关主要解决普片存在于各个初中、高中、大学内的电能浪费的问题。在初中、高中学生早上比较早，进教室首先会开灯，但当上了一节课或两节课时、光线也早已充足时，很多人都会忘记关灯。每个教室有很多盏灯，每个学校又有好多教室，这就对学校造成了很大的电能浪费。在大学上述现象也普遍存在，在大学还普遍存在另一个现象。在周六周日，学生都喜欢睡懒觉，宿舍内的灯还是会像往常一样在固定的时间亮起来，当学生睡懒觉起来，灯已近白白亮了几个小时了，同样造成了电能的浪费。基于以上浪费电能情况，我们小组研究设计的该节能开关可以实现自动与手动控制，自动控制以光敏电阻检测光信号，在晚上把信号传给单片机，单片机控制人体检测系统采集人体红外信号后人体检测系统把信号又传给单片机从而控制继电器来控制灯的亮灭状态。实现在光线暗的情况下“人在灯亮，人走灯灭”以达到节能的目的。

1 节能控制系统研究方案

根据本控制系统的设计要求，此系统主要由单片机，光控部分、独立按键、人体感应部分、继电器控制等组成。单片机为本系统的核心控制元件选择AT89C52型号，实施对各个子系统信号的处理、转换实现进一步控制继电器来控制灯的状态，光控部分选择光敏电阻采集光模拟信号转换成数字电压信号，然后用三极管放大数字电压信号给单片机。单片机此时便控制人体感应系统工作。人体感应部分由步进电机与热释电传感器构成。步进电机用作把静态的人体感应做成动态的，这样实现在人静止不动时可以继续检测到人体信号，再传递给单片机来控制继电器的工作。控制系统设计流程如图1所示：

2 系统硬件电路设计

2.1 系统主电路

系统主控电路是系统工作的核心，本设计系统主要采用AT89C52型单片机。单片机又称单片微计算机，它的结构特点是将微型计算机的基本功能部件（如中央处理器cpu、存储器、输入接口、输出接口、定时/计时器及终端接口）全部集成在一个半导体芯片上。大薄片既具有微计算机的特性。与通用型计算机相比，单盘集体绩效，可以嵌入到应用系统中作为指挥决策中心，使用应用系统实现智能化。

2.1.1 单片机复位电路

单片机在开机时需要复位，以便CPU及其他功能部件处于一个确定的初始状态，并从这个从初始状态开始工作，另外，在单片机工作过程中如果出现死机，也必须对单片机进行复位，使其重新开始工作。单片机复位的条件是：在RST出现满足复位时间要求的高电平状态，该时间等于系统时钟振荡周期建立时间再加两个机器周期时间（一般不少于10ms）。单片机的复位电路有三种方式，本系统采用复合复位电路。

2.1.2 单片机时钟电路

单片机执行指令的过程可分为取指令、分析指令和执行指令三个步骤，每个步骤又由许多微操作组成，这些微操作必须在统一的时钟控制下才能按照正确的顺序执行。单片机的时钟信号由两种方式产生，及内部时钟和外部时钟方式。本系统采用内部时钟方式。

以上电路组成单片机的最小系统，如图2所示：

2.2 步进电机驱动电路

步进电机需提供直流5V电压，步进电机的驱动芯片用ULN2003A，需提供电压为5V|～12V。步进电机有三线式、五线式、流线式三种，但其控制方式均相同，都必须以脉冲电流来驱动。步进电机驱动接口1B-4B接单片机P2.0-P2.3接口。VCC接5V电源，1C、2C、3C、4C分别接步进电机ABCD四相且步进电机28BYJ48型四相八拍电机，电压为DC5V-DC12V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信？号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A…），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC-CD-DA-AB-…），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A…）。驱动电路如图3所示：

