什么是人體感應(yīng)智能照明控制器

..什么是人體感應(yīng)智能照明控制器1引言在科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步和能源利用日益緊張的狀況下,節(jié)能減排自然成了社會所關(guān)注的焦點(diǎn),因此各種智能節(jié)能產(chǎn)品層出不窮。本設(shè)計(jì)正是為了響應(yīng)節(jié)能減排的號召。燈具作為千家萬戶不可缺少的用品,節(jié)能自然是基本要求。因?yàn)殡y免會出現(xiàn)人離開了,但是忘記關(guān)燈情況,本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的智能光控人體感應(yīng)燈正是為了解決這一問題。這個光控人體感應(yīng)燈可以廣泛的應(yīng)用在生活中的方方面面,比如安裝在家里,樓道里,或者作為路燈使用也是不錯的選擇。其目的都是為了節(jié)能。它是一個利用單片機(jī)控制的小型設(shè)備,同時擁有光控模塊和人體感應(yīng)模塊。在白天或者是光照強(qiáng)度較高的情況下,由于有光控模塊,所以該設(shè)備會始終保持關(guān)閉。當(dāng)夜幕降臨或者光照強(qiáng)度低到預(yù)設(shè)的程度時,人體感應(yīng)模塊檢測到有人靠近,就會立即啟動照明電路。當(dāng)照明電路啟動,又檢測到人已經(jīng)離開,則會經(jīng)過預(yù)設(shè)好的短暫延遲之后自動關(guān)閉照明電路。值得一提的是,通過調(diào)節(jié)光控模塊,可以滿足各種光照條件下的照明需求。隨著單片機(jī)技術(shù)的日益成熟,以及光控技術(shù)和人體感應(yīng)技術(shù)的完善,使得本設(shè)計(jì)變得可以實(shí)現(xiàn)。目前,經(jīng)過設(shè)計(jì)與制作調(diào)試,本設(shè)備已經(jīng)能夠正常完成所有預(yù)設(shè)的功能。能夠切實(shí)做到人來燈亮,人走燈滅的功能。2人體感應(yīng)燈整體方案設(shè)計(jì)這款設(shè)計(jì)主要是使用單片機(jī)和一些不同功能的模塊共同組成的具有光控效果和人體感應(yīng)能力的節(jié)能燈。白天,因?yàn)橛凶銐虻墓饩€強(qiáng)度進(jìn)行照射,燈的自控開關(guān)會一直處于敞開狀態(tài),燈會是關(guān)閉的；晚上的時候,光線較弱,燈的自控系統(tǒng)會通過紅外線感應(yīng)人體信號,燈就會自動點(diǎn)亮。在人要離開的時候,可以通過按鍵的設(shè)置來設(shè)置燈在自動熄滅時的延遲時間,這樣,在人們離開以后,燈會根據(jù)感應(yīng)信號的消失,在特定的時間時會自動熄滅,以此來達(dá)到節(jié)能的目的。該設(shè)計(jì)改變了原有的設(shè)計(jì)思路,從而達(dá)到了節(jié)能降耗的目的,并且使用簡單、靈敏、廣泛使用性強(qiáng)。詳細(xì)模塊框圖如圖1所示。1圖1系統(tǒng)模塊框圖3總體工作方案電路圖將各模塊的電路圖連接起來組成總體工作電路圖如圖2所示。該設(shè)計(jì)的主體思路：在環(huán)境光線暗時,光敏電阻的阻值會無限制的增大,相當(dāng)于是一條斷路,在與該電阻相串聯(lián)的一條支路上分的電壓會減小并且連接在比較器的負(fù)端；在另外一條串聯(lián)電路中,有滑動變阻器的支路,相比較分得的電壓就會增大；在經(jīng)過單片機(jī)進(jìn)行電壓數(shù)據(jù)比較時候,會根據(jù)數(shù)據(jù)來確定繼電器的閉合和斷開。在紅外系統(tǒng)檢測到人體信號時,感應(yīng)模塊就會輸出高電壓,同時輸送到單片機(jī)的P2.4端口和P1.0端口,在兩個端口同時接受到數(shù)據(jù)時,在經(jīng)過系統(tǒng)的檢測,滿足相應(yīng)的條件時,從而控制繼電器來點(diǎn)亮燈。d2圖2總體電路圖4人體感應(yīng)燈硬件電路設(shè)計(jì)4.1STC12C5A60S2單片機(jī)STC12C5A60S2單片機(jī)是基于51內(nèi)核為基礎(chǔ)的集成線路系統(tǒng),單獨(dú)的STC系統(tǒng)是建立在時間/機(jī)器周期為主體的芯片結(jié)構(gòu),屬于名副其實(shí)的智能、低耗、抗干擾的新型單片機(jī),不僅傳承了原有8051的系統(tǒng)有點(diǎn),提高了運(yùn)作效率,而且內(nèi)部配置了性能卓越的MAX810專用復(fù)位系統(tǒng),更在4路PWM8路高速10位A、D轉(zhuǎn)換的支持下,進(jìn)一步提升了感應(yīng)靈敏性和抗干擾能力。