智能型非实时供电控制系统研究

【核心介绍】随着电子技术的迅猛发展，市场上的节能产品日益增多，而节能本身对于我国经济的健康可持续发展就具有重要意义，应该引起全社会的重视。所以为了在日常生活中进一步节能，同时也使人们生活和办公用电多一层保障，基于单片机控制以及多传感器检测可以设计一种比较理想的的解决方案。通过对进出房屋的人分别进行检测、统计，得出屋内的实时人数，并以此数据为基础对部分电路与用电器进行非实时通断电控制，便可在不影响人们生活的前提下，实现节能的目的，同时对人们的用电安全起到一定的保障作用。 　

智能型非实时供电控制系统研究

王鑫，朱元博，肖鹏家，孟羽佳，张森，范长胜^*

（东北林业大学，黑龙江 哈尔滨150040）

摘  要  随着电子技术的迅猛发展，市场上的节能产品日益增多，而节能本身对于我国经济的健康可持续发展就具有重要意义，应该引起全社会的重视。所以为了在日常生活中进一步节能，同时也使人们生活和办公用电多一层保障，基于单片机控制以及多传感器检测可以设计一种比较理想的的解决方案。通过对进出房屋的人分别进行检测、统计，得出屋内的实时人数，并以此数据为基础对部分电路与用电器进行非实时通断电控制，便可在不影响人们生活的前提下，实现节能的目的，同时对人们的用电安全起到一定的保障作用。

关键词  红外线；单片机；节能；用电安全；传感器   

中图分类号  TP273     文献识别码  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

随着我国社会经济的不断发展，我们对能源的需求日益增加，但随之而来的一方面是巨大的能源浪费，比如在无人状态下的家庭用电器待机，以及公共场合，如办公，教学场所照明管理不合理和不到位导致的巨大能源浪费，据保守估计，每年仅全国高校照明浪费的电能就达到3亿KWh,价值可达2亿多元人民币^[1-2]；另一方面，与我们切身相关的用电安全问题日益严重，比如每年都有一部分火灾是由于无人状态下用电器过热或线路老化、用电器老化引起的，对我们的生产生活构成了威胁。

单片机的广泛应用使得它已经取代计算机成为新一代的自动控制核心，然而单片机除了产生巨大的经济效益外，更重要的意义在于，单片机的应用从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法^[3-4]。本文提出的智能型非实时供电控制系统便以单片机为控制核心，通过对屋内进出房间的人的检测与统计，在不影响人们正常工作生活的情况下，实现对部分有人状态需要接通的电路，即非实时供电电路的控制，达到节能与进一步保障用电安全的效果。

1  系统总体设计

系统总体框图如图1所示,该系统由三个大的部分组成，包括传感器检测电路、硬件总体电路、外部工作电路。红外检测模块和超声波测距模块可以检测是否有人进出，再由单片机实现计数，将人数显示在数码管上，并控制单片机输出电路，进而控制外部继电器的通断，实现对屋内非实时供电电路的控制。硬件总体电路包括单片机工作电路、程序输入电路、外部中断电路等集成在电路板上的全部电路，其核心为单片机，单片机的选择要根据所控制的对象来进行，而结合本项目中的实际情况来看，不需要太多IO口，程序存储、运行也不需要太大的空间，51系列的单片机就可以满足^[5]，所以选用STC89C51单片机。该款单片机的特点主要有：高集成度，体积小，高可靠性；控制功能强；低电压，低功耗，便于生产便携式产品；易扩展；优异的性能价格比^[6]。外部工作电路具体进行用电器电路的通断电控制。在安装系统第一次启动或发生其他突发情况，导致屋内人数与计数数码管显示的人数不符时，可以由外部中断进行人工干预，调整计数数据。

图1 系统总体框图

1.1 传感器检测电路

传感器安装示意图如图2所示,本方案的传感器部分采用红外线传感器和超声波测距模块各两个。红外线传感器是一种能探测红外线的器件, 能把红外辐射量变化转换成电量变化。按其工作原理可分为热电型和光电型红外传感器。光电红外传感器利用红外辐射的光电效应制成，采用光电元件,其响应时间比热电红外传感器短得多^[7]。本系统采用漫反射光电型红外传感器E18-D80NK，所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上，再从被测物体表面反射后投射到光电元件上^[8]。红外线传感器的好处有抗干扰能力强，准确性好，易于使用。该传感器在红外发射头没有被遮挡的情况下，即无人通过时输出低电平；红外发射头被遮挡的情况下，即有人通过时输出高电平。红外传感器作为主传感器，为了判断人进入还是走出屋子，两套红外线传感器分别装在家庭防盗门与内门之间，或普通门的内侧。两个传感器在同一水平面，安装方向与墙面平行，与门框侧面垂直。将两个传感器的输出端分别接到单片机的两个IO口上，并进行不间断的扫描，这样只要检测两个传感器输出电平变化的先后顺序，就可以判断人的进出，实现计数。如果靠近外门的传感器先由低电平变为高电平，接着远离外门的传感器由低电平变为高电平，则有人进入屋内；反之，则说明有人走出屋子。

超声波测距模块作为副传感器，检测通过人的身体宽度，判断是否有两个人同时通过。本方案选用HC-SR04超声波测距模块，模块采用的是压电式超声波传感器，主要由超声波发射器和超声波接收器两部分组成，它们都是利用压电材料（如石英、压电陶瓷等）的压电效应进行工作^[9-10]。该模块为直流+5V电压供电，测量角度15度，可提供2～400cm的非接触式测距感应功能，测距精度可以高达3mm^[11]。超声传感器测距的原理是计算发射和接收声波信号的时间差，根据超声波在空气中传播的速度来计算障碍物的距离^[12]。两个传感器安放在门框两侧，分别计算出通过的人离两边门框的距离，避免两个人同时进出时出现计数错误，使主传感器的判断更加可靠。

