中心議題：
- 基于多探測(cè)傳感器的智能燈控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理
- 基于多探測(cè)傳感器的智能燈控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
解決方案：
- 微弱聲音放大檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)
- 可見光檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)
- 步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)熱釋電紅外傳感器設(shè)計(jì)
- 其他硬件模塊的設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)
依據(jù)節(jié)能、環(huán)保的要求，本文設(shè)計(jì)出基于多探測(cè)傳感器的智能燈控系統(tǒng)，可以大大提高燈控系統(tǒng)的可靠性、探測(cè)能力，特別適用于高校教室、樓道等公共場(chǎng)合，實(shí)現(xiàn)燈控的智能化，從而節(jié)約電能、環(huán)保，方便管理，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理
1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)主要以單片機(jī)總控制為核心，由微弱聲音放大檢測(cè)、可見光檢測(cè)、步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)熱釋電紅外傳感器、A/D轉(zhuǎn)換、液晶顯示等模塊以及控制電路組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
1.2 工作原理
本系統(tǒng)以單片機(jī)AT89S52為核心，采用光照檢測(cè)、聲控以及步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)熱釋電紅外等傳感器進(jìn)行環(huán)境探測(cè)。系統(tǒng)首先啟動(dòng)可見光模塊，通過光一流一壓轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并通過液晶顯示。若是電壓較小，說(shuō)明了亮度不夠，則繼續(xù)檢測(cè)聲音。若是聲音較大，則在短時(shí)間內(nèi)調(diào)用步進(jìn)電機(jī)模塊，檢測(cè)是否有人；否則，每隔15 min定時(shí)檢測(cè)。因?yàn)樵趯?shí)際過程中，設(shè)置聲光的閾值都缺乏直觀性，所以使用液晶電壓顯示進(jìn)行判斷。光、聲的閾值可以根據(jù)不同地方的實(shí)際情況通過軟件進(jìn)行調(diào)整。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 微弱聲音放大檢測(cè)模塊
從麥克風(fēng)接收到信號(hào)后由三極管9013初次放大，然后由集成放大器LM324的兩級(jí)放大，得到交流電壓。由于模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)需要直流電壓值，所以再通過萬(wàn)用表交直流轉(zhuǎn)換電路，選用整流芯片AD736，使用單電壓供電低阻抗電路。
當(dāng)被測(cè)交流電壓超過200 mV時(shí)，必須在AD736前加一級(jí)分壓器。經(jīng)過交直流轉(zhuǎn)換的電路之后，V0輸出相對(duì)比較微弱，所以經(jīng)過LM324進(jìn)行放大，最后的輸出能夠達(dá)到理想值。該模塊如圖2所示。
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2.2 可見光檢測(cè)模塊
可見光檢測(cè)模塊采用LX1970作為核心芯片。LX1970是美國(guó)微型半導(dǎo)體(Microsemi)公司推出的一種能實(shí)現(xiàn)人眼仿真的集成化可見光亮度傳感器。該模塊采用測(cè)量白光亮度電路(如圖3)。利用src端輸出光-流轉(zhuǎn)換的結(jié)果，然后實(shí)現(xiàn)流壓轉(zhuǎn)換。該芯片性能穩(wěn)定，靈敏度極高。
2.3 步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)熱釋電紅外傳感器
熱釋電紅外傳感器能以非接觸形式檢測(cè)出人體輻射的紅外線，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。本設(shè)計(jì)所采用的是PIR熱釋電傳感器，安裝有菲涅爾透鏡，感應(yīng)距離7 m，感應(yīng)角度110°。具有全自動(dòng)感應(yīng)、光敏控制、兩種觸發(fā)方式(不可重復(fù)觸發(fā)方式，可重復(fù)觸發(fā)方式)、靈敏度高、微功耗等特點(diǎn)。當(dāng)人進(jìn)入其感應(yīng)范圍，則輸出高電平，人離開感應(yīng)范圍，則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平。但是該熱釋電紅外傳感器只能檢測(cè)到動(dòng)態(tài)，所以對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間處于相對(duì)靜態(tài)的存在無(wú)法檢測(cè)的缺陷。熱釋電紅外傳感器前置放大電路如圖4所示。
為此，采用了步進(jìn)電機(jī)模塊。設(shè)計(jì)中，將熱釋電紅外和步進(jìn)電機(jī)固定一起。單片機(jī)P1.0～P1.3口分別經(jīng)過74LS14雙上升沿D觸發(fā)器電平轉(zhuǎn)換后，通過芯片ULN2003驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)(電路設(shè)計(jì)如圖5)，從而可以旋轉(zhuǎn)熱釋電紅外傳感器，檢測(cè)到靜態(tài)。
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2.4 其他硬件模塊
系統(tǒng)電源模塊：硬件電路中多次利用+5 V、-5 V電壓，為供電方便，使用芯片ICL7660，將+5 V電壓改變?yōu)?5 V電壓。
液晶顯示模塊：采用1602字符型液晶顯示屏，將單片機(jī)輸出的光、聲電壓值顯示在屏上，便于設(shè)定光、聲的閾值。數(shù)據(jù)端和單片機(jī)P0口相連?？刂贫薘S、R/W、E分別與P2.4、P2.5、P2.6口相連。
模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：本模塊選用Philips公司的PCF8591芯片作為核心元件，它是一種具有I2C總線接口的8位A/D、D/A轉(zhuǎn)換芯片，在與CPU的信息傳輸過程中僅靠時(shí)鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA就可以實(shí)現(xiàn)。PCF8591為單一電源供電(2.5～6V)典型值為5 V，CMOS工藝。該芯片有4路8位A/D輸入，屬逐次比較型，內(nèi)含采樣保持電路；1路8位D/A輸出，內(nèi)含有DACPCF8591的A/D轉(zhuǎn)換為逐次比較型，在A/D轉(zhuǎn)換周期中借用DAC及高增益比較器。
3 軟件設(shè)計(jì)
當(dāng)有光(自然光)時(shí)，不管教室是否有人和聲響，都將關(guān)閉電源，所有燈具不會(huì)點(diǎn)亮。當(dāng)無(wú)光(自然光)時(shí)，若有人或者附近有異常聲響時(shí)，則在短時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)，使用紅外熱釋電模塊檢測(cè)是否有人：若無(wú)聲音，則不開啟(動(dòng)態(tài)檢測(cè))。經(jīng)過可調(diào)整的時(shí)間后定時(shí)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)行檢測(cè)(靜態(tài)檢測(cè))。流程圖如圖6、7所示。
4 結(jié)束語(yǔ)
本課題主要是針對(duì)高校教學(xué)樓照明管理中電能浪費(fèi)的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了基于模擬人眼視覺可見光傳感、聲傳感及熱釋電紅外(靜、動(dòng)態(tài)雙模式)傳感實(shí)現(xiàn)綜合檢測(cè)與燈控功能。從而大大提高燈控系統(tǒng)的可靠性和探測(cè)能力。整個(gè)燈控系統(tǒng)是由一個(gè)主控中心、多個(gè)分控中心和更多單元節(jié)點(diǎn)組成的多層網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)特別適用于學(xué)校教室、樓道和其他公共場(chǎng)所。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)安裝方便、工作穩(wěn)定、可靠性高，是一種較高實(shí)用價(jià)值的智能燈控制系統(tǒng)。
此外，本課題在研究具體的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)以外，通過設(shè)計(jì)其網(wǎng)絡(luò)特性，可與物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展融合，具有良好的擴(kuò)展性。
