基于四元热释电传感器的空调节电无线控制系统设计

孙天佑　朱明阳　江楠

【摘 要】本文针对公共区域内空调在无人情况下长时间运行造成电能浪费的问题，提出了一种以单片机为核心的基于四元热释电传感器的空调节电无线控制系统设计方法。本文硬件设计部分介绍了系统总体硬件电路设计、四元热释电传感器硬件电路设计、无线蓝牙通信硬件接口电路设计，软件设计部分给出探测器和控制器主程序的工作流程图。本设计的实际性能通过长时间使用得到验证，达到了预期的效果。

【关键词】单片机；热释电传感器；蓝牙通信；空调节电控制器

【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

当前空调的使用已经十分普及，为了达到节能降耗的目的在空调系统中采用了如变频等技术，但是经过分析事实上导致空调耗电的另一个主要的原因是空调在无人的情况下开启时间过长，对于象办公室、实验室、阅览室等这样的公共区域这种情况更易发生，实际上造成了空调额外消耗相当的电能，为达到为空调系统进一步节电的目的，本项目设计基于四元热释电传感器的空调节电无线控制系统以满足在公共区域内的空调系统的节电以及家庭空调的进一步的节电监测和控制需求。

1 总体设计

本项目设计采用最新的四元热释电传感器是为了确保对人员活动探测的可靠性高，整个系统做成探测器和控制器两部分，探测器和控制器之间使用蓝牙通信，探测器和控制器均采用单片机系统设计，本空调节电监测控制系统之所以设计成探测器和控制器这分离的两部分就是考虑到不同的建筑物室内结构差异比较大加之空调的具体安装位置有各不相同，人员频繁活动区域也各有规律，在这种情况下我们实际安装时可以将控制器放在离空调较近的地方，同时将探测器放置在人员频繁活动区域的顶部，这样大大增加了系统的可靠性。本设计重点在人体红外探测器和可关闭空调的控制器以及设计探测器和控制器之间的蓝牙通信接口，重新进行相关的硬件系统和软件系统设计以完成一个完整的空调节电监测控制系统（图1）。

探测器须包含如下结构：热释电红外传感器检测与转换电路、蓝牙通信模、声光报警电路、单片机、复位电路及相关的控制管理软件组成；它们之间的构成框图如图2所示。

探测器上的四元红外热释电探头将人体辐射的红外光转换成电信号，经放大电路、比较电路最终送至C8051F410单片机。在单片机内，经软件处理、判断等环节实时发出LED光信号以表示是否有人活动，同时通过蓝牙通信模块将此状态发送给控制器。当探测器正常情况下无法联络到控制器或者探测器自检出现故障时则驱动蜂鸣报警电路以通知用户出现故障，直至排除为止。

控制器须包含如下结构：手动按钮检测与转换电路、蓝牙通信模、空调红外遥控电路、蜂鸣报警电路、单片机、复位电路及相关的控制管理软件组成；它们之间的构成框图如图3所示。

控制器上的按钮检测转换电路将按键情况电路最终送至C8051F410单片机。在单片机内，经软件处理、判断等环节实时显示在数码管上以验证按键操作，同时通过蓝牙通信模块接收控制器发来的控制信号以决定是否关闭空调，如果需要关闭空调则通过红外遥控电路发射特定的红外编码关闭空调。当控制器正常情况下无法联络到探测器或者控制器自检出现故障时则驱动蜂鸣报警电路以通知用户出现故障，直至排除为止。

2 系统硬件选择

2.1 四元热释电传感器的原理特性

四元热释电红外传感器在每个探测器内装入四个探测元件，并将四个个探测元件串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10～20米范围内人的行动。

四元件热释电传感器将两个双元件传感器组合使用时，实际上可以增加探测范围。人体高度约1.5～2.0m，在进入检测区时被两个传感器检测到，经电路（信号处理）后分别输出高电平，则经过与门后输出为高电平，此高电平用作输出信号。一般的小动物如猫、狗等，其高度不超过0.6m，由于其自身发出的红外信号较弱并不会被四元热释电传感器识别，输出的信号仍为低电平，则无输出信号，这样可大大提高误报率，增加可靠性（图4）。

2.2 PIR结构特性及安装

红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感， 而对于横切方向 （即与半径垂直的方向）移动则最为敏感. 在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度是极为重要的一环。

红外线热释电人体传感器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系.。正确的安装应满足下列条件：

1）本系统建议四元红外线热释电传感器吸顶安装，对于普通楼房层高来说是比较合适的，对于特殊的建筑层高较高的可以选择吊装的方式，保持距离离地面2.5米左右的高度。

2）四元红外线热释电传感器远离室内热源（如冰箱、火炉等）气温变化敏感的地方。

3）四元红外线热释电传感器要避免安装在强气流活动的地方区域（如窗口），否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起错误的反应。

3 硬件电路实现

本设计的电路原理图主要包括两部分，即探测器和控制器两部分如下图5所示。

4 软件的程序实现

按上述系统的工作原理和硬件结构分析可知程序工作流程图主要包括探测器的程序流程图和控制器的程序流程图这两个方面，如下图6和图7所示：

探测器主程序实现的功能是：当单片机无法检测到外部热释电传感器送来的脉冲信号后，表示空调室内已经无人，从而经过单片机内部程序处理后，驱动LED输出并通过蓝牙呼叫控制器，如果有应答则发送关机指令，如果没有应答则发出声光报警表示（下转第41页）（上接第10页）通信出现故障同时继续呼叫直至控制器应答为止。

控制器主程序流程图如图7所示具体实现功能为是：当单片机接收到探测器发来的蓝牙指令后则控制红外模块执行此指令，如果没有接收到探测器发送的蓝牙指令则判断当前是否需要学习新的控制命令，如果是则进入学习状态直到学习完成为止，如果不是则继续判断等待探测器呼叫。

通过多次测试和修改探，测器和控制器设计程序的结果均达到了预期的目的，在程序设计过程中考虑到了输入输出信号在工作中的不稳定因素以及各种的干扰，都应该在程序设计或硬件外围电路设计中进行了必要的调整。在设计过程中应该考虑的其它问题（如蓝牙通信的问题以及控制器红外命令发送问题）都已经进行了对应的配置与调整，所以根据实际的硬件仿真来看实现了设计功能。

5 结语

本次设计的一种基于四元热释电传感器的空调节电无线控制系统，由探测器和控制器组成，探测器和控制器均以C8051F410单片机为核心，探测器内置四元红外热释电传感器。控制器内置红外遥控模块，探测器将室内人员活动情况通过蓝牙通信发送给控制器由控制器控制空调机关机或在低功耗运行。该系统的最大特点就是能够实时探测用户对室内空调的使用情况从而实现对空调的运行控制管理达到节能降耗的目的，该系统安装方便、智能性高、误动作率低等，应用前景广阔。

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[责任编辑：杨玉洁]