智能型非實時供電控制系統研究

【核心介紹】隨著電子技術的迅猛發展，市場上的節能產品日益增多，而節能本身對于我國經濟的健康可持續發展就具有重要意義，應該引起全社會的重視。所以為了在日常生活中進一步節能，同時也使人們生活和辦公用電多一層保障，基于單片機控制以及多傳感器檢測可以設計一種比較理想的的解決方案。通過對進出房屋的人分別進行檢測、統計，得出屋內的實時人數，并以此數據為基礎對部分電路與用電器進行非實時通斷電控制，便可在不影響人們生活的前提下，實現節能的目的，同時對人們的用電安全起到一定的保障作用。 　

智能型非實時供電控制系統研究

王鑫，朱元博，肖鵬家，孟羽佳，張森，范長勝^*

（東北林業大學，黑龍江 哈爾濱150040）

摘  要  隨著電子技術的迅猛發展，市場上的節能產品日益增多，而節能本身對于我國經濟的健康可持續發展就具有重要意義，應該引起全社會的重視。所以為了在日常生活中進一步節能，同時也使人們生活和辦公用電多一層保障，基于單片機控制以及多傳感器檢測可以設計一種比較理想的的解決方案。通過對進出房屋的人分別進行檢測、統計，得出屋內的實時人數，并以此數據為基礎對部分電路與用電器進行非實時通斷電控制，便可在不影響人們生活的前提下，實現節能的目的，同時對人們的用電安全起到一定的保障作用。

關鍵詞  紅外線；單片機；節能；用電安全；傳感器   

中圖分類號  TP273     文獻識別碼  A

 

Research on Intelligent Control System of Real Time Power Supply

Wang  Xin，Zhu  Yuanbo，Xiao Pengjia，Meng  Yujia，Zhang  Sen，Fan  Changsheng*

（Northeast Forestry University,，Harbin ，Heilongjiang Province，150040，China）

Abstract  With the rapid development of electronic technology，The energy saving products on the market are increasing increasingly，meanwhile energy saving itself is of great significance to the healthy and sustainable development of our country's economy，what  should be valued by the whole society，especially We should pay attention to energy saving in our daily life. In order to further conserve energy in everyday life, and make people live and work with more protection in the same time, the project of saving energy can be designed based on MCU and multi- sensor detection. The control system that we desgine can be used to detect and calculate the people who come in or out, and how many people  in the house can be recorded in all the time. Then based on the data, the single chip computer can controll part of the circuit and electric appliances power off or on in non real time condition. in the premise of not affecting people’s lives, the more energy can be saved, and we will be more secure when using the electricity.

Key  words  infrared ray; single chip computer; energy saving ;electrical safety;sensor

 

引 言

隨著我國社會經濟的不斷發展，我們對能源的需求日益增加，但隨之而來的一方面是巨大的能源浪費，比如在無人狀態下的家庭用電器待機，以及公共場合，如辦公，教學場所照明管理不合理和不到位導致的巨大能源浪費，據保守估計，每年僅全國高校照明浪費的電能就達到3億KWh,價值可達2億多元人民幣^[1-2]；另一方面，與我們切身相關的用電安全問題日益嚴重，比如每年都有一部分火災是由于無人狀態下用電器過熱或線路老化、用電器老化引起的，對我們的生產生活構成了威脅。

單片機的廣泛應用使得它已經取代計算機成為新一代的自動控制核心，然而單片機除了產生巨大的經濟效益外，更重要的意義在于，單片機的應用從根本上改變著傳統的控制系統設計思想和設計方法^[3-4]。本文提出的智能型非實時供電控制系統便以單片機為控制核心，通過對屋內進出房間的人的檢測與統計，在不影響人們正常工作生活的情況下，實現對部分有人狀態需要接通的電路，即非實時供電電路的控制，達到節能與進一步保障用電安全的效果。

