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基于AT89S51的双红外激光对射开关实现智能照明控制

放大字体  缩小字体 照明中国网   发布日期:2015-01-22  来源:《照明》  作者:姚正武  
1 前言
 
在楼宇照明领域常常需要热释电传感器开关、触摸式声控开关等来实现对照明的智能控制。热释电传感器开关在应用中却存在诸多的不足:(1)容易受各种热源、光源干扰;(2)被动红外穿透力差,人体的红外辐射容易被遮挡,不易被探头接收;(3)环境温度和人体温度接近时,探测和灵敏度明显下降,会造成短时失灵[1];(4)受人体与传感器之间运动距离和角度影响大,传感器感测距离受菲涅尔透镜材质影响,红外探测波长受滤光镜片影响,人体沿径向运动时传感器感应能力差而沿横切方向(与径向垂直方向)运动时感应能力强[2]。触摸式声控开关在应用中也存在一些不足:(1)需要手指触摸外露金属片,且在夜晚不容易找到开关位置;(2)在夜晚照明时需要发出较大声响,开关才能感应接通;(3)开关接通一定时间后自动关断,会影响人体继续在照明区域的活动[3]。而由本文所述的创新性设计的双红外激光对射开关,通过双红外激光对射传感器、单片机AT89S51以及交直流电光源接口电路的控制来实现智能照明将有助于解决这方面的不足。
 
2 双红外激光对射开关系统设计分析
 
2.1 双红外激光对射开关工作原理
 
双红外激光对射开关的系统构成框图(如图1所示)。当自然光强度变低,光敏电阻阻值增加,使得自然光照度检测电路输出高电平,单片机AT89S51检测到P1.0脚的高电平后,就向P1.1和P1.2脚输出高电平,控制一对近红外激光发射管发射近红外激光照射对面的光电池,光电池输出的电压会增加,经输出电路放大和电压比较处理后,会输出高电平值,当有人或物经过对射区域切断近红外激光时,则传感器输出低电平。对射传感器输出的电平值分别分成三组,一组接入单片机P3.4和P3.5脚,一组接入异或门电路形成异或信号接入单片机P3.2脚,另一组与异或门输出信号一起形成信号①、信号②、信号③输出后分别接到上一级开关的P3.3、P3.7、P3.6脚,下一级开关输出的信号①、信号②、信号③分别接到单片机的P3.3、P3.7、P3.6脚。AT89S51通过分别检测P3.2、P3.4、P3.5脚与P3.3、P3.7、P3.6脚信号特征电平变化,判断进入照明区域的人或物数量,根据进入数量情况,控制P2.0脚输出低电平,从而控制电光源开关控制电路输出信号,进而控制电光源开关接通或断开电光源,电光源开关(电力电子开关)两端还可以并接模拟开关,通过手动直接接通或断开电光源。
 
2.2 红外激光对射传感器的工作原理
 
一个金属封装的近红外激光对射传感器的外部结构图(如图2所示),该传感器分别由一只近红外线激光发射管和一只光电池以及转换电路(图中未画出)组成。红外线激光发射管直流电源在AT89S51引脚P1.1或P1.2的控制下接通后,就发出一束近红外激光直射到对面的光电池上,光电池输出的光电动势就比自然光照射时要更高一些[4]。若红外激光发射管电源断开,发射管不发射近红外激光,在自然光光照强度比较弱时,比如在夜晚,光电池两端电压几乎为零。根据以上原理,只要人或物经过近红外激光照射区域,隔断红外激光线,光电池输出电压就会降低,通过分析检测光电池电压的变化就可识别有无运动的人或物经过红外激光对射传感器照射区域。
 
2.3 红外激光对射传感器电路设计
 
红外激光对射传感器设计电路如图3所示。图3(a)是近红外激光发射管VD的驱动电路,该发射管串接在三极管VT(S9013)的集电极,由于S9013的集电极最大电流可达0.5A,故满足驱动发射管VD的需要。S9013基极电压UK为输入的控制电平或脉冲电压,基极电阻RB=10KΩ.
 
