红外反射型教室节电照明控制器的设计与制作

摘 要:红外反射型教室节电照明控制器是针对目前大多数学校在照明上所存在的能源消耗的问题而设计出的新型节能控制器。当教室光照强度没达所要求值,若教室里面有人的时候就开灯,反之就不开灯,且教室多媒体开启时不管当时的灯是开启还是没开启都将使灯关闭。

关键词:教室节电照明 红外反射传感器 方向识别 计数器 电流检测

中图分类号:TM923文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)04(c)-0082-02

1 课题目的和现实意义

处理好节约能源资源,保护环境与促进经济发展之间的关系是我国经济发展中必须面对的一个重要问题。虽说我国面临着巨大的能量危机,但是当前我国的节能形式并不乐观。进入新世纪以来,我国工业化、城镇化进程明显加快,2004年到2009年,国民经济连续5年保持两位数增长,但高能耗、高投入的粗放增长方式使得电力的供需矛盾日益加剧,生产更多的电即意味着要消耗更多的煤、石油、天然气、核原料等不可再生资源,还会带来许多相应的环境问题。高校作为培养高素质人才的摇篮,提倡节约的意义更加重大而深远。目前大多数学校教室照明基本存在一些问题,如负责教室灯光的管理人员不能按时去检查当不需要照明时教室里的灯是否已关闭,或是有些学校从没有安排管理人员。因此,教室照明节能绝不是微不足道的,即使单从经济效益来看,也是大有可为的。虽然各地高校被拉闸限电的现象发生较少,但随着燃煤和石油价格的年年攀升,势必会带来发电成本的增加,因此节约电能不仅有利于社会,也有利于高校本身。

2 课题研究状况及发展趋势

目前市场上的节电开关有很多,像光控开关、红外感应开关、触摸开关、声控开关,或是四者中的几种结合起来[6]。但这些开关都存在着一些弊端,光控开关在教室光线较暗时不管教室里面有没有人都将一直保持亮;红外感应开关则是只能检测活动的人体,如装在教室里时,若几分钟内没有学生在教室里走动则灯光自动熄灭。而声控和触摸开关安装在需要保持安定的学习环境的教室里显然也是不合理的。而且现在大多数学校教室都已经安装或将要安装多媒体主要是投影仪,一般当用到多媒体时,为了方便观看,我们都将使室光线尽量保持较低状态,这时教室里的灯会关闭。如果设计的产品安在教室里可以自动的识别在需要开灯时就自动开灯,不需要时就关闭,这就实现了安在教室里内节电开关的高效化、自动化、人性化[7]。

3 本课题的主要研究内容和方法

根据目前的教室节电的必要性和市场上的各种节电产品的缺陷提出了本课题。本课题主要研究教室节电照明。它是利用红外反射传感器作为关键器件实现教室里有无人员的检测。当教室里面有人且无论是否活动,自然光光照足够时不照明,反之,光照不够时照明。且还有一个约束条件,多媒体开启时无论当时教室灯是开启还是关闭都将不照明。其重点研究的问题就是教室里是否有人的判和多媒体工作状态的检测。具体究研时先确定整个系统流程,并根据流程来分块板设计。然后通过各板块之间的关系将整个电路合并为一体进而控制日光灯。

因为本设计的电路的主要功能是①利用红外反射实现人员检测;②自然光光照足够时不照明,光照不够时如果有人时不论是否活动都照明,无人不照明;③附加约束条件,多媒体开启时不照明。所以依照电路的各个功能可以将系统分为人数检测部分、光控部分、多媒体工作状态检测部分等板块,并对它们分别进行方案的设计。

4 各部分电路的方案设计

4.1 人数检测方案的设计

由于本设计是利用红外反射来实现人员检测的,所以要获得教室中是否有人的信息需要的核心元件为红外反射传感器。红外反射传感器的工作原理是由传感器前方障碍物将红外发射探头发射出去的红外线反射回来并通过红外接收探头接收来实现传感的。但这种传感器都有一定的检测范围,可以通过调节它的灵敏度来调节它的检测范围。对于教室里人数检测可以用两个红外反射传感器来实现。假设走廊和教室间通道宽a米,将两个红外反射传感器的检测范围调至只能检测a米内的障碍物,然后把这两个传感器安装在教室入口处如图1所示。我们可以根据两个红外反射传感器的感应先后来确定前方的障碍物是进入还是出去教室。人对传感器来说也是障碍物,所以它可以实现检测人的进出情况。但仅由两个红外传感器组成的电路本身不能自动得出该结果,所以还需要将信号整形并加一个方向鉴别电路和计数器来计数。这样教室里人数检测方案就确定了,其方框图如图2所示。

