公共场所照明节电智能控制系统设计

摘要 该系统在传统的热释电人体红外开关的基础上，加入以电机为主的机械部分，周期性带动热释电传感器移动，使静止的人体对其产生相对运动，因而能检测到静止的人。另外还加入了以Atmega8单片机为核心的控制系统，在软件的配合下，系统智能化程度高，能正确判断周围环境并进行动作。因此能用于教室、办公室等对照明质量要求较高的场合，实现有人区域灯亮，无人区域灯灭的效果，达到节能目的。此外，该系统安装时，只需对原有线路进行小范围的改动，使用方便。
关键词 热释电传感器；光电开关；Atmega8；智能控制

    现今部分公共场所，如厕所、走廊等以声、光作为输入变量的智能开关使用较普遍，且技术比较成熟，生产成本低、可靠性高。但在教室、办公室、图书馆等对照明质量要求较高的场合，声光开关由于智能化程度较低而不能胜任。部分大楼采用底层控制系统加485总线，组成网络，由管理员通过计算机控制，这样虽然能达到节电的目的，但实现起来较复杂，成本较高，而且需要人为控制。当今社会倡导节能低碳，这给企业带来了商机。但大部分企业更多是在灯上做文章，比如白炽灯改用节能灯或成本较高的LED照明灯。很少有企业把目光集中在低成本的智能节电开关上。市场上，能够实现节能、价格低廉、可靠工作的智能节能开关较少，本文设计了一种控制方式灵活方便，配置合理，一次性投入与运行费用低廉，安装简单，维护方便，能满足用户多样性要求，适于推广的新型智能照明系统。

1 整体方案设计
    教室内通常采用日光灯作为照明灯具，中等大小的教室一般装有前、中、后3排灯，因此可对每个区域的灯单独进行控制。如图1所示，每个区域用两个热释电人体红外检测模块覆盖，因此一间教室需要6个热释电人体红外检测模块。控制系统通过控制继电器的吸合来执行开灯动作，实现弱电与强电的隔离。系统硬件设计框图如图2所示，整个系统包括单片机控制模块、开关电源模块、线性电源模块、电机传动模块、热释电人体红外探测模块和可见光探测模块等。开关电源产生+8 V的电压经LM7805线性稳压至+5 V，给单片机与可见光探测组件供电。单片机系统对电源纹波敏感，因此分开供电既避免了开关电源纹波与电机线圈产生的感应电动势影响单片机程序的正常运行，提高了系统的稳定性，又可以在白天光线充足时，通过K1切断热释电人体红外探测模块与电机传动模块的供电，使系统功耗减少。另外，把开关电源与线性电源的输出压差设置为+3 V，既能保证线性电源的正常工作，又减少了LM7805上的热功耗。在白天光线充足时系统处于实时监测状态，单片机处于掉电模式，系统功耗<1mW。

    系统的工作过程：可见光探测组件检测光照信息，光线充足时，单片机处于掉电模式，K1，K2断开；光线不充足时，单片机被唤醒，并控制吸合K1，使电机传动模块与热释电人体红外探测模块工作，此时，如热释电人体红外探测模检测到灯下有人，单片机控制K2吸合，点亮电灯。此后，电机间隔一定时间带动热释电人体红外探测模扫描一次，进行实时监测，实现有人时电灯持续点亮，无人时电灯延迟一定时间后自动关闭。 [p]

2 热释电人体红外探测模块电路设计
    热释电人体红外探测模块为本系统的“眼睛“主要由热释电红外传感器、菲涅尔透镜、红外传感信号处理器芯片，以及少量的电阻电容等外围元件组成。这里选用的热释电红外传感器为RE200B，红外传感信号处理器芯片BISS0001。
    热释电人体红外探测模块电路如图3所示，当有人在热释电人体红外传感器RE200B警戒范围内走动时，人体发出的微弱红外线通过菲涅尔透镜聚焦后，在传感器的内部敏感元件上引起温度变化，使其产生极化，从而产生电压差，从S脚输出。此电压信号虽然经过了内部场效应管的放大，但仍相当微弱，将它送至红外传感信号处理器BISS001的1IN+输入端，经两级放大、双向鉴幅、延时处理后，最终从BISS001的输出端V0输出高电平延时脉冲信号。将BISS001内部放大器分离出来，信号放大部分等效电路如图4所示。信号由OP1的同向端输入，交流信号时，C7相当于短路，信号在该级放大(1+RPL1／R13)倍，直流信号时，C7相当于开路，OP1相当于一个电压跟随器，对直流信号无放大作用。OP1输出信号经C6耦合至OP2的反向输入端，经R9、R10、OP2组成的反向放大电路后，在该级被放大-R10／R9倍。OP2的同向输入端接大小为VM的参考电压，使最终输出电压直流电位提高了VM，提高了抗干扰能力。