STC12C5A60S2單片機(jī)最大優(yōu)勢就是運(yùn)行速率快,在有限時間內(nèi),增強(qiáng)型的8051要比普通的8051快10倍以上；STC12C5A60S2的運(yùn)行電壓可調(diào)空間廣,在5.5V--3.8V之間；耗能低,此設(shè)計(jì)可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行空閑和工作控制,大大節(jié)省了能源利用；以及更高的工作頻率,其最高工作頻率可達(dá)576MHz。另外,該單片機(jī)具備全雙工異步串行口<UART>,兼容8051串口,可快速實(shí)現(xiàn)指令融合和高速SPI通信等功能。4.2光控模塊4.2.1光敏電阻光敏電阻,顧名思義,就是對光線變化具有感應(yīng),從而對自身電阻值而產(chǎn)生變化的電阻。它工作的主要原理就是自身有內(nèi)光電效應(yīng)。這種電阻制作簡單,在半導(dǎo)體光敏材料的兩端裝上電極引線,并且裝在一個密封的管殼里就可以構(gòu)成,如圖4所示。基于不同半導(dǎo)體導(dǎo)電能力的差異性出發(fā),可有效根據(jù)載流子數(shù)目加以判定,因?yàn)檩d流子是半導(dǎo)體的核心部件。當(dāng)光敏電阻接受光照刺激時,半導(dǎo)體內(nèi)電子趨于活躍狀態(tài),從而釋放自身能量,這時電子會向自由電子裝換,過程中伴隨著空穴的產(chǎn)生,電子—空穴對就會降低電阻阻值。光照越強(qiáng),電子—空穴對就越多,阻值越低,形成正比關(guān)系。一旦光敏電阻接通,就會有電流產(chǎn)生,而且電流大小和光照強(qiáng)度是呈正比的,光照強(qiáng),通過光敏電阻的電流就越強(qiáng),反之則相反。如果光照變?nèi)趸蛳?則電流相應(yīng)減小,電阻凸顯出來?；谝陨瞎饷綦娮鑳啥穗娏鞯淖兓厔菘芍?電流大小和光照強(qiáng)度是呈正比的,只要有光線存在的地方,就會產(chǎn)生電流,而且隨強(qiáng)度不斷增大,實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換的功能。光敏電阻就是普通的回路裝置,直流電或交流電都可以使用。光敏電阻又被稱為光導(dǎo)管,它是對光線進(jìn)行感應(yīng)的一種光電元件,它是由半導(dǎo)體制作而成,它是利用內(nèi)光電原理工作的,在光照射時,會使它的阻值變小,這種現(xiàn)象叫做光導(dǎo)效應(yīng)。一般都是采用敷、噴、燒結(jié)等多種不同的方法在絕緣襯底上安裝很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極,然后接出引線,安裝在可以透光的密封的套管內(nèi),防止受潮影響光敏電阻的靈敏度。光敏電阻的原理結(jié)構(gòu)如圖所示。在沒有光照時,光敏電阻的阻值很高,在受到光照時,價(jià)帶中的電子吸收光照中的能量,在價(jià)帶中活躍到導(dǎo)帶中,從而在價(jià)帶中產(chǎn)生帶正電荷的空穴,也可理解為電子—空穴對的起源,另外,電子—空穴對的介入,會不同程度的影響光敏電阻中載流子數(shù)量,載流子數(shù)量的減少勢必影響電阻阻值。由圖3所示,光照消失,電子—空穴對復(fù)合,光敏電阻恢復(fù)原值。3圖3光敏電阻原理圖大量實(shí)踐證明,光敏電阻只要通電,就會形成微弱電流,而在光照強(qiáng)度的刺激性,表現(xiàn)越來越明顯,實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換的功能。光敏電阻就是普通的回路裝置,直流電或交流電都可以使用。4.2.2光控模塊設(shè)計(jì)光控模塊匯集了關(guān)敏電阻和分壓型滑動變阻器的設(shè)計(jì)優(yōu)勢,如圖4所示。4圖4光控模塊其光控模塊工作機(jī)理：當(dāng)所處環(huán)境光線較強(qiáng)時,光敏電阻自動調(diào)節(jié)其阻值,并與相應(yīng)滑動變阻器匹配,同時刺激單片機(jī)P1.0采樣。單片機(jī)中安置了AD轉(zhuǎn)換器,可隨時進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換,這時光控模塊可根據(jù)采樣信息,進(jìn)行聯(lián)通或斷開動作。4.3人體檢測模塊4.3.1紅外熱釋電處理芯片BISS0001所謂的紅外熱釋電處理芯片BISS0001,指的是一款傳感性能卓越的集成線路,憑借內(nèi)部熱釋電紅外傳感器和外接元件,充分發(fā)揮了他獨(dú)立感應(yīng)處理功能。一方面它能隨時隨地控制各類戶外燈、自動門、烘干機(jī)和中央空調(diào)等裝置,尤其是在公共場合,例如高級賓館、大型商場、公司庫房及別墅走廊等重要領(lǐng)域,另一方面還可高效應(yīng)用于自動報(bào)警系統(tǒng)或安全區(qū)域照明等。