图3(b)中的转换电路是由光电池输出电压放大电路(虚线左侧)和电压比较电路(虚线右侧)组成。放大电路是由运放A1(集成双运放芯片LM358中的一个,以下同)构成的比例放大电路,比例放大系数KU=(R17+R18+RP1)/R17,光电池输出电压Ui经放大电路放大KU倍在A点输出,由电容C4滤除掉干扰后接到电压比较电路II中比较器LM393的同相输入端,比较器LM393的反相输入端由电位器RP2、固定电阻R23、R24构成分压电路,通过调节RP2可改变比较器反相输入端的基准电压,同相输入端A点电压与该电压比较,若A点电压高,则比较器LM393输出高电平,反之输出低电平。
 
当红外激光对射传感器应用时,先让发射管电源切断,此时图3(b)中的Ui为环境自然光产生的电压,调节RP2使得传感器输出为低电平,高电平输出指示二极管V熄灭。若环境自然光强度过强,调节RP2无法满足要求时,可以调节RP1,适当减小比例放大系数KU.调试传感器时,按在正常使用情况下环境自然光强度最强时进行调节,但也要保证环境自然光照度减弱时,发射管发出近红外激光照射光电池时,传感器输出指示二极管V要亮。
 
图2中红外激光发射管和光电池之间检测距离经实测可以达到10m以上。
 
2.4 双红外激光对射传感器识别人和物运动方向
 
如图4所示,两个近红外激光对射传感器相互间隔一定距离,并列平行布置构成了双红外激光对射传感器,当人或物从左侧进入A区域,①传感器先被隔断,输出低电平,①②传感器输出特征电平值为01;接着②传感器被隔断,①②传感器输出特征电平值为00;然后离开检测位置时,①传感器先恢复,输出高电平,①②传感器输出特征电平值为10;最后完全离开检测位置,①②传感器输出特征电平值恢复为11.同理,当人或物从左侧离开A区域,①②传感器输出特征电平值分别为10、00、01、11四种状态。
 
图5中的电路是把两个传感器的输出电平一方面分别接两输入异或门74LS86的两个输入,异或门的输出接单片机AT89S51的INTO脚(P3.2);另一方面分别接AT89S51的P3.4脚、P3.5脚。在人物进入或离开A区域时,由AT89S51检测P3.2脚的电平,当P3.2脚首次由低电平跳转为高电平时,由AT89S51检测P3.4、P3.5脚,如果电平为01组合,则运动方向为进入A区域,反之,如果电平为10组合,则为离开[5]。
 
2.5 自然光环境照度鉴别
 
如图6所示,采用LM393为主要器件构成自然光环境照度水平鉴别电路。由同相输入端提供比较电压,光敏电阻Rm接反相输入端,随环境变化而改变反相端电压,当环境照度未达到设定情况,鉴别器输出为0,反之为1.调节反相端的电位器可改变照度设定值,只要Rm=R2R3/R1,就会输出低电平[6]。
 
当环境照度水平很低时输出高电平,AT89S51的P1.0脚检测到变化,经AT89S51处理后,由P1.1和P1.2输出高电平控制双红外传感器的激光发射管发射近红外激光。
 
2.6 电光源负载驱动电路设计
 
交流电光源负载驱动电路如图7(a)所示。双向可控硅VT的门极由内部带有过零控制电路的摩托罗拉光耦合器MOC3041驱动。在VT两端不仅并联了阻容吸收电路,而且并联了价格低廉的压敏电阻RT来吸收感性电光源在工作过程中产生的更高的浪涌过电压,使得电光源驱动电路无论针对电阻性还是电感性电光源控光都具有较高的可靠性和安全性[7]。
 
LED负载驱动电路如图7(b)所示。LED灯单元由高功三极管C106或BD135等驱动,当P2.0出现高电平,则高功三极管开关接通,从而驱动LED灯发光。图中B300是具有正温度补偿系数的LED专用恒流电阻,电流300mA,电压0.5V.故每个B300与一颗1W的LED串联构成一个4V的灯单元,若干个灯单元可以任意组合形成不同功率的LED灯,图7(b)表示的就是一种组合方法。
 
3 软件设计分析
 
如何通过单片机程序系统来配合传感器实现对人物运动方向识别,首先要对单片机进行设定(本文按汇编程序设定,以下同)[8]。T0方式寄存器TMOD赋值为09H,即T0采用方式1,门控位置1.T0计数器TH0、TL0初值为00H.内部RAM的20H单元可寻址位00H、01H、02H、03H分别定义为通过传感器的每次过程中首脉冲起始标志位(1表示首脉冲起始)、进入方向标志位(1表示进入A区)、离开方向标志位(1表示离开A区)、首脉冲结束标志位(1表示首脉冲结束)。内部RAM的22H、21H单元分别存放进入A区的人或物总数的高8位、低8位。内部RAM的24H、23H单元分别存放脉冲宽度(即T0计数的机器周期个数)的高8位、低8位。TR0为T0的运行控制位。
 
