摘要：世界性的能源危机使得节能变得愈加重要。为了提高电能的利用效率，需要设计出可附加在普通荧光灯上的控制系统，通过感应人体位置以及光线亮暗来智能调节荧光灯的亮灭。本文在传统的HC-SR501人体红外感应模块上进行了外部改进，实现了全方位的人体检测，不仅可对人体动作进行感知，还可感知静止不动的人体。充分体现了人走灯灭的控制要求，实现了电能的充分利用。
关键词：HC-SR501；智能调节；人走灯灭；设计
在科学技术逐渐发展的背景下，人们提高了对智能家居的认识。而智能化实现的关键一环即传感器的精准检测与智能系统的精确控制。于是，我们根据热释电感应模块的工作原理对其进行了外部改装，使其可以全方位感知人体，实现了传感器的精准检测。我们采用微处理器将光敏元件、红外传感器采集到的光信号和感应信号通过算法处理来控制电源供电，实现荧光灯的智能开关和亮度调整，极大地减少了电能的损耗。且采用了算法改进措施，避免了黑暗状态下突然开灯引起的眼睛不适、闪光等现象。
1人体红外感应模块HC-SR501的改进方案与设计
1.1 HC-SR501的原理
红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生信号。人体都有恒定的体温，所以会发出特定波长10um的红外线，该波长的红外线通过菲涅尔滤光片增强后聚集到红外感应源上，即输出感应信号。所谓热释电效应，即当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷。这种由于热变化而产生的电极化现象称为热释电效应。
1.2模块优缺点
优点：本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好，价格低廉。
缺点：被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收。环境温度和人体温度接近时，探测灵敏度下降。
1.3 HC-SR501的改进方案
结合红外感应源的工作原理，我们利用其缺点对其进行改进，我们采用小型直流电机带动黑色遮挡物放置于红外感应源之前，通过PWM控制电机旋转速度，即调节遮挡物遮挡频率进而实现静止人体检测。其原理即通过黑色遮挡物不断的改变红外感应源所接收到的人体辐射，即使人体静止于检测环境中，红外探头接收到的人体辐射也是变化的。
1.4红外模块控制系统的设计
图1 红外模块控制系统设计框图
图2 软件流程图
图1为红外模块控制系统的设计框图。根据资料分析，HC-SR501有两种触发方式，分别为可重复触发方式以及不可重复触发方式。本文采用可重复触发方式：即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围内活动，其输出将一直保持高电平。
由于该模块存在封锁时间，即在每次感应输出后，会在一个时间段内不接受任何感应信号，默认封锁时间为2.5s。如果红外发生误判断单片机将会输出0V，出现荧光灯的闪灭。为了避免这种情况的出现，我们采用软件延时的方法将硬件封锁时间跳过。
1.5软件延时设计
本文采用STM32内部时钟进行定时，为了充分的跳过红外传感器的2.5s封锁时间，选用库函数delay定义一个5s延时。即当红外模块检测到人体辐射消失后，依然会保持荧光灯点亮状态，如果5s后依然没有检测到人体辐射，才关闭荧光灯。程序流程图如（图2）：
2硬件系统设计
2.1 STM32F03ZET6最小系统
STM32F03ZET6是基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器，LQFP-144封装，高达72M的频率,数据,指令分别走不同的流水线，以确保 CPU运行速度达到最大化，通过片内BOOT区,可实现串口下载程序(ISP)，片内双RC晶振,提供8M和32K的频率。
2.2 PHILIPS电子镇流器
PHILIPS电子镇流器额定工作电压220V，工作频率为50HZ，特别适合中国市场。优化的电路匹配设计，具有更高的发光效率有利于更好的节能。无频闪，能为用户提供更舒适的环境，有利于保护视力。其宽电压设计适合中国需求184-264V的安全电压，符合电磁干扰电磁
兼容标准。具有可靠的电气和机械性能，光输出量>90%。
图3 电子镇流器工作原理图
2.3 光敏模块
光敏模块可检测周围环境的亮度和光强，灵敏度可调，其工作电压为3.3V-5V，单片机可为其供电。比较器采用LM393芯片，工作性能稳定。其既可输出数字量，亦可输出模拟量。数字量可以直接驱动继电器构成光电开关，而模拟量可获得环境光强更精确的数值。
2.4 光电传感器
光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。本文利用两组光电传感器构造出一个出入人数检测装置。该装置可以记录出入该房屋的人数，并通过液晶屏显示屋内人数。
2.5 12864液晶显示模块
FYD12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国际一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128*64，内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集，利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。
3 测试分析
通过对该“人走灯灭”智能灯控制系统的实验结果可以发现，该系统充分做到了“人走灯灭，人来灯亮”的设计理念，很好的节约了电力资源。由于该系统在设计初期的取材具有广泛性与普遍性，加之其较为简洁的移植性，使得该系统方便大规模与现实生活所对接，从真正意义上做到节约资源。同时，本文着重介绍了改进型的红外传感器，经过实验验证，改进型的红外传感器相当好的完成了对人体的检测，无论是走动过程中的人还是静止学习的人，均可被可靠检测。因此，在现阶段智能灯控制系统的设计中，通过改进型红外传感器的使用，可以精确检测人体，从而降低该控制系统成本，使得其具有广阔的市场，对推动智能家居行业的发展，满足人们的基本需要有积极作用。
4 总结
总而言之，在智能灯控制系统控制中，检测模块作为智能控制的关键，如何能在精确检测人体的基础上尽可能的节约制造成本，才是大势所趋。针对国家电力资源浪费现象愈加严重的背景，更加智能、节能和可靠的智能灯将代替传统荧光灯逐渐进入人们的视线。在AI飞速发展的浪潮下，智能化作为当下最热门的话题，智能灯控制系统也必将成为人们关注的焦点。
参考文献
[1]李志凯,江桂升,余丽红,黎建华.基于STM32的智能家居控制系统设计[J].电脑与电信,2018(12)
[2]石强,唐军.融合热释电红外传感器与双目系统室内人体检测追踪方法的研究[J].新型工业化,2018,8(04)
[3]杜文略. 基于热释电红外探测器的人体方位及动作形态检测系统设计[D].中北大学,2016.
论文作者:张胤禄,王金鹏,杨家林,刘正宇,李俊桥
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/8
标签：人体论文; 感应论文; 模块论文; 控制系统论文; 荧光灯论文; 智能论文; 传感器论文; 《电力设备》2019年第6期论文;