基于四元熱釋電傳感器的空調(diào)節(jié)電無(wú)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫天佑　朱明陽(yáng)　江楠

【摘 要】本文針對(duì)公共區(qū)域內(nèi)空調(diào)在無(wú)人情況下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行造成電能浪費(fèi)的問(wèn)題，提出了一種以單片機(jī)為核心的基于四元熱釋電傳感器的空調(diào)節(jié)電無(wú)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。本文硬件設(shè)計(jì)部分介紹了系統(tǒng)總體硬件電路設(shè)計(jì)、四元熱釋電傳感器硬件電路設(shè)計(jì)、無(wú)線藍(lán)牙通信硬件接口電路設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)部分給出探測(cè)器和控制器主程序的工作流程圖。本設(shè)計(jì)的實(shí)際性能通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用得到驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期的效果。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)；熱釋電傳感器；藍(lán)牙通信；空調(diào)節(jié)電控制器

【Abstract】According to too much power wasted by air condition in a nmanned public area， this article puts forward The design of wireless control system in air conditions power saving which is based on single chip microcomputer using four-elemen PIR sensor.The paper mainly analyzes the general design method and four-elemen PIR sensor circuit design and bluetooth communication interface circuit design in hardware.In software design the paper gives the detectors and the controllers program flowchars of the master routine.The actual performance has been verified by the long term usage， so the design has achieved the expected effect.

【Key words】SCM； PIR sensor； Bluetooth communication； Controller in air conditions power saving

0 引言

當(dāng)前空調(diào)的使用已經(jīng)十分普及，為了達(dá)到節(jié)能降耗的目的在空調(diào)系統(tǒng)中采用了如變頻等技術(shù)，但是經(jīng)過(guò)分析事實(shí)上導(dǎo)致空調(diào)耗電的另一個(gè)主要的原因是空調(diào)在無(wú)人的情況下開(kāi)啟時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，對(duì)于象辦公室、實(shí)驗(yàn)室、閱覽室等這樣的公共區(qū)域這種情況更易發(fā)生，實(shí)際上造成了空調(diào)額外消耗相當(dāng)?shù)碾娔埽瑸檫_(dá)到為空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)一步節(jié)電的目的，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)基于四元熱釋電傳感器的空調(diào)節(jié)電無(wú)線控制系統(tǒng)以滿足在公共區(qū)域內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)電以及家庭空調(diào)的進(jìn)一步的節(jié)電監(jiān)測(cè)和控制需求。

1 總體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用最新的四元熱釋電傳感器是為了確保對(duì)人員活動(dòng)探測(cè)的可靠性高，整個(gè)系統(tǒng)做成探測(cè)器和控制器兩部分，探測(cè)器和控制器之間使用藍(lán)牙通信，探測(cè)器和控制器均采用單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本空調(diào)節(jié)電監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)之所以設(shè)計(jì)成探測(cè)器和控制器這分離的兩部分就是考慮到不同的建筑物室內(nèi)結(jié)構(gòu)差異比較大加之空調(diào)的具體安裝位置有各不相同，人員頻繁活動(dòng)區(qū)域也各有規(guī)律，在這種情況下我們實(shí)際安裝時(shí)可以將控制器放在離空調(diào)較近的地方，同時(shí)將探測(cè)器放置在人員頻繁活動(dòng)區(qū)域的頂部，這樣大大增加了系統(tǒng)的可靠性。本設(shè)計(jì)重點(diǎn)在人體紅外探測(cè)器和可關(guān)閉空調(diào)的控制器以及設(shè)計(jì)探測(cè)器和控制器之間的藍(lán)牙通信接口，重新進(jìn)行相關(guān)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)以完成一個(gè)完整的空調(diào)節(jié)電監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)（圖1）。

探測(cè)器須包含如下結(jié)構(gòu)：熱釋電紅外傳感器檢測(cè)與轉(zhuǎn)換電路、藍(lán)牙通信模、聲光報(bào)警電路、單片機(jī)、復(fù)位電路及相關(guān)的控制管理軟件組成；它們之間的構(gòu)成框圖如圖2所示。

探測(cè)器上的四元紅外熱釋電探頭將人體輻射的紅外光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大電路、比較電路最終送至C8051F410單片機(jī)。在單片機(jī)內(nèi)，經(jīng)軟件處理、判斷等環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)發(fā)出LED光信號(hào)以表示是否有人活動(dòng)，同時(shí)通過(guò)藍(lán)牙通信模塊將此狀態(tài)發(fā)送給控制器。當(dāng)探測(cè)器正常情況下無(wú)法聯(lián)絡(luò)到控制器或者探測(cè)器自檢出現(xiàn)故障時(shí)則驅(qū)動(dòng)蜂鳴報(bào)警電路以通知用戶出現(xiàn)故障，直至排除為止。

