熱釋人體紅外智能溫控風(fēng)扇及照明控制系統(tǒng)

摘要：采用單片機為控制器。以熱釋人體紅外和溫度傳感系統(tǒng)來檢測室內(nèi)有無人員以及室內(nèi)溫度，設(shè)計了一個智能溫控風(fēng)扇及照明控制系統(tǒng)，可以實時調(diào)節(jié)和控制室內(nèi)的風(fēng)扇和燈管的照明，達到了智能控制和節(jié)能的目的。
關(guān)鍵詞：熱釋人體紅外；智能控制；單片機；風(fēng)扇；照明控制

O 引言
    目前絕大多數(shù)樓宇風(fēng)扇和電燈在使用時都是由人員手動操作，當天氣悶熱時由樓宇內(nèi)的人員手動開啟風(fēng)扇和選調(diào)風(fēng)速，當燈光不足或在上樓梯時手動開啟電燈，常常會由于人員的疏忽在人離開之后忘記關(guān)閉設(shè)備而導(dǎo)致用電的浪費。在本系統(tǒng)設(shè)計中，考慮采用單片機為控制器，以熱釋人體紅外和溫度傳感系統(tǒng)來檢測室內(nèi)有無人員以及室內(nèi)溫度，設(shè)計一個智能溫控風(fēng)扇及照明控制系統(tǒng)，可以實時調(diào)節(jié)和控制室內(nèi)的風(fēng)扇和燈光的照明，從而達到智能控制和節(jié)能的目的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
    系統(tǒng)方框圖如圖l所示。通過51單片機和熱釋人體紅外來檢測區(qū)域內(nèi)是否有人，如有人再檢測其溫度和光度是否需開啟風(fēng)扇和燈光并且實現(xiàn)該調(diào)在哪個檔位，并由指示燈顯示檔位。用數(shù)碼管顯示室溫。最后用蜂鳴器作為報警源，如果啟動報警模式，當檢測到其區(qū)域內(nèi)有人就會發(fā)出報警信號，當溫度超過一定范圍內(nèi)也啟動長鳴報警聲。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 熱釋人體紅外模塊
    人體紅外感應(yīng)模塊電路主要由人體被動紅外探頭、菲涅爾透鏡、專用芯片BISS0001組成。當有人出現(xiàn)在它的探測區(qū)，傳感器便能探測到信號并把信號傳給單片機，單片機再根據(jù)實際情況是否該開啟器件設(shè)備或讓房間的電器設(shè)備處于一種可開啟狀態(tài)。關(guān)于走廊及洗手問用燈情況，當晚上有人經(jīng)過時，人體紅外感應(yīng)到人便開啟走廊用燈或者洗手間用燈。熱釋人體紅外模塊電路如圖2所示。

    電路中運用了熱釋紅外專用芯片BISS0001。BISS0001是由運算放大器、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構(gòu)成的數(shù)模混合專用集成電路。如圖2所示，當人體輻射的紅外線通過菲涅爾透鏡被聚焦在熱釋電紅外傳感器的探測元上時，電路中的傳感器將輸出電壓信號，然后使該信號先通過一個由C1、C2、R1、R2組成的帶通濾波器，該濾波器的上限截止頻率為16 Hz，下限截止頻率為O．16 Hz。
    由于熱釋電紅外傳感器輸出的探測信號電壓十分微弱(通常僅有1 mV左右)，而且是一個變化的信號，同時菲涅爾透鏡的作用又使輸出信號電壓呈脈沖形式(脈沖電壓的頻率由被測物體的移動速度決定，通常為O．1 Hz～10 Hz左右)，所以應(yīng)對熱釋紅外傳感器輸出的電壓信號通過運算放大器OP1和OP2進行二級放大。再經(jīng)由電壓比較器COP1和COP2構(gòu)成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號Vs去啟動延遲時間定時器。
    輸出信號Vo接單片機以便檢測，當有人時便輸出5 V高電平，當人離開之后延時一段時間后便復(fù)位為O V以便主控制電路的控制。電路設(shè)計讓芯片處于可重復(fù)觸發(fā)狀態(tài)以便適合教室的實際情況。重復(fù)觸發(fā)其工作過程：可重復(fù)觸發(fā)工作方式下在Vc=“1”、A=“1”時，Vs可重復(fù)觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)，并可促使Vo在Tx周期內(nèi)一直保持有效狀態(tài)。在Tx時間內(nèi)，只要Vs發(fā)生上跳變，則％將從Vs上跳變時刻起繼續(xù)延長—個Tx周期；若Vs保持為“1”狀態(tài)，則Vo一直保持有效狀態(tài)；若Vs保持為“0”狀態(tài)，則在Tx周期結(jié)束后Vo恢復(fù)為無效狀態(tài)，并且，同樣在封鎖時間Ti時間內(nèi)，任何Vs的變化都不能觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)。
2．2 可調(diào)光光管控制模塊
    本模塊主要由光敏傳感電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊及室內(nèi)LED燈幾部分組成。利用一個光敏二極管和一個100 k的電阻。共五組并聯(lián)連接接入5 V電壓，分別引出五條線路接至ADC0809芯片的IN3～IN7通道(見圖3)，通過光敏二極管檢測教室的光照亮度，根據(jù)光敏二極管特性，遇光照時，阻值會明顯減少，隨著光度的減少，光敏二極管的阻值會逐漸增大的原理，那么每個光敏二極管分壓得到的不同電壓值(即模擬量)，通過ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換檢測到它們輸出的模擬量。通過ADC0809芯片的IN3～IN7端口，轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，D0～D7作為數(shù)據(jù)輸出端口，連接至單片機的P0口進行數(shù)據(jù)的處理。

