红外控制（精选十篇）
红外控制 篇1
随着科技的发展, 楼宇智能化已形成一种潮流。声光控制延时开关更是被广泛用于住宅楼、办公楼、教学楼等楼梯通道, 以及家庭的卫生间等不需要长时间照明的场所。这种开关主要是通过声音信号转换成电信号来控制灯的亮灭[1]。当光线过暗时, 脚步声或其它声音都会被检测到, 都能控制延时开关动作, 使其由断开到接通, 楼道的灯亮起来, 延时时间一过, 灯就会自动熄灭;当光线亮度足够时, 无论声音多大都不能点亮。这种开关方便, 节能, 因此被广泛使用。但这种开关有一个很大的弊病, 就是只要光线亮度不够, 无论什么声音被检测到, 它都会动作, 无法识别是否认为需要, 这就造成阴雨天、夜晚时, 雷声、汽车喇叭声、鞭炮声等各种能被检测得到的声音信号都会使其动作, 造成很多无谓的点亮, 既有损开关的寿命, 又不能起到很好的节能作用。
2 设计思路
为有效解决市场上声光控制延时开关的误动作问题, 使其能更满足人为需要, 节能需要, 本人在原有声光[2], 即在光线亮度不够时, 只有有人的因素出现时, 声光控制开关才能动作;没有人, 无论声音多大, 光线多暗, 开关都不动作。这就有效的控制了开关的误动作, 更人性化;如果只用红外光来控制又有可能被猫啊, 狗啊的经过引起误动作, 因此采用红外声光控更为安全、可靠。
3 设计原理
3.1 概述
红外声光控制延时开关原理如图1所示。
电路主要器件有红外接收检测器件X 1, 型号为L H I778, 数字集成电路CD4011及受话器, 光敏电阻。电路结构简单, 原理可靠, 实用性强。
红外声光控制延时开关的主要功能是用“人”来控制开关的开, 几分钟后自动的灭, 并且“人”也不能随心所欲, 什么时候想开就开, 只有在光线亮度不够, 又有声音的前提下才开, 因此整个电路就是将人体发出的红外信号、声音信号处理后变成电信号, 控制电子开关的开, 据电路主要器件, 可将电路分为以下几个单元:方框图如图2所示。
3.2 原理分析
3.2.1 光控
为使开关在环境条件为光线充足, 亮度足够的时候断开, 由光敏电阻R9和定值电阻R8等元件组成光控电路[3]。光敏电阻R9在光线亮度足够时, 阻值很小U 1 D的12脚、13脚为低电平, 输出11脚为高电平, 所以U 1C的8脚为高电平, 对照原理图可知U 1C的9脚也为高电平, 因此U 1C的输出端第10脚为低电平, 三极管他截止, 继电器不具备光控条件不动作, 电子开关处于断开状态, 灯不亮。
3.2.2 红外控制
为使开关在光线亮度不够, 但无人经过时处于断开状态, 由红外检测元件L H I778及其配套元件构成了红外控制系统[4]。红外检测元件L H I778具有低噪声, 高响应度的特点:热释电红外传感器在热辐射能量发生改变时, 会产生电荷变化。这个效应被用来探测红外辐射的变化。这些热释电传感器应用于人体移动探测器[5]。本设计选用的是德国海曼热释电红外传感器, 其性能指标如下:
工作波长7-14μm
平均透过率>75%
输出信号>2.5V
(420°k黑体1H z调制频率0.3-3.0H z带宽72.5db增益)
噪声< 200m V
(mV p-p) (25℃)
平衡度<20%
当无人出现时, 红外接收器X 1输出为高电平, U 1C的8脚为高电平, 同时U 1C的9脚为高电平, 因此U 1C的输出端第10脚为低电平, 三极管T 1截止, 继电器不动作, 不具备红外控制条件, 电子开关处于断开状态, 灯不亮。
3.2.3 声控
为确保电子开关只有在环境足够暗, 且有人, 才能接通, 避免猫狗等经过时误动作, 由驻极话筒等元件构成拾音电路[6]。当环境足够暗, 有人的条件下, U 1 D输出低电平, 红外接收器X 1输出低电平, 这时如拾音电路检测到声音信号, U 1C的8脚为低电平时, U 1C的输出端10脚输出高电平, 三极管T 1导通, 继电器J 12工作, 常开触点闭合, 形成通路, 灯才会被点亮。
综上所述, 红外声光控制延时开关在光线亮度足够或没有人的情况下, 即使U 1A检测到声音信号, 由于U 1C第8脚为高电平, 所以U 1C第10脚始终为低电平, 三极管T 1截止, 继电器不工作, 电子开关处于断开状态, 灯不亮。
4 创新点