通過熱釋電處理芯片原理可知,CMOS采用了16腳DIP封裝,與阻抗運(yùn)算放大器有機(jī)融合,并且匹配了延時繼電器和封鎖定時器,完全的獨(dú)立數(shù)?；旌舷到y(tǒng),如圖5所示。5圖5熱釋電處理芯片圖通常意義上的熱釋電效應(yīng),是根據(jù)物體表面溫度的高低而產(chǎn)生的電荷有規(guī)律的運(yùn)動現(xiàn)象。而熱釋電傳感器就是基于溫度變化而設(shè)計(jì)的敏感性器具。是由帶電豐富的陶瓷元件或壓電晶體組成,其光滑外表面作為電源的正負(fù)機(jī)。當(dāng)外界環(huán)境中有溫度ΔT變化時,系統(tǒng)就會有電荷ΔQ移動,形成短暫的電壓ΔV。同時,傳感器中安排一個特定的管道進(jìn)行阻抗裝換,防止大阻抗的干擾。熱釋電效應(yīng)中產(chǎn)生的電荷ΔQ,大部分會和空氣離子抵消,也就是我們常見的溫度恒定,傳感器無動作想象。然而當(dāng)帶有溫度的人體進(jìn)入檢測范圍,由于人體和環(huán)境溫度的差異性,此時產(chǎn)生ΔT；假如人體保持不動,溫度無變化,傳感器也就沒輸出。因此,此種設(shè)計(jì)只適用于活動的人體或動物檢測。4.3.2工作原理運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等都屬于芯片BISS0001的基本構(gòu)件,他們共同組成了數(shù)模高效集成電路。根據(jù)圖6可方便的進(jìn)行工作原理領(lǐng)悟,不可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形。6圖6不可重復(fù)觸發(fā)狀態(tài)下的波形第一步,根據(jù)實(shí)際需要,在運(yùn)算放大器OP1的監(jiān)督管理下,實(shí)現(xiàn)信號的放大處理。然后傳給OP2,進(jìn)行重復(fù)式放大,同時升高直流電位到VM<≈0.5VDD>后,將輸出信號V2送到COP1和COP2的雙向鑒幅器,檢出有效觸發(fā)信號Vs?；谙到y(tǒng)中VH≈0.7VDD、VL≈0.3VDD,因此,一旦VDD=5V,就會出現(xiàn)±1V的噪聲干擾,提高系統(tǒng)的可靠性。COP3是一個條件比較器。當(dāng)輸入電壓VcVR時,COP3輸出為高電平,進(jìn)入延時周期。當(dāng)A端接"0"電平時,只要有Tx的存在,就可全程無視V2的變化,直到Tx運(yùn)行結(jié)束,即不可重復(fù)觸發(fā)模式。而當(dāng)Tx達(dá)到設(shè)定時間后,Vo自動斷開繼電器,恢復(fù)低電平狀態(tài),封鎖時間定時器開始進(jìn)行運(yùn)行,無論封鎖周期Ti受到何種感應(yīng),V2的變化都無法控制Vo的閉合,只能起到有效減少干擾程度或負(fù)載轉(zhuǎn)換作用。如圖7所示,可重復(fù)觸發(fā)狀態(tài)下的波形。波形在Vc="0"、A="0"期間,很顯然信號Vs無法觸發(fā)Vo定義為有效狀態(tài)。當(dāng)Vc="1"、A="1"時,Vs不僅可重復(fù)觸發(fā)Vo,而且可促使Vo在Tx內(nèi)連續(xù)有效。在Tx有效范圍內(nèi),若Vs上跳變,則Vo會相應(yīng)增加一個Tx周期；若Vs處于"1",則Vo為有效狀態(tài)；若Vs為"0",Vo則在Tx結(jié)束后,變?yōu)闊o效,即使在封鎖時間Ti內(nèi),Vs也無法觸發(fā)Vo轉(zhuǎn)變?yōu)橛行顟B(tài)。7圖7可重復(fù)觸發(fā)狀態(tài)下的波形4.3.3功能特點(diǎn)人體感應(yīng)模塊具有全自動感應(yīng)、光敏控制、感應(yīng)封鎖時間等功能。同時還具有工作電壓范圍寬、低功耗、輸出高電平信號等特點(diǎn)。1.自動感應(yīng)：當(dāng)環(huán)境滿足人體紅外或光源輻射時,則有電流干擾,而當(dāng)環(huán)境無法滿足時,電流自動反應(yīng),做出關(guān)閉電平動作,即輸出低電平。