4.2 光控电路方案的设计

对于光控功能的实现目前有很多的的方案可供选择,如可以用光敏管、光电感应器、光敏电阻。但是光敏管允许的电流太小,需要一个放大电路才能实现电路所需的功能,因而显得有点麻烦。光电感应器则在目前市场上价格有些偏高。因此,光敏电阻是最佳选择,因为根据光敏电阻的特性知它的阻值是随着光照强度变大而变小的,故它不仅可以完全实现该电路的功能,而且成本很低。为了解决在教室里灯在亮暗转换的时候闪烁不定的问题,在光控电路中可以加一个施密特触发器。这样就给灯亮暗转换的时加入了一个缓冲区使得灯工作时更加的稳定。

4.3 多媒体工作状态检测方案设计

多媒体控制部分功能是当多媒体开启时不管当时的灯是开还是关都将保持关闭。教室里的多媒体也即投影仪。虽然将投影仪内部的某根电线的电流引出来就很容易的达到目的,但这个设计的本身就是一个产品,它和投影仪的关系就如机顶盒跟电视机的关系,我们不能对多媒体进行任何改装,故这个方案排除。我们还可以想像,当投影仪工作时其提供交流电的电线上必然会有交流电流通过,也就很容易就想到要检测投影仪是否在工作只须检测提供投影仪电力的电线上是否有电流通过就行。因为是交流电,故只须将提供投影仪电力的两根电线中的一根电线上接入一个互感线圈或者一个变压器就可检测出多媒体是否在工作。这个方法虽然可行但有一个前提,就是不管接入的是互感线圈还是变压器都必须是阻抗非常小,不能影响投影仪的正常工作。

5 系统整体方案的设计

根据各部分电路方案的确定可以得出整体方案。首先是人数检测部分是将两个红外反射传感器一前一后安装在进出通道上如图1所示。若前方有人通过,红外反射传感器就会输出一个信号;若前方没有人通过,则无信号输出。而人经过门口时是进还是出会使两个红外反射传感器出现的脉冲顺序不同。然后将信号经过整形后送入方向识别电路中,使得当人进入或是出去会输出不同电平信号。然后分别将两个信号接至加/减计数器的加计数时钟输入和减计数时钟输入端,进而记录教室里的人数。光控部分是通过一个光敏电阻和施密特触发器构成的电路,当光线较强时输出低电平,光线较弱时输出高电平。多媒体工作状态检测电路则是通过一个线圈来检测多媒体是否在工作,当多媒体开启时线圈会检测出电流进而使输出端输出低电平,而平时则输出高电平。最后将计数部分,光控部分和多媒体控制部分通过一些逻辑关系用逻辑门连起来控制一个电磁继电器进而控制教室里的灯。整个电路所需的电压电流都由直流电源部分提供。其整体方框图如图3所示。

6 总体电路

总体电路则是将人数检测电路部分的输出OUT1、光控电路部分的输出OUT2、多媒体控制电路部分输出OUT3通过一个与门控制一个继电器进而来控制日光灯见附录1所示。图中R1为限流电阻。只有当OUT1、OUT2、OUT3都输出高电平时与门输出高电平使得继电器上有电流才能使日光回路闭合,日光灯开启。也就是说只有当教室有人且光线不足还有多媒体没开时日光灯会亮,反之则不亮。该电路经过Multisim仿真,结果符合设计要求。

参考文献

[1]华成英.模拟电子技术[M].北京:清华大学出版社,2006.2.全书.

[2]阎石.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2006.5.全书.

[3](美)John F.Wakerly.数字设计原理与实践.机械工业出版社,2003.8全书.

[4]王尔乾,杨士强,巴林凤.数字逻辑与数字集成电路.清华大学出版社,2006.11.全书.

[5]俞虹.节能灯光控开关[J].无线电,2006年,第10期:62页.

[6]张晓东.多用途红外线反射开关TX05D及其应用(下)[J].电子世界,2001年,第2期:第44页.

[7]田文俊,田华.介绍一种可逆计数器[J].水文,1996年,第6期:第56页.

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