1  系統總體設計

系統總體框圖如圖1所示,該系統由三個大的部分組成，包括傳感器檢測電路、硬件總體電路、外部工作電路。紅外檢測模塊和超聲波測距模塊可以檢測是否有人進出，再由單片機實現計數，將人數顯示在數碼管上，并控制單片機輸出電路，進而控制外部繼電器的通斷，實現對屋內非實時供電電路的控制。硬件總體電路包括單片機工作電路、程序輸入電路、外部中斷電路等集成在電路板上的全部電路，其核心為單片機，單片機的選擇要根據所控制的對象來進行，而結合本項目中的實際情況來看，不需要太多IO口，程序存儲、運行也不需要太大的空間，51系列的單片機就可以滿足^[5]，所以選用STC89C51單片機。該款單片機的特點主要有：高集成度，體積小，高可靠性；控制功能強；低電壓，低功耗，便于生產便攜式產品；易擴展；優異的性能價格比^[6]。外部工作電路具體進行用電器電路的通斷電控制。在安裝系統第一次啟動或發生其他突發情況，導致屋內人數與計數數碼管顯示的人數不符時，可以由外部中斷進行人工干預，調整計數數據。

圖1 系統總體框圖

1.1 傳感器檢測電路

傳感器安裝示意圖如圖2所示,本方案的傳感器部分采用紅外線傳感器和超聲波測距模塊各兩個。紅外線傳感器是一種能探測紅外線的器件, 能把紅外輻射量變化轉換成電量變化。按其工作原理可分為熱電型和光電型紅外傳感器。光電紅外傳感器利用紅外輻射的光電效應制成，采用光電元件,其響應時間比熱電紅外傳感器短得多^[7]。本系統采用漫反射光電型紅外傳感器E18-D80NK，所謂漫反射式是指恒光源發出的光投射到被測物上，再從被測物體表面反射后投射到光電元件上^[8]。紅外線傳感器的好處有抗干擾能力強，準確性好，易于使用。該傳感器在紅外發射頭沒有被遮擋的情況下，即無人通過時輸出低電平；紅外發射頭被遮擋的情況下，即有人通過時輸出高電平。紅外傳感器作為主傳感器，為了判斷人進入還是走出屋子，兩套紅外線傳感器分別裝在家庭防盜門與內門之間，或普通門的內側。兩個傳感器在同一水平面，安裝方向與墻面平行，與門框側面垂直。將兩個傳感器的輸出端分別接到單片機的兩個IO口上，并進行不間斷的掃描，這樣只要檢測兩個傳感器輸出電平變化的先后順序，就可以判斷人的進出，實現計數。如果靠近外門的傳感器先由低電平變為高電平，接著遠離外門的傳感器由低電平變為高電平，則有人進入屋內；反之，則說明有人走出屋子。

超聲波測距模塊作為副傳感器，檢測通過人的身體寬度，判斷是否有兩個人同時通過。本方案選用HC-SR04超聲波測距模塊，模塊采用的是壓電式超聲波傳感器，主要由超聲波發射器和超聲波接收器兩部分組成，它們都是利用壓電材料（如石英、壓電陶瓷等）的壓電效應進行工作^[9-10]。該模塊為直流+5V電壓供電，測量角度15度，可提供2～400cm的非接觸式測距感應功能，測距精度可以高達3mm^[11]。超聲傳感器測距的原理是計算發射和接收聲波信號的時間差，根據超聲波在空氣中傳播的速度來計算障礙物的距離^[12]。兩個傳感器安放在門框兩側，分別計算出通過的人離兩邊門框的距離，避免兩個人同時進出時出現計數錯誤，使主傳感器的判斷更加可靠。

圖2 傳感器安裝示意圖

 

1.2 程序輸入電路

程序輸入電路如圖3所示,該部分電路完成程序的燒錄，選用九個引腳的RS232串行接口和MAX232芯片來實現。串行通信在通信領域被廣泛應用，標準的RS232接口已成為計算機、外設、交換機和許多通訊設備的標準接口，雖然近年來隨著USB口的日趨流行，RS232接口串口作為一種傳統的串口通信口有被取代的趨勢。然而由于它具有較高的性價比和傳輸的可靠性，在傳輸率要求不是很高的情況下，串口通信仍然具有其自身的優勢。同時RS232標準還具有連線簡單、通訊距離長等優點^[13-14]。單片機和電腦之間的串行通信采用了 MAX232 芯片，該芯片是MAXIM公司生產的低功耗、單電源雙RS232發送/接收器，MAX232 芯片內部有一個電源電壓變換器 , 可以把輸入的 +5V 電源變換成 RS -232C 輸出電平所需 ±10V 電壓, 所以采用此芯片接口的串行通信系統只要單一的+ 5V 電源就可以 ^[15]。如此設計的程序輸入電路簡單、可靠。

 

 

 