声光控制延时开关, 早已被广泛用于住宅楼道, 办公楼, 教学楼, 宿舍楼的楼道及卫生间等场所, 但由于只限于声光控, 导致很多时候, 无人需要时, 各种外界声音信号如雷声、汽车鸣笛声、鞭炮声带来的误动作, 设计时基于这种现象, 加上了人为控制因素—红外控制。由红外检测元件, 声音控制元件, 光控元件组合使用, 做到光线够亮, 无人, 无声时延时开关均不动作, 保证只有在光线暗, 人需要时, 用声音控制灯, 更方便, 更实用, 更节能;同时为了更好满足用户需求, 在电路输出端选用了继电器, 从而增加了开关控制的灯的种类, 使这种开关不但可以控制白炽灯, 还可以控制节能灯, L E D灯, 给用户更大的选择空间, 也为推广L E D的使用, 促进节能环保做了贡献。
5 结束语
本文是市级科研课题《节能灯座实用性应用研究》的成果之一。虽然在理论上没有更高, 更深的探究, 但在创新实用性上, 可靠性上及由此带来的社会效益上都有着独到之处, 如将此原理转化成产品, 将会对节能减耗, 绿色环保等方面起着巨大的促进作用, 也更加方便实用。
参考文献
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[5]赵家贵.传感器电路设计手册[M].北京:中国计量出版社, 2002:50-70.
红外线节能灶控制成本节能环保 篇2
文章来源：
厨师在配菜、加料、装盘或者洗锅的时候不需要大火，但是为了保证出菜的速度与质量，厨师往往不会在做这些事的时候顺手关闭炉火，而且炉火一旦关闭再次点燃也很麻烦，频繁关闭炉火也会对炉灶的使用寿命有一定的影响。
种种原因一综合，就造成了餐饮厨房燃气空烧的现象。根据统计，厨师工作的时候炒锅真正在火上的时间很短，空烧时间久占到了一半左右，浪费了大量的燃气，增加企业成本的同时也向环境排放了不少的废气，增高了厨房的温度，危害了厨师的身心健康，影响了工作效率。
宏诚红外线节能灶采用先进的预混式燃烧，改变了以往炉灶边混合边燃烧的方式，燃气在燃烧之前就与足够的空气得到了充分的混合，燃烧起来剧烈又充分，同时做到无焰燃烧，减少了厨师转身时烘烤后背的苦楚。
产品还采用了余火收集再利用技术，通过炉膛镶嵌分子板吸收热量，高温的分子板产生红外辐射对锅底进行再次加热，使剩余热量得到了充分的利用。
红外控制 篇3
为了提高红外探测器在实际工作中的性能和稳定性，设计了一种针对高发热红外精密传感器的自动调节探测器外围温度的装置。该装置利用 C8051F350单片机对半导体制冷片进行制冷、制热和不同功率运行的控制，保持探测器外围温度的稳定。通过PID算法编程，结合多点测量实现环境温度的均匀性和稳定性。实验结果表明，在一天的工作时间内，该装置可使探测器外围的温度控制在20 ℃，控制精度为±0.5 ℃，显著提高了探测器的性能。
关键词：
半导体制冷； MCU； PID算法； 性能
中图分类号： TP 273.5文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.02.012
Abstract：
In order to improve the performance and stability of the infrared detector， we design a temperature contoller to adjust the external temperature of the infrared detector intelligently. This equipment uses C8051F350 MCU to control refrigeration， heating and different power operation of semiconductor chilling plate. The uniformity and stability of environmental temperature of infrared detector is realized by PID algorithm and multipoint measurement. The experimental results show that the peripheral temperature of infrared detector was maintained at 20 ℃ with deviation of 0.5 ℃ during oneday working time， and demonstrate that this equipment could significantly improve the performance of the detector.