    由于系统要求有人灯持续点亮，所以BISS001的控制端A必须选定为可重复触发工作方式，所以输出脉冲信号的延时时间Tx与重复触发有关，即若一直检测到有人在走动时，V0将一直是高电平输出。
    BISS001输出地高电平脉冲信号送至单片机，单片机判断处理后，发出信号控制继电器点亮电灯。而当人离开热释电红外传感器警戒范围内时，电路从最后一次触发延时Tx后U39输出低电平，单片机判断处理后控制继电器关掉电灯，达到了无人自动关灯的要求。

3 电机传动模块设计
    电机传动模块主要包括传动机械部分与电机驱动部分。传动机械部分由电机、齿轮、蜗杆与支架构成，结构简单。下面主要介绍电机驱动电路，电路如图5所示。

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    电机驱动电路由4个晶体管，4个二极管，和限流电阻RPL4组成。Q3、Q4为8050(npn)型功率三极管，Q5、Q6为8550(pnp)型功率三极管，4个三极管组成桥式驱动电路。当正转控制端输入高电平，反转控制端输入低电平时，电流方向为：VMOT→Q3→直流电机线圈→Q6→地，电机正转；反之，当正转控制端输入高电平，反转控制端输入高电平时，电流方向为：VMOT→Q4→直流电机线圈→Q5→地，电机反转。由于电路采用两对互补的功率管，因此当两控制端同时为高电平或者同时为低电平时，都不会使处在同一边的两个功率管同时导通，造成电流过大击穿导体管。因此无须使用数字逻辑门确保两控制端电位相反，也无须在软件中通过延时设置死区时间。D3～D6为续流二极管，当电机线圈中电流方向发生改变时，线圈电感将产生较大的感应电动势，使功率管的C＼E间承受很大的反向电压，容易损坏功率管，在C＼E间反向并联二极管，给感应电动势提供放电回路，可以有效地保护功率管。RPL4为基极限流电阻，由于本设计对电机的转速与转矩要求较低，RPL4可以调节电机的速度，使系统工作在最佳状态。

4 单片机控制系统设计
    单片机控制系统除单片机最小系统外，还包括热释人体红外检测信号的输入端口，电机驱动控制端口，可见光感应模块，热释电、电机传动电源开关与电灯开关。

    如图6所示，CNL1、CNL2为电机正反转控制端口，PB3～PB5为MCU的SPI接口，此处只做程序下载口用。Y1、C4、C5组成时钟电路，Atme-ga8引脚XTAL1，XTAL2上外接石英晶体(Y1)和电容组成的谐振回路，配合片内的OSC振荡电路构成的振荡源作为系统时钟源，C4、C5为微调电容，有帮助起振与频率微调的作用。R7、R8、S1、C2组成单片机复位电路，单片机复位引脚RESET为低电平且低电平持续时间>1．5μs时，MCU复位。系统加电时，对C2进行充电，短时间内(>1．5μs)C2相当于短接到地，使MCU复位。当系统程序跑飞或死机时，可按S1使MCU强制复位。可见光感应模块由光敏电阻R_LIGHT，与可调电阻RPL3组成，光敏电阻的亮电阻与暗电阻相差很大，让它与RPL3分压，在有光与无光的条件下会得到不同的电平。两个开关的电路结构相同，由基极限流电阻、功率三极管、续流二极管，继电器组成，各元件作用跟电机驱动模块中相似。

5 结束语
    目前，低成本智能节能开关的使用较少。而学校教室、图书馆等还在使用传统的按键式开关。企业大多把注意力集中在复杂的网络控制系统，高成本是其普及的最大阻力。所以，市场上同价位的同类产品较少。低成本智能节电系统将拥有广泛的市场前景。