2.光敏控制：可充分分解需求進(jìn)行設(shè)置,并且系統(tǒng)內(nèi)專門預(yù)留了位置,用來判斷和區(qū)分感應(yīng)條件,進(jìn)行合理的光敏控制。兩種觸發(fā)方式：L不可重復(fù),H可重復(fù)?？商€選擇,默認(rèn)為H。

A.不可重復(fù)觸發(fā)方式：當(dāng)滿足電流輸出時,則進(jìn)行設(shè)定時間遞減,只要到達(dá)設(shè)定時間,系統(tǒng)則會自動進(jìn)行高低電平的裝換,此過程為不可重復(fù)、不可逆的。

B.可重復(fù)觸發(fā)方式：當(dāng)環(huán)境滿足高電平接通后,如果一直有信號干擾,則繼電器一直保持閉合狀態(tài),只有當(dāng)環(huán)境無法滿足電路接通條件時,繼電器才會安裝設(shè)置在時間結(jié)束后,斷開開關(guān)。

3.感應(yīng)封鎖時間<一般默認(rèn)為3-4秒>：感應(yīng)封鎖時間一般設(shè)置在高低壓電平動作之后,即一個完整的感應(yīng)過程之后,封鎖所有信息感應(yīng)區(qū)域,此時任何信號都無法接通繼電器和電源。此應(yīng)用最大的優(yōu)勢在于,可以在感應(yīng)時間和封鎖區(qū)域內(nèi)進(jìn)行不同工作設(shè)置,既可研發(fā)間隔探測技術(shù),又可減少負(fù)載壓力,控制整個高低電平轉(zhuǎn)換過程的各種干擾。