Keywords： semiconductor refrigerating； microcontroller unit （MCU）； PID algorithm； performance
引言
高稳定性的温度控制是红外高发热精密探测器模块的关键技术之一，提高探测器外围的温度稳定性有助于提高探测器的性能[1]。红外探测器在测量时的性能会随着外界温度变化和自身发热产生影响，温度变化会影响探测器的输出噪声、信号增益和输出信号的信噪比等。因而需要一个高精度高稳定性的恒温控制装置来提高探测器外围温度的稳定性。其设计通常包括两个方面：一是保温设计，通过增大温控箱外壁的热阻，减少内外的热交换，减少不必要的损耗；二是通过TEC制冷片进行制冷或制热，维持箱内温度的恒定。本文提出一种基于C8051F350控制芯片，结合PID控制算法的设计[2]，使探测器外围的控制目标温度为20 ℃，控制精度为±0.5 ℃。
恒温箱硬件设计框图如图1所示。整个恒温箱装置主要由恒温箱的核心控制模块、电源模块、温度采集模块、TEC制冷片及其驱动模块、LCD显示模块和通讯模块组成。
模块由LM2475M5提供DC 5 V，然后通过TPS7333QD和LM11173.3分别提供DC 3.3 V和AC 3.3 V。温度采集模块是用于实时检测温控箱内多个不同位置的环境温度。LCD是用来显示用户设定状态信息和箱内实际温度。根据实际温度和设定温度值进行比较，所得的差值通过PID算法进行处理，然后输出适当占空比的PWM波来驱动半导体制冷模块，使半导体制冷或者制热，以达到设定的工作温度环境。通过通讯模块向上位机发送当前工作状态并且接受上位机的指令。
2硬件电路设计
2.1电源模块
MCU部分电路的工作电压需要AC 5 V、AC 3.3 V和DC 3.3 V电压供电。首先通过开关电源把市电220 V/50 Hz转化为直流电24 V。通过LM2475M5提供DC 5 V给LCD显示模块供电，然后通过TPS7333QD和LM11173.3分别提供DC 3.3 V和AC 3.3 V给C8051F350数字部分和模拟部分供电。另有大功率的直流电源直接为制冷片驱动模块提供工作电压。
2.2温度采集模块
PT100作为温度传感器，具有稳定性能高、响应快、测量精确度高等诸多优点，工作范围-200～650 ℃。PT100是电阻式温度传感器，具有正电阻系数。设计中实际控温范围可以达到15～55 ℃[3]。由R16和R17两个精密电阻分压得到AIN.Ref的输入电压，AIN.Ref做为差分测量的一端，ADIN1和ADIN2做为差分测量的另一端，惠斯登电桥部分原理图如图2所示。由于电压值比较微弱，直接将信号送入A/D会影响测量精度，所以需通过MCU内部的PGA放大得到合适的电压值。在实际使用中，由于PT100并没有良好的一致性，同时随着PT100等元器件的老化，每个PT100在同一温度下测出的电阻是有区别的。为了改进温度计算方式，可以使用不同的参数来保证每个PT100具有良好一致性。根据以往对于PT100温度和电阻关系研究，在该装置正常工作的范围内，可认为温度和测量电压成一定的线性关系。温度采集是采用惠斯登电桥，因此温度和A/D采集的电压成正相关，MCU需记录两个温度下的采样电压值即可标定出 Ka和Kb的值，得出
T=Ka·Mea.AD+Kb（1）
式中：T为测试温度；Mea.AD为A/D采集的电压值。通过测量箱内两侧不同位置的温度值，可以更好控制箱内温度的均匀性和稳定性。
2.3TEC制冷片及其驱动模块