图2 传感器安装示意图

 

1.2 程序输入电路

程序输入电路如图3所示,该部分电路完成程序的烧录，选用九个引脚的RS232串行接口和MAX232芯片来实现。串行通信在通信领域被广泛应用，标准的RS232接口已成为计算机、外设、交换机和许多通讯设备的标准接口，虽然近年来随着USB口的日趋流行，RS232接口串口作为一种传统的串口通信口有被取代的趋势。然而由于它具有较高的性价比和传输的可靠性，在传输率要求不是很高的情况下，串口通信仍然具有其自身的优势。同时RS232标准还具有连线简单、通讯距离长等优点^[13-14]。单片机和电脑之间的串行通信采用了 MAX232 芯片，该芯片是MAXIM公司生产的低功耗、单电源双RS232发送/接收器，MAX232 芯片内部有一个电源电压变换器 , 可以把输入的 +5V 电源变换成 RS -232C 输出电平所需 ±10V 电压, 所以采用此芯片接口的串行通信系统只要单一的+ 5V 电源就可以 ^[15]。如此设计的程序输入电路简单、可靠。

 

 

 

 

 

 

图3 程序输入电路

1.3 单片机输出控制电路

输出控制电路如图4所示,该部分电路包含光耦，MC1413和可控硅。光电耦合器是一种把发光元件和光敏元件封装在同一个外壳内组合而成的以光为媒介传输信号的电-光-电转换元件^[16]，可以对两部分关联的电路进行隔离，使其不会互相干扰。在本系统中采用型号为TLP521-4的光耦，该光耦可以使前段电路和负载端信号有效隔离，避免干扰，增加电路可靠性。MC1413起驱动负载的作用，由七个硅NPN达林顿管组成。可控硅分单向可控硅、双向可控硅。单向可控硅由四层半导体材料组成，有三个PN结，对外有三个电极：第一层P型半导体引出的电极叫阳极A，第三层P型半导体引出的电极叫控制极G，第四层N型半导体引出的电极叫阴极K^[17]。要使可控硅导通，一是在它的阳极A与阴极K之间外加正向电压，二是在它的控制极G与阴极K之间输入一个正向触发电压。断开阳极电源或使阳极电流小于维持导通的最小值(称为维持电流)便可使其断开。利用可控硅可以实现小电流控制大电流，所以通过可控硅端口对外部继电器进行控制。通过端口连接外部电路，使得整体的硬件电路与外部控制电路分离。

图4 输出控制电路

1.4 数码管显示电路

数码管是一种由发光二极管组成的段码型显示器件。虽然现在段码型液晶显示器件占据了数字显示的大部分市场 ,但由于 LED数码管具有主动发光、使用温度范围宽、抗震性能好等优点 ,在仪器、仪表的数字显示方面仍然有广泛的应用^[18-19]。该部分电路采用两个七段共阴数码管，分别接P0与P2口，同时在单片机引脚和数码管引脚直接接三极管，起放大电流的作用，提高数码管亮度。

1.5 外部控制电路

外部控制电路利用继电器对非实时供电电路进行通断控制。普通开关是人用手去控制开关的通断状态，从而实现控制电路的通断，而电磁继电器通过改变低压控制电路中电流的有无（或电流的大小），可以达到控制高压工作电路的目的^[20]。本项目要控制交流 220 V 的电路，所以必须利用继电器将强弱电隔离开，以确保安全。继电器的工作电压是直流 12 V。

2  硬件总体电路

硬件总体电路指电路板上的所有电路模块，包括供电电路、程序输入、显示输出、驱动输出、外部中断几部分。

供电电路较为简单，采用5V、12V的双组直流变压器为硬件电路和变压器供电。驱动输出部分采用ULN2003芯片，可以增强单片机带载能力。中断控制是单片机最重要的技术之一，实时控制及人机交换等都是通过中断控制实现的^[21]。外部中断电路如图5所示，本系统利用单片机的两个外部中断源进行中断控制，即通过引脚INT0 (P3.2)和 INT1 (P3.3)引入中断信号。外部中断源有2种触发方式，即电平触发和脉冲触发^[22-23]，本系统采用脉冲触发方式，下降沿触发中断。

 

图5 外部中断电路

3  系统程序设计

主传感器工作的程序流程图如图6所示,通过在同一平面并排安置两个反射式红外线传感器，通过它在有人通过和无人通过时输出信号的不同，分别统计进入和出去的人数，超声波传感器模块可以在两个人并排通过时对红外线传感器的计数结果进行修正。在屋内人数大于0时，接通电路；屋内人数为0时，断开电路。

图6 主传感器工作程序流程图

4  结束语

智能型非实时供电系统同时使用两个红外线传感器和两个超声波传感器，主要利用了红外线传感器灵敏性高的特点，再经过超声波传感器的第二重检测，修正两人并排进出时的人数，降低了出错率，经过测试能够达到预期效果。系统各个组件价格低廉，结构简单，使得使用与维护成本低，有着广泛的应用前景，该系统不仅可以在家庭中使用，还可以应用于学校教室、公司办公室等场所，更好地实现节能环保的目的，同时进一步保障人们的用电安全。

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