4.電壓調(diào)節(jié)范圍廣：工作電壓維持在DC5V至20V之間,可調(diào)節(jié)范圍廣。

5.損耗?。阂话銧顟B(tài)下電流保持在65微安,損耗小,特別適用于干電池供電系統(tǒng),節(jié)約能源。

6.輸出高電平信號：有效連接各種類型電路,用途廣泛。4.4顯示倒計(jì)時模塊設(shè)計(jì)此設(shè)計(jì)的顯示倒計(jì)時模塊采用了LED數(shù)碼管為主體,三條閉合線路為輔助機(jī)構(gòu),共同完成時間設(shè)定。段選接P0口,再接排阻。位選分別接P2.7,P2.6,P2.5端口。一旦接通延時繼電器,數(shù)碼管則進(jìn)行設(shè)定時間遞減。當(dāng)線路未接通,數(shù)碼管則顯示00。顯示電路如圖8。8圖8顯示電路4.5控制模塊該模塊主要采用單片機(jī),其電路圖如圖9所示。9圖9控制模塊其功能模塊的運(yùn)行機(jī)理：在現(xiàn)實(shí)運(yùn)行環(huán)境中,一旦有人體紅外信號或光源輻射時,即P2.4檢測口出現(xiàn)電壓干擾,此時,單片機(jī)P1.0口發(fā)出開關(guān)觸動請求,另一端口P2.0則在P1.0的邀請下,做出聯(lián)通動作,實(shí)現(xiàn)繼電器閉合、燈泡發(fā)光控制。在日常生活中,樓道燈的控制也是基于此原理,當(dāng)在黑暗中系統(tǒng)檢測到人體紅外或光信號時,單片機(jī)在相應(yīng)模塊的控制下,照亮整個樓道,這是數(shù)碼管開始啟動,進(jìn)行時間遞減,如果在設(shè)定的時間內(nèi),未檢測到信號或光輻射,系統(tǒng)則會按照設(shè)定,斷開繼電器,關(guān)閉樓道燈,如果檢測要信號,則會繼續(xù)接通電路。4.6按鍵電路設(shè)計(jì)在本次設(shè)計(jì)中采用了按鍵合成輕觸開關(guān)系統(tǒng),其設(shè)計(jì)原理：基于三個電路都為互不關(guān)聯(lián)的開關(guān)模式,所以,采取分別接地措施,既可實(shí)現(xiàn)按鍵功能,又可簡化連接,一舉兩得。然后在三個按鍵處依次布置鍵的功能,用來連接P3.0、P3.1、P3.2IO口。這樣就能輕松設(shè)置時間限制了,而且還能通過功能鍵進(jìn)行時間調(diào)整,調(diào)節(jié)范圍在0到100之間,單擊一次設(shè)置鍵表示確定,單擊兩次則可返回時間設(shè)置命令,如此重復(fù),加減時間瞬間即可搞定。時間設(shè)定完畢后,則要進(jìn)行一次單片機(jī)內(nèi)部存儲設(shè)置,目的是讓系統(tǒng)保存這些數(shù)據(jù),在停電狀態(tài)下,我們的設(shè)置不至于失效。如圖10所示。圖10按鍵電路105焊接與調(diào)試本電路采用了STC12C5A60S2單片機(jī),該單片機(jī)管腳數(shù)量多且密集。因此,在焊接的過程還是遇到了不少的麻煩。稍有不注意就會將相鄰的兩個引腳焊接到一起,為了避免這種情況的發(fā)生,應(yīng)該選用更為細(xì)小的焊頭。在焊接的過程中,應(yīng)該注意焊點(diǎn)的美觀,注意焊接的技巧,盡量使焊點(diǎn)平滑美觀。焊接完畢之后,隨即進(jìn)行調(diào)試,以確保所設(shè)計(jì)的功能能夠正常運(yùn)行。經(jīng)過調(diào)試,出現(xiàn)了一下幾個問題。強(qiáng)光環(huán)境下,仍然能夠啟動照明電路。如圖11所示,環(huán)境光照強(qiáng)度較高,當(dāng)靠近設(shè)備時,燈自動被點(diǎn)亮。11圖11強(qiáng)光環(huán)境下出現(xiàn)故障經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn),出現(xiàn)該情況的原因是由于電位器的電壓設(shè)置偏高,使得光敏電阻阻值偏低的情況下,也能分到足夠的電壓,從而觸發(fā)照明電路。解決方案：在不同光照條件下調(diào)整電位器的設(shè)置,使其輸出一個合適的電壓,從而實(shí)現(xiàn)在弱光條件下才能觸發(fā)照明電路的功能。在弱光條件下,有人靠近該裝置,仍然不能點(diǎn)亮照明燈。如圖12所示,在用黑色遮罩物將設(shè)備與周圍環(huán)境隔開,避免光線影響的情況下,有人靠近設(shè)備,仍然不能點(diǎn)亮照明燈。12圖12有人靠近時出現(xiàn)故障經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn),出現(xiàn)該情況的原因是由于熱釋電模塊的感應(yīng)距離與范圍有限,使得我需要在非常接近該設(shè)備