TEC制冷片选用的是4片TEC112076。驱动模块采用4片APM3020P、APM2023N和三极管构成的H桥驱动电路驱动半导体制冷片，如图3所示。
半导体制冷片又叫做热电制冷片。半导体制冷是以温差电现象为基础的制冷方式，利用半导体材料的Pettier效应[4]，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，实现制冷或加热目的。
本恒温箱选用TEC112076，可以使用在可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。值得注意的是，制冷片正在工作时不得瞬间通反向电压，必须停止工作5 min后，再通反向电压。
在TEC驱动电路上的设计，利用MCU输出的PWM波，由MCU端口控制三极管S8050的工作情况，从而控制APM3020的开关情况。APM3020P的最大工作电压为30 V，最大电流为11 A。APM2023N的工作情况则完全直接由MCU输出的PWM波控制。APM2023N的最大工作电压为20 V，最大电流为12.8 A。TEC112076最大工作电压为15.4 V，最大工作电流为6 A。该恒温箱采用12 V稳压电压供电，最大输出电流为16.8 A。当温控恒温箱全功率工作时，流经MOS管的电流约为8 A，满足MOS管技术指标。
3软件设计和算法
3.1软件设计
基于C8051单片机的温控模块的恒温箱软件控制流程图如图4所示。
电路部分主要完成以下功能：上电以后根据EEPROM内部数据自行控温，也可以在线设定目标温度值。单片机先采集温度，通过 PID控制算法，产生合适占空比的PWM波，控制MOS管的开关工作情况，从而改变半导体制冷片的供电电压。控制板上电启动后，进行初始化，通过温度采集模块采集PT100上的电压差从而计算出当前温度值，由数码管进行显示，并通过串口通讯把数据传输到上位机。同时 MCU从EEPROM读取设定的温度值，将此刻温度值与设定的温度值进行比较，在温差超过3℃时，为了加快升温或降温的速度，使半导体制冷片进行全功率工作。在温差在3℃以内时，进行PID调节，调节PWM的占空比，对半导体制冷片进行加热或制冷控制。
3.2PID算法实现以及参数标定
PID是常用的控制器，由于外界环境的干扰，该恒温箱需要进行闭环控制，要想达到设定目标，整个过程的控制和调节就必须不断进行。
PID的数学模型表达式[5]为
U=KP（e+1Ti∫t0edτ+Tddedt）（2）
式中：KP为比例系数；Ti为积分系数；Td为微分系数；e为设定值与反馈值的差值。
在实际的MCU控制中，需要用到数字式PID。将PID控制器的传递函数中的微分项和积分项进行离散化处理，就可以实现数字式PID。
PID控制编程表达式[6]为
Δu（n）=Kp[e（n）-e（n-1）]+Kie（n）+Kd[e（n）-2e（n-1）+e（n-2）]（3）
式中：Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数。
针对传统的PID经验调节，找到合适I和D参数并非易事。根据经典的ZieglerNichols法则，构建闭环控制回路。将调节器积分时间设定为无穷大，微分时间设定为零，比例度取适当值，使系统按纯比例作用运行。稳定后，适当减小比例度，在外界干扰作用下，寻取系统出现等幅震荡临界状态，此刻的Kp为临界比例度，Tc为震荡波形的临界周期，然后根据公式计算控制器参数[7]。
4实际应用以及测试数据
