基于红外传感器的智能教室照明控制

2012-12-21敖弟维王亚伟杨艳芳杨俊彦

装备制造技术 2012年5期

敖弟维，王亚伟，杨艳芳，杨俊彦

（1.武汉理工大学物流工程学院，湖北武汉430063；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

随着教育事业的发展，学校照明电耗越来越大。高校教室普遍存在一种状况，当不多的学生在教室自习时，所有的灯都开着，造成大量的电能浪费。而学校照明用电的管理，基本处于一种粗放式的管理状态。照明电能损失越来越大，为此很有必要开发教室照明自动控制系统。

目前，国内外照明自动控制装置，基本上采用被动的人体感应探测、可见光探测、热释电红外探测、声音探测等方法，但都存在一定的不足。这些方法在探测上都存在一定的缺陷，其中热释电红外探测应用最广泛，但是都不能识别静止人体。本文针对该缺点提出了可行的解决方案，并结合单片机技术，设计了一套基于红外传感器的智能教室照明控制系统方案。

1 方案设计

传统的外传感器大多用于动态人体的识别，本文所设计的红外传感器智能系统，不仅可以判别动态中的人体，也可对自习室中相对静止的人体加以识别，从而达到对教室灯光照明系统进行智能控制的目的。

1.1 系统框架设计

由于人体会发出特定波长（10 μm 左右）的红外线，因此可采用目前应用广泛的红外热释电传感器，来识别人体信号[1]，经后续电路放大和A/D转换等处理后，传递给基于单片机的控制电路，以此来控制灯的开关。做到人在灯亮，人走灯灭。系统框架如图1所示。

图1 智能教室照明控制系统框架

1.2 传感器设计

（1）传感器工作原理。热释电红外传感器，是基于热电效应的红外传感器，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而改变。

为了抑制因自身温度变化而产生的干扰，该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路，从而以非接触的方式，检测出物体放出的红外线能量变化，并将其转换为电信号输出。通过两个晶硅片的反向串联，传感器中两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消，得到能量补偿。对于辐射至传感器的人体红外线，热释电传感器通过安装在前方的菲涅尔透镜，将其聚焦后加至两个探测元上，使传感器产生并输出电压信号。菲涅尔透镜的应用增强了元件识别的正对性和敏感度。传感器工作原理如图2。

图2 热释电红外传感器的工作原理

（2）传感器的动态检测解决方案。热释电红外传感器只对运动的人体敏感，而在教室内很多情况下，人们都处于相对静止或者幅度很小的运动状态，传感器通常不能加以有效的识别。这也正是目前市场上该类产品的缺陷所在。

本文所提出的解决方案，是要从另一个角度去解决动态检测的问题，即让传感器产生一定幅度的运动，通过人和传感器之间的相对运动，实现信号的有效识别。本文提出了传感器的运动的两种方式。

1.3 传感器运动的方式

（1）振动方式。如图3所示，把传感器和一个小型振动器固定在一起。当人进入识别区后，传感器检测到人体信号，经处理后传给控制电路，使振动器带动传感器一起振动，从而识别出静止的人体。本系统每次振动时间设定为2 s，振动周期为30 s，每30 s扫描一次。如果连续两个周期该区域内没有人体信号，控制系统执行关闭照明灯的动作。