    燈管亮度分為四個檔位(以最佳光度為準，不影響人的眼睛為前提)：
    1檔：檢測到室內(nèi)光線充足時，開啟中間一盞LED燈，此時房間燈管亮度為最低。
    2檔：檢測到室內(nèi)光線不充足時，同時開啟中間一排三盞LED燈管，此時教室燈管亮度為適中。
    3檔：此時檢測到室內(nèi)光線明顯不足，同時開啟四盞LED燈管，此時教室燈管亮度為較大。
    4檔：此時檢測到教室內(nèi)光線很暗，同時開啟五盞LED燈管，此時教室燈管亮度為最大。
2．3 溫度控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速(及空調(diào)制冷溫度)模塊
    利用單片機的P1．3口控制DSl8B20，將實時采集到的溫度與單片機軟件設(shè)置的數(shù)值做對比，并用P1．7口控制三極管8550的導(dǎo)通和截止，實現(xiàn)了用刪控制電機的轉(zhuǎn)速，讓風(fēng)扇在不同的溫度下有不同的檔位的變化，系統(tǒng)中LED1，LED2，LED3分別是第一檔、第二檔、第三檔風(fēng)速的顯示標志。
2．4 溫度顯示模塊
    本模塊使用74HC595作為數(shù)碼的段選驅(qū)動，用兩個P3．2、P3．1口作為數(shù)碼管的位選，74HC595使移位寄存器具有串行輸入、并行輸出的作用，只要三個I／O口就可以控制它。通過P1．4作為數(shù)據(jù)串行輸入控制端，P1．5作為串行輸入時鐘控制端，P1．6作為并行輸出鎖存控制端。整個模塊用了五個I／O來控制其溫度傳感器的溫度顯示。
2．5 報警模塊
    本模塊用一個8550三極管PNP作為蜂鳴器的驅(qū)動，當b極低電平時三極管導(dǎo)通蜂鳴器的負極接到地，蜂鳴器工作發(fā)出聲音。當b極為高電平時三極管不導(dǎo)通，蜂鳴器不工作。b極連接一個開關(guān)作為報警模式的啟動與關(guān)閉切換。通過單片機的P2．7口控制其發(fā)出報警聲音，當有小偷入侵時蜂鳴器發(fā)出連續(xù)的報警聲，當溫度太高或發(fā)生火災(zāi)時蜂鳴器長鳴以提醒樓宇人員。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    本軟件系統(tǒng)分為光度采集模塊、人體感應(yīng)模塊和溫控風(fēng)扇模塊三部分，流程圖如圖4所示。

3．1 光度采集模塊的軟件設(shè)計
    通過ADC0809的芯片引腳介紹可以知道ADC0809的CLK時鐘端口，需要由外界提供，使用頻率為500 kHz的一個時鐘信號。單片機晶振頻率為12MHz，那么單片機的ALE端口輸出脈沖為它的1／6為2 MHz，同時利用74LSll2觸發(fā)器，可將2 MHz四分頻得到一個輸出約為500 kHz的頻率，提供給ADC0809的CLK端口。由ADC0809的EOC端口知道，EOC=0，正在進行轉(zhuǎn)換；EOC=1，轉(zhuǎn)換結(jié)束，所以使用查詢方式，等待查詢EOC端口一旦轉(zhuǎn)換結(jié)束，通知單片機，倘若轉(zhuǎn)換結(jié)束，ADC0809的D7～D0數(shù)據(jù)輸出信號至單片機的PO的I／0口。
3．2 人體感應(yīng)模塊的軟件設(shè)計
    由于人體感應(yīng)模塊的硬件電路設(shè)計的接口只有一個跟單片機通訊，當有觸發(fā)時為高電平，不觸發(fā)的時候為低電平，所以在軟件設(shè)計中可以用兩種方法，第一種是中斷方式，需加反相器處理，因為單片機的外部中斷為低電平觸發(fā)或者下降沿觸發(fā)；第二種是查詢法，通過單片機I／0口查尋接口的電平即可。為了降低成本，本系統(tǒng)用了查詢法。
3．3 溫度控制風(fēng)扇模塊的軟件設(shè)計
    由于采用了DSl8B20單總線的通訊協(xié)議方式，所以軟件模塊主要通過操作單片機I／O口的高低電平遵循芯片的通訊時序圖來操作，具體參考附件的DSl8B20．H頭文件的軟件設(shè)計。通過P1．3口數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C內(nèi)部進行數(shù)據(jù)的處理，然后作為風(fēng)扇風(fēng)速檔次的選擇。風(fēng)扇的風(fēng)速通過調(diào)制不同的PWM來控制，通過拉高拉低IO口電平來控制三極管的導(dǎo)通與截止控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。

4 總結(jié)
    采用單片機為控制器，用熱釋人體紅外和溫度傳感系統(tǒng)來檢測室內(nèi)有無人員及室內(nèi)溫度，設(shè)計了一個智能溫控風(fēng)扇及照明控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)室內(nèi)的溫度來實時自動控制風(fēng)扇的開關(guān)及風(fēng)扇的檔位；并且根據(jù)室內(nèi)的光線和是否有人來控制燈管的照明；用蜂鳴器作為報警源，如果啟動報警模式，當檢測到其區(qū)域內(nèi)有人就會發(fā)出報警信號，當溫度超過一定范圍也啟動長鳴報警聲。能夠達到智能控制和節(jié)能以及安防的目的，尤其適用于學(xué)校教室、圖書館、樓道照明燈場所。