在安检仪设备中，红外探测器位于设备内部。仪器内部由于各种设备较为密集，温度较室外高，并且白天和夜晚温差较大。探测器性能受温度影响较大，为了得到稳定的性能，采用上述恒温控制装置对探测器进行温度控制。在实验中，通过改变温控箱内温度得到信号和噪声电压测试数据，如表1所示，N（人）为人体位于探测器前端时候的噪声电压，S（人）为人体位于探测器前端时候的输出直流有效值，S（波）为吸波墙位于探测器前端时候的输出直流有效值。实验对象为人体，人体距探测器为1 m并紧靠吸波墙，调节温控箱内温度后稳定30 min再进行测量。在实际测试中，由于探测器输出电压值变化较小，我们采用探测器级联放大电路进行测试。所需测数据为人位于吸波墙时示波器读取的直流有效值Vd、交流有效值Vn和无人时探测吸波墙的直流有效值Va，则Vs=Vd-Va，得到
SNR=10lg（Ps/Pn）=20lg（Vs/Vn）（4）
式中：Vs为探测人体时候的探测器输出的变化值；Vn为探测人体时探测器输出的噪声有效电压值。
由测试数据可见，温度对信号的增益、噪声幅度和输出信噪比均有较大影响，如图5、图6和图7所示。温度越低噪声越小，待测物的信号越强，信噪比越高。图8所示为温控箱在一天8 h内室温和箱内温度的变化曲线，温控箱内的设定控制温度为20 ℃。从图可以看出，本装置能有效控制箱内温度稳定。
5总结
本文介绍了一种基于以C8051单片机为核心，结合多点测温和多路控制达到自动控温，并可以根据两侧温度差异自行调节，从而使箱内的温度稳定。经测试可以用于保证探测器外围温度的稳定，控制误差在0.5 ℃以内。在实际的应用中，减少了输出噪声，提高了探测器的增益和输出信噪比，有利于整个恒温箱的稳定工作，具有一定的实用价值。
参考文献：
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红外智能计数节能控制开关的设计 篇4
随着社会生产力的不断发展和全球范围内工业化的不断深入, 经济发展对于能源的依赖性日益加重, 然而, 全球的能源储备量却急剧下降。在这种大环境下, 节能减排日益成为国际上议论的核心话题。由此可见, 能源浪费已经成为各国亟待解决的问题。然而现在的人们节约能源的意识普遍不强, 日常生活中对于电能的浪费随处可见。其中, 不必要的长明灯现象就是电能浪费最典型的例子。
2006年初, 政协九届委员董秦明确指出, 在单位不经意之中所形成的浪费尤其是不必要的长明灯现象, 是一笔巨大的支出, 这种现象严重违背了我国建设资源友好型社会的政策, 是政府部门亟待解决的问题。同时山东经济学院的孙如教授给记者们算了这样一笔账:一座使用面积为5 000m2的教学楼, 一般每10m2配置一盏40W的灯具, 若按“长明灯”每天浪费两小时计算, 一天就浪费电能40k W·h, 以学生一年在校9个月计算, 每座教学楼一年将浪费电能约10 800k W·h。
国内部分学校也意识到了教室照明中存在的巨大浪费, 采取了各种各样的管理方式, 企图来杜绝这种浪费。如:费用包干制、任课教师负责制、组织勤工俭学学生或聘用专职人员进行专门管理, 拉闸限电等等。许多学校都采取过这些方法, 但始终没能长久坚持下去, 也就没有取得理想效果。国内产品研究也存在诸多问题。
而在日本, 像松下、索尼、东芝等大型的电子公司都有自己的智能办公大楼。这些智能化建筑能精确地控制建筑物内的能源消耗, 使能源浪费的程度降到最低。在实际应用中, 英国希思罗 (Heathrow) 国际机场T5候机楼是一个较为成功的案例, 航站楼范围内的大部分的照明, 都采用了西门子instabus KNX/EIB系统实现照明控制。但是该系统的设计原理复杂繁琐, 操作人员的知识水平要求过高, 维修太难, 成本巨大, 相较于高校应用的节能控制显得太过于高端, 费用也无法承受。