控制器須包含如下結(jié)構(gòu)：手動(dòng)按鈕檢測(cè)與轉(zhuǎn)換電路、藍(lán)牙通信模、空調(diào)紅外遙控電路、蜂鳴報(bào)警電路、單片機(jī)、復(fù)位電路及相關(guān)的控制管理軟件組成；它們之間的構(gòu)成框圖如圖3所示。

控制器上的按鈕檢測(cè)轉(zhuǎn)換電路將按鍵情況電路最終送至C8051F410單片機(jī)。在單片機(jī)內(nèi)，經(jīng)軟件處理、判斷等環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)顯示在數(shù)碼管上以驗(yàn)證按鍵操作，同時(shí)通過(guò)藍(lán)牙通信模塊接收控制器發(fā)來(lái)的控制信號(hào)以決定是否關(guān)閉空調(diào)，如果需要關(guān)閉空調(diào)則通過(guò)紅外遙控電路發(fā)射特定的紅外編碼關(guān)閉空調(diào)。當(dāng)控制器正常情況下無(wú)法聯(lián)絡(luò)到探測(cè)器或者控制器自檢出現(xiàn)故障時(shí)則驅(qū)動(dòng)蜂鳴報(bào)警電路以通知用戶出現(xiàn)故障，直至排除為止。

2 系統(tǒng)硬件選擇

2.1 四元熱釋電傳感器的原理特性

四元熱釋電紅外傳感器在每個(gè)探測(cè)器內(nèi)裝入四個(gè)探測(cè)元件，并將四個(gè)個(gè)探測(cè)元件串聯(lián)，以抑制由于自身溫度升高而產(chǎn)生的干擾。由探測(cè)元件將探測(cè)并接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)變成微弱的電壓信號(hào)，經(jīng)裝在探頭內(nèi)的場(chǎng)效應(yīng)管放大后向外輸出。為了提高探測(cè)器的探測(cè)靈敏度以增大探測(cè)距離，一般在探測(cè)器的前方裝設(shè)一個(gè)菲涅爾透鏡，該透鏡用透明塑料制成，將透鏡的上、下兩部分各分成若干等份，制成一種具有特殊光學(xué)系統(tǒng)的透鏡，它和放大電路相配合，可將信號(hào)放大70分貝以上，這樣就可以測(cè)出10～20米范圍內(nèi)人的行動(dòng)。

四元件熱釋電傳感器將兩個(gè)雙元件傳感器組合使用時(shí)，實(shí)際上可以增加探測(cè)范圍。人體高度約1.5～2.0m，在進(jìn)入檢測(cè)區(qū)時(shí)被兩個(gè)傳感器檢測(cè)到，經(jīng)電路（信號(hào)處理）后分別輸出高電平，則經(jīng)過(guò)與門(mén)后輸出為高電平，此高電平用作輸出信號(hào)。一般的小動(dòng)物如貓、狗等，其高度不超過(guò)0.6m，由于其自身發(fā)出的紅外信號(hào)較弱并不會(huì)被四元熱釋電傳感器識(shí)別，輸出的信號(hào)仍為低電平，則無(wú)輸出信號(hào)，這樣可大大提高誤報(bào)率，增加可靠性（圖4）。

2.2 PIR結(jié)構(gòu)特性及安裝

紅外線熱釋電傳感器對(duì)人體的敏感程度還和人的運(yùn)動(dòng)方向關(guān)系很大。紅外線熱釋電傳感器對(duì)于徑向移動(dòng)反應(yīng)最不敏感， 而對(duì)于橫切方向 （即與半徑垂直的方向）移動(dòng)則最為敏感. 在現(xiàn)場(chǎng)選擇合適的安裝位置是避免紅外探頭誤報(bào)、求得最佳檢測(cè)靈敏度是極為重要的一環(huán)。

紅外線熱釋電人體傳感器只能安裝在室內(nèi)，其誤報(bào)率與安裝的位置和方式有極大的關(guān)系.。正確的安裝應(yīng)滿足下列條件：

1）本系統(tǒng)建議四元紅外線熱釋電傳感器吸頂安裝，對(duì)于普通樓房層高來(lái)說(shuō)是比較合適的，對(duì)于特殊的建筑層高較高的可以選擇吊裝的方式，保持距離離地面2.5米左右的高度。