 

 

 

圖3 程序輸入電路

1.3 單片機輸出控制電路

輸出控制電路如圖4所示,該部分電路包含光耦，MC1413和可控硅。光電耦合器是一種把發光元件和光敏元件封裝在同一個外殼內組合而成的以光為媒介傳輸信號的電-光-電轉換元件^[16]，可以對兩部分關聯的電路進行隔離，使其不會互相干擾。在本系統中采用型號為TLP521-4的光耦，該光耦可以使前段電路和負載端信號有效隔離，避免干擾，增加電路可靠性。MC1413起驅動負載的作用，由七個硅NPN達林頓管組成?？煽毓璺謫蜗蚩煽毓?、雙向可控硅。單向可控硅由四層半導體材料組成，有三個PN結，對外有三個電極：第一層P型半導體引出的電極叫陽極A，第三層P型半導體引出的電極叫控制極G，第四層N型半導體引出的電極叫陰極K^[17]。要使可控硅導通，一是在它的陽極A與陰極K之間外加正向電壓，二是在它的控制極G與陰極K之間輸入一個正向觸發電壓。斷開陽極電源或使陽極電流小于維持導通的最小值(稱為維持電流)便可使其斷開。利用可控硅可以實現小電流控制大電流，所以通過可控硅端口對外部繼電器進行控制。通過端口連接外部電路，使得整體的硬件電路與外部控制電路分離。

圖4 輸出控制電路

1.4 數碼管顯示電路

數碼管是一種由發光二極管組成的段碼型顯示器件。雖然現在段碼型液晶顯示器件占據了數字顯示的大部分市場 ,但由于 LED數碼管具有主動發光、使用溫度范圍寬、抗震性能好等優點 ,在儀器、儀表的數字顯示方面仍然有廣泛的應用^[18-19]。該部分電路采用兩個七段共陰數碼管，分別接P0與P2口，同時在單片機引腳和數碼管引腳直接接三極管，起放大電流的作用，提高數碼管亮度。

1.5 外部控制電路

外部控制電路利用繼電器對非實時供電電路進行通斷控制。普通開關是人用手去控制開關的通斷狀態，從而實現控制電路的通斷，而電磁繼電器通過改變低壓控制電路中電流的有無（或電流的大?。?，可以達到控制高壓工作電路的目的^[20]。本項目要控制交流 220 V 的電路，所以必須利用繼電器將強弱電隔離開，以確保安全。繼電器的工作電壓是直流 12 V。

2  硬件總體電路

硬件總體電路指電路板上的所有電路模塊，包括供電電路、程序輸入、顯示輸出、驅動輸出、外部中斷幾部分。

供電電路較為簡單，采用5V、12V的雙組直流變壓器為硬件電路和變壓器供電。驅動輸出部分采用ULN2003芯片，可以增強單片機帶載能力。中斷控制是單片機最重要的技術之一，實時控制及人機交換等都是通過中斷控制實現的^[21]。外部中斷電路如圖5所示，本系統利用單片機的兩個外部中斷源進行中斷控制，即通過引腳INT0 (P3.2)和 INT1 (P3.3)引入中斷信號。外部中斷源有2種觸發方式，即電平觸發和脈沖觸發^[22-23]，本系統采用脈沖觸發方式，下降沿觸發中斷。

 

圖5 外部中斷電路

3  系統程序設計

主傳感器工作的程序流程圖如圖6所示,通過在同一平面并排安置兩個反射式紅外線傳感器，通過它在有人通過和無人通過時輸出信號的不同，分別統計進入和出去的人數，超聲波傳感器模塊可以在兩個人并排通過時對紅外線傳感器的計數結果進行修正。在屋內人數大于0時，接通電路；屋內人數為0時，斷開電路。

圖6 主傳感器工作程序流程圖

4  結束語

智能型非實時供電系統同時使用兩個紅外線傳感器和兩個超聲波傳感器，主要利用了紅外線傳感器靈敏性高的特點，再經過超聲波傳感器的第二重檢測，修正兩人并排進出時的人數，降低了出錯率，經過測試能夠達到預期效果。系統各個組件價格低廉，結構簡單，使得使用與維護成本低，有著廣泛的應用前景，該系統不僅可以在家庭中使用，還可以應用于學校教室、公司辦公室等場所，更好地實現節能環保的目的，同時進一步保障人們的用電安全。

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