因此设计针对目前高校教室“人走不关灯”的电能资源严重浪费现象, 开发了一套人性化智能管理系统, 提高用电效率, 实现手自一体的灯光控制, 功能较完善的教室智能控制节能开关。
2 系统总原理设计
红外智能计数节能开关分为检测模块、处理模块和控制模块3大部分。
该系统利用开关电源由220V降压到24V供电。控制模块安装在照明设备电路的干路上, 且控制模块的固态继电器、光敏电阻和手动开关串联。根据室内实际人员有无来控制单片机上电磁继电器的通断, 同时结合光敏开关和手动开关, 三重控制来自动控制照明灯电路, 并实现对照明灯的自动关闭和部分情况下的自动接通。由检测装置对进出教室的人员进行检测, 并将产生的脉冲信号传送给处理模块分析处理得出结果, 再按预先设定好的程序控制控制模块, 实现固态继电器的通断切换。最终实现智能节能等目的[1,2,3]。系统主电路如图1所示。
3 系统方案设计
3.1 检测模块的设计和原理
3.1.1 红外光电传感器
本文选用的是PES-R18NO3MD NPN (回归反射常开型) 红外光电开关。
主要技术参数:供电电源:DC:10~30V;输出电流≤200m A;检测距离:3m;环境照度:白炽灯≤3000LX/日光≤10000LX;反射类型:漫反射型
工作原理:反射式光电开关是集发射器与接收器于一体, 光电开关发射器发出的光线经过反射镜, 反射回接收器, 当被检测物体经过且完全阻断光线时, 光电开关就产生了检测开关信号。
本文中传感器共两组4个 (分为A、B两组) 。分别处于水平和垂直位置, 传感器串联连接, 以提高检测精确度。将检测数据传送给处理模块。
3.1.2 门磁开关
该课题选用的是MC-18常开型门磁开关。
主要技术参数:尺寸:19×15×8 (mm) ;主要材料:ABS外壳, 日本OKI干簧管;工作距离:15mm-+5;固定形式:螺丝;供电电压:5V直流;最大承受电流:0.5A;最大承受电压:100V;最大承受功率:10W;使用寿命:100万次。
工作原理:门磁开关主要由开关和磁铁两部分组成, 开关部分由磁簧开关经引线连接, 定型封装而成;磁铁部分由对应的磁场强度的磁铁封装于塑胶或合金壳体内, 当两者分开或接近至一定距离后, 引起开关的开断从而感应物体门磁开关位置的变化。
该开关置于检测模块电源的干路上, 其两个部分分别置于门框和门上, 计算好位置和角度安装, 通过开关门实现门磁开关的通断, 控制红外传感器信号传输的通断, 进而消除开关门时对检测结果的影响。
3.2 处理模块的设计及原理
3.2.1 单片机
处理模块主要电子元器件是STC89C52R型单片机。工作电压:5.5V~3.3V;工作频率范围:0~40MHz。
通过编写程序对接收的信号进行分析处理, 然后控制控制模块实现通断的切换。人员进出房间触碰到两组红外传感器的顺序不同, 以此识别是进还是出。红外传感器将进门的信号传递到单片机, 单片机进行编码转化, 与之相连的计数程序进行加1运算。当人走出时, 所触碰两组传感器的顺序正好相反, 此时计数器程序执行减1运算。当运算结果为初始数据时, 单片机会发出一个指令, 开关自动断开, 从而达到“人走灯灭”的目的[4]。
图2是STC89C52R型单片机引脚图。
3.2.2 光耦电路
由于光电传感器的电压是24V, 输出电压也是24V, 而单片机的工作电压是5V。光电传感器的输出电压远高于单片机工作电压, 所以需要一个光耦电路进行转换。光耦电路图如图3所示:
3.3 控制模块的设计及原理
3.3.1 继电器
选用的是CDG1-1DA/10A单相固态继电器。
主要技术参数:控制方式:直流控交流;输出电流:10A;输入电压/电流:3-32VDC/<03m A;负载电压:24-480VAC;通态降压:1.6VAC;通断时间:≤5ms;电寿命:≥100万次。
工作原理:固态继电器是一种无触点电子开关, 由分立元器件、膜固定电阻网络和芯片, 采用混合工艺组装来实现控制回路 (输入电路) 与负载回路 (输出电路) 的电隔离及信号耦合, 由固态器件实现负载的通断切换功能, 内部无任何可动部件。主要由输入 (控制) 电路, 驱动电路和输出 (负载) 电路三部分组成[5]。
继电器置于室内照明电路的干路上, 由处理模块分析处理的数据结果控制固态继电器信号的触发与否, 然后其输出电路在触发信号的控制下, 实现固态继电器的通断切换。最终实现对照明设备的智能控制[6,7]。
3.3.2 光敏传感器
选用的是通用型光敏开关。
主要技术参数:供电电压:12VDC;电流:>100m A;负载:250V 10A。
工作原理:光敏电阻是一种半导体器件, 利用半导体的光电效应。当有光照时电阻很小。无光照时电阻很大。
光敏开关置于照明电路的干路上, 它的串联使用避免了在白天光线较强时照明灯处于工作状态的情况, 也可实现光线由暗转亮时照明灯的自动断开和部分情况下的自动接通, 从而实现了智能节能的目的。
3.3.3 手动开关
选用的是普通的家用型开关。
置于照明电路的干路上, 主要是实现开灯和在特殊情况下断开照明电路的功能[8]。体现了该系统更加具有操作性和人性化的特点。
控制模块的电路图如图4所示:
4 控制模块的程序设计
A1、A2两个传感器串联 (B同A) , 光耦电路的信号输出端分别接到单片机的P3.3口和P3.2口。A1、B1两个传感器分别垂直安装在门框外、内;A2、B2两个传感器分别水平安装在门框外、内的两侧适当的高度 (安装图如图5和6) 。
继电器、光敏电阻和手动开关串联在照明电路的干路上。微处理器的初始值设定为100, 当有人进入教室时, 检测模块检测到信号后 (先经过A组, 再经过B组) , 计数程序进行加1运算, 计数显示由100变为101, 接收模块指示灯亮有信号传入, 则继电器将闭合, 控制负载进行工作。如果继续有一人进入教室, 那么将会继续进行加1运算, 一直循环;当有人出教室时, 检测模块检测到相反的信号 (先经过B组, 再经过A组) 后, 处理模块再次有信号传入, 计数程序进行减1运算, 直至计数显示由101变为100时, 按程序设定, 延时一段时间后将继电器断开, 从而照明设备关闭, 进而达到“人走灯灭”的智能节能的功能[9,10]。
5 出现的主要问题及分析解决
问题1:进出教室时, 人行走过程中摆手对检测装置的干扰问题 (“摆手”问题) 。
分析解决:对于这个问题, 该开关系统采用两组、四个红外光电传感器串联检测。只有四个传感器同时检测到有人时, 才会将产生的信号传送给处理模块进行分析。
问题2:人体存在传感器, 有人存在时输出高电平的电压偏低。
分析解决:人体存在传感器, 使输出高电平的电压偏低, 单片机会产生误判, 或采集不到正确的信号, 于是在人体存在传感器的输出端加一个100千欧的上拉电阻。
问题3:每次开机插上电源后, 硬件时钟显示的时间都从所设初始值开始计时。
分析解决:硬件时钟显示的时间不正常。解决办法:一方面是充电电池没有充电功能;另一方面是应对硬件时钟先进行自检。
6 结语