2）四元紅外線熱釋電傳感器遠(yuǎn)離室內(nèi)熱源（如冰箱、火爐等）氣溫變化敏感的地方。

3）四元紅外線熱釋電傳感器要避免安裝在強(qiáng)氣流活動(dòng)的地方區(qū)域（如窗口），否則窗外的熱氣流擾動(dòng)和人員走動(dòng)會(huì)引起錯(cuò)誤的反應(yīng)。

3 硬件電路實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)的電路原理圖主要包括兩部分，即探測(cè)器和控制器兩部分如下圖5所示。

4 軟件的程序?qū)崿F(xiàn)

按上述系統(tǒng)的工作原理和硬件結(jié)構(gòu)分析可知程序工作流程圖主要包括探測(cè)器的程序流程圖和控制器的程序流程圖這兩個(gè)方面，如下圖6和圖7所示：

探測(cè)器主程序?qū)崿F(xiàn)的功能是：當(dāng)單片機(jī)無(wú)法檢測(cè)到外部熱釋電傳感器送來(lái)的脈沖信號(hào)后，表示空調(diào)室內(nèi)已經(jīng)無(wú)人，從而經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部程序處理后，驅(qū)動(dòng)LED輸出并通過(guò)藍(lán)牙呼叫控制器，如果有應(yīng)答則發(fā)送關(guān)機(jī)指令，如果沒(méi)有應(yīng)答則發(fā)出聲光報(bào)警表示（下轉(zhuǎn)第41頁(yè)）（上接第10頁(yè)）通信出現(xiàn)故障同時(shí)繼續(xù)呼叫直至控制器應(yīng)答為止。

控制器主程序流程圖如圖7所示具體實(shí)現(xiàn)功能為是：當(dāng)單片機(jī)接收到探測(cè)器發(fā)來(lái)的藍(lán)牙指令后則控制紅外模塊執(zhí)行此指令，如果沒(méi)有接收到探測(cè)器發(fā)送的藍(lán)牙指令則判斷當(dāng)前是否需要學(xué)習(xí)新的控制命令，如果是則進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)直到學(xué)習(xí)完成為止，如果不是則繼續(xù)判斷等待探測(cè)器呼叫。

通過(guò)多次測(cè)試和修改探，測(cè)器和控制器設(shè)計(jì)程序的結(jié)果均達(dá)到了預(yù)期的目的，在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮到了輸入輸出信號(hào)在工作中的不穩(wěn)定因素以及各種的干擾，都應(yīng)該在程序設(shè)計(jì)或硬件外圍電路設(shè)計(jì)中進(jìn)行了必要的調(diào)整。在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該考慮的其它問(wèn)題（如藍(lán)牙通信的問(wèn)題以及控制器紅外命令發(fā)送問(wèn)題）都已經(jīng)進(jìn)行了對(duì)應(yīng)的配置與調(diào)整，所以根據(jù)實(shí)際的硬件仿真來(lái)看實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)功能。

5 結(jié)語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)的一種基于四元熱釋電傳感器的空調(diào)節(jié)電無(wú)線控制系統(tǒng)，由探測(cè)器和控制器組成，探測(cè)器和控制器均以C8051F410單片機(jī)為核心，探測(cè)器內(nèi)置四元紅外熱釋電傳感器。控制器內(nèi)置紅外遙控模塊，探測(cè)器將室內(nèi)人員活動(dòng)情況通過(guò)藍(lán)牙通信發(fā)送給控制器由控制器控制空調(diào)機(jī)關(guān)機(jī)或在低功耗運(yùn)行。該系統(tǒng)的最大特點(diǎn)就是能夠?qū)崟r(shí)探測(cè)用戶對(duì)室內(nèi)空調(diào)的使用情況從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)的運(yùn)行控制管理達(dá)到節(jié)能降耗的目的，該系統(tǒng)安裝方便、智能性高、誤動(dòng)作率低等，應(yīng)用前景廣闊。

【參考文獻(xiàn)】

[1]潘琢金.C8051Fxxxx高速SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[2]黃智偉.傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)例制作.北京[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006，4.

[3]石琳琦.基于熱釋電紅外傳感器的測(cè)量技術(shù)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013（11）：162-165.

[4]劉星.基于藍(lán)牙和單片機(jī)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2013（11）： 46-48.

[5]林鈴.自學(xué)習(xí)紅外遙控器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2008（24）：157-159.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]