用汇编程序实现传感器功能的流程图如图8所示,程序本文并不作表述。
 
4 在智能照明领域的应用及创新
 
如图4所示,A区域如果是办公室、家居卧室等工作、生活区域,该区域如果是1#灯照明区域,该灯受1#灯开关控制,当灯开关内部电路核心控制器件是AT89S51时,若AT89S51的P3口各脚引出并用端子外接,当P3.2、P3.4、P3.5分别按照图5中所述接入双对射传感器电路的各输出引脚,AT89S51内部存储器下载入按图8中编制的汇编程序,则当有人通过传感器进出A区域,则1#灯开关自动统计A区域人员数量,只要A区域符合照明的要求(比如普通办公室内自然光照度比300lx的标准值低很多、卧室比75lx的标准值低得多[9]),且A区域人员数量不为零,则1#灯开关控制灯打开。
 
与热释电传感器、红外或激光对射传感器构成的开关相比,在应用上的创新点分析为:①与热释电开关相比。在灯打开时,无论A区域人员数量多少,运动与否,运动的角度与方向如何,都不会影响灯开关对灯的控制,这就克服了热释电开关在智能照明方面存在的诸多不足[10]。②与目前市场上红外或激光对射传感器开关相比,因红外或激光对射传感器都有接受管,当发射距离远时,接受管接受到的将是强度相对较弱的红外或激光光圈,运动物体隔断光束时传感器输出未必有明显变化,尤其在环境自然光强度较强时更是如此,造成系统误判断。而本文近红外激光对射传感器,接受器是一个光电池,当发射距离远或环境自然光强度较强时,即使发射的光束变成了强度较弱的光圈,光电池输出的微弱电压信号经传感器电路放大后与电路中比较器设定的基准比较电压相比,都会产生电平变化,不会引起系统误判断。另外,由于这样的原因,传感器在安装时,发射管与光电池在对射安装精度上即使稍有偏差,只要发射的光束还有少量射到光电池上都不会影响传感器对运动的人或物情况的判断,这点与目前市场上红外或激光传感器发射管与接受管在对射安装精度上的较高要求相比具有较大的优势。
 
若如图4所示的A区域,如果是道路等照明区域,则与1#灯照明区域(A区域)紧邻的2#灯照明区域(B区域)的双对射传感器如图9(a)所示。把图9中B区双对射传感器电路的三输出引脚按照上述A区接法分别对应接入2#灯开关,另外把这三输出引脚再分别对应接到1#灯开关P3口引脚P3.3、P3.6、P3.7(如图1所示)。在AT89S51内部存储器下载入按图8中编制的与A区传感器同样的汇编程序,则当人员由B区通过传感器进入A区或由与A区相邻的左侧区域进入,都会使A区1#灯开关点燃1#照明灯,反之离开A区,只要A区统计的人数为零,则1#灯自动熄灭[10]。相邻的各灯开关传感器输出引脚与各灯灯控器引脚的连接方法,如图9(b)所示。
 
5 结论
 
通过上述论证分析,本文研究的双红外激光对射传感器不仅检测的距离宽而且采用非接触式或非接近式检测线性运动的人物的方向和速度大小,可以避免热释电传感器等一些常用传感器在照明应用上所带来的不足,另外传感器电路结构简单、性价比高、便于集成嵌入应用和规模化生产,故有着较高的工程应用价值和实际意义。
 
参考文献
1 百度文库.热释电红外传感器[DB/OL].http://baike.baidu.com/view/1788636.htm,2013-04-13
2 肖兴达.李继方.基于热释电红外传感器的车流检测装置[J].《激光与红外》,2005(2):93~96
3 福满.楼道声控开关原理及检修[J].《家庭电子》,2005(10):22
4 张延杰.光电池的结构和原理[N].《电子报》,2011
5 姚正武.双红外激光对射传感器检测人物运动速度[J].《制造业自动化》,2014(7):125-128
6 姚正武.部绍海.林涛.李树伟.基于环式并行链接的多功能智能照明控制系统[J].《照明工程学报》,2012(6):122~124
7 姚正武.手机控制的低谐波精密调光系统控制器的设计[J].《实验室研究与探索》,2013(12):87~91
8 李全利.单片机原理及应用技术(第二版)[E].高等教育出版社:北京,2004,11:100~108
9 北京照明学会照明设计专业委员会.照明设计手册(第二版)[E].中国电力出版社:北京,2006,12:265,271
10 杨波.陈忧先.热释电红外传感器的原理和应用[J].《仪表技术》,2008(6):66~67
 
 
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