2.3 光感应部分电路

光敏传感器内装有一个高精度的光电管，光电管内有一块由”针式二管”组成的小平板，当向光电管两端施加一个反向的固定压时，任何光了对它的冲击都将导致其释放出电子，结果是，当光照强度越高，光电管的电流也就越大，电流通过一个电阻时，电阻两端的电压被转换成可被采集器的数模转换器接受的0-5V电压，然后采集以适当的形式把结果保存下来.简单的说，光敏传感器就是利用光敏电阻受光线强度影响而阻值发生变化的原理向单片机主控电路发送光线强度的模拟信号。光敏传感器又称光敏电阻，光敏电阻是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。本设计图中采用模拟光敏电阻的方法作图，接线如图4所示：

2.4 人体感应部分电路

人体感应选择热释电传感器，热释电传感器可以检测人体发出的红外线，从而把模拟信号转换成数字信号。传给主控电路单片机控制继电器进一步工作。热释电红外传感器的工作电压为DC5V-20V，触发方式有A、L不可重复，B、H可重复。A、不可重复触发方式：即感应输出高电平后，延时时间一结束，输出将自动从高电平变为低电平。B、可重复触发方式：即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围内活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点）。在被动红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外传感器（PIR），它能将波长为8～12um之间的红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用，因此在被动红外探测器的警戒区内，当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，因此，红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。另外一个器件就是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜有两种形式，即折射式和反射式。菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用是将警戒区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样PIR就能产生变化的电信号。但是在我们的设计中，被动红外红外探测器不能满足要求，所以我们设计以步进电机带动热释电红外探头不停地正反转来达到检测静止人体的目的。在仿真试验中依然以模拟代替，如图5所示：

2.5 继电器控制电路

继电器主要是实现开关控制作用，我们本设计采用直流5V普通继电器，在单片机对各种模拟信号处理完后控制继电器来控制灯的开关状态。其接线图如图6所示：

2.6 独立按键电路

独立按键设计两个，且外接10K电阻之后接电源，由单片机电源提供5V电源。一个独立按键用来自动与手动的切换控制，另一个独立按键用来控制在手动状态下，控制继电器的开关状态。这样实现了手动与自动的完美结合，即使在白天或者有点灰暗的环境中，紧急用电视可以随意控制，达到既不费事又能节约的目的。

2.7 系统总体设计图

将以上各个子系统综合在一起变组成一个光感手动一体化节能开关的控制系统图，在proteus中输入程序进行仿真。

3 本系统工作流程

光感手动一体化节能开关系统工作流程如下，首先由单片机判断是否有独立按键按下，然后光感部分感应是不是在晚上，把信号传给单片机转换成数字信号，接下来单片机控制步进电机带动热释电人体红外传感器检测是否有人，再把信号给单片机，单片机进而控制继电器来控制灯。如果独立按键按下时，直接进入手动控制，有独立按键控制继电器来工作。程序图如图10所示：

4 研究结果与分析

本节能开关控制系统原理简单，制作也方便。在现实生活中自动性和实用性也很高，安装要求适用与学校教室，厕所，家里等等，能给我们带来不可预算的节能效果。当然再设计研究过程中也存在一些问题，有待后续研究，如：热释电热体感应探头的安装要求，对其产生干扰的因素有很多，即使一根发热的导线也能使其误工作，还有焊接电路过程中电阻值的不得当等等造成实验有一定的不完美，实验理论与现实情况的误差等等都需后续进一步的研究解决。

5 研究结论

在如今自动化电器引领的时代，我们设计研究自动控制与手动控制的结合体，来实现现实社会中人们极大的需求及提高人们的节约理念。基于单片机研究这个创新项目试用范围广，不仅为学校节约电能，节省电费开支，也间接的对环境保护做出贡献。光感、手动一体化节能开关不仅可以在太阳光充足时通过自动控制系统及时切断电路以达到节能的目的，更可以在白天满足对特殊照明需求的情况，进行人为手动控制开关。这样的新型节能开关可以为学校节约电能，也可以延长教室内用的灯的寿命，为学校节约了一部分基础照明设施的开支。当然还可用此电路设计一款光控自动窗帘，利用光线的照射来实现窗帘的自动开合（窗帘在清晨能自动拉开，在傍晚能自动关闭）。为后面更多的自动化装置提供一定的参考价值。

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[责任编辑：邓丽丽]