系统的设计从低碳环保的理念出发, 立足于节能, 对高校教室的灯光控制具有普遍适用性。开关系统具有多个创新点: (1) 通过每组两个红外传感器的二维检测, 从而对进出房间人数的检测准确度大幅提高; (2) 门磁开关的串联使用避免了门对红外传感器的影响; (3) 光敏开关的串联使用避免了在白天光线较强时照明灯处于工作状态的情况, 也可实现光线由暗转亮时照明灯的自动断开和部分情况下的自动接通; (4) 开关24小时工作, 能全天准确判断人数。 (5) 既可自动也可手动控制照明灯的通断。此装置也可控制多个照明灯。 (6) 照明灯坏掉或更换, 该系统仍能继续使用。同时该开关系统属于一个载体平台, 今后可以搭载其他模块, 完成不同功能。例如, 签到、室内人数统计、上下课铃声提醒等。
经过初步试验, 系统能够完成设计的要求, 智能控制开关灯, 具有良好的稳定性, 达到了较好的节能效果。
参考文献
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电脑测量红外波形 篇5
电路图如下，很简单
成品图：USB+音频查到麦克风的插孔、打开Cool Edit Pro 软件，新建音频通道，点击录音按钮，用任一个红外遥控器对准一体化红外接收头按下按键，即可读取此按键的红外波形图
放大波形图
我的万能遥控器波形为NEC编码：如上图9ms+4.5ms的前导码+16为客户代码+16数据码（编码规则大家可以在网上查）上图波形代码为：
9ms高电平+4.5ms低电平+1111，1010，0000，0100+1111，1111，0000，0000
得出此按键编码为FA04 FF00
独特的红外摄影 篇6
我们通常所接触的摄影，是可见光摄影，是利用可见光来形成影像的一种技术。而红外摄影是一种较为独特的成像方式，现在一般是利用数码相机（包括摄像机）感光元件能感测到近红外线波长，加配红外滤镜后，就能拍出不同一般的与肉眼所见景象大相径庭的视觉画面。
红外摄影擅长拍摄风光，但即使拍摄风光也有不少的局限性。一般说来，树叶、草坪、玻璃是红外线的强反射体，在红外照片中呈现亮色，所以红外线适合于表现有植物的风景。而水面、路面能很好吸收红外线，在红外照片中呈現深色，所以，在有树木、水面、路面的风景比较适合通过红外摄影表现。红外摄影还比较适合表现开阔的风景，如有蓝天白云，则效果更为吸引人。当拍摄建筑时，建筑本身如果缺乏丰富的线条和块面，则会比较平淡。由于红外摄影不是通过丰富的色彩来表现物体，因此，各种线条是其独特的构图语言。
胶片时代要拍红外线照片，需要购买昂贵的红外线胶片，目前已经几乎停产了。用数码相机来实现红外摄影是最便捷的方法。为了减少红外线对正常成像的干扰，绝大部分数码相机都在传感器前加了一块低通滤镜来阻拦红外线的进入，以提高成像质量。不过低通滤镜并不能百分百地阻拦红外线，这就为数码相机拍摄红外照片留下可能。摄影爱好者除了通过在镜头上加装红外滤镜，实现红外摄影外，更多是通过改装相机来阻止可见光，只允许红外光进入传感器。通过拆卸低通滤镜，换作相同厚度的红外线滤镜。经过改装，数码相机的快门速度大大提升，手持拍摄也可以，但经过改装的相机就不能拍摄正常照片了。
美国现实主义代表画家查克·克洛斯说过，摄影是最简单又最具难度的媒介，说它简单是因为几乎人人可以胜任它的操作方式，说它困难是因为出色的摄影需融入个人视角和标志性风格。红外摄影就是一种具备独特标志性风格的摄影。
基于单片机的红外系统控制研究 篇7
关键词：工业自动化,单片机,红外控制
单片机作为一种微型计算机, 能够将各逻辑部件按照一定的逻辑功能组合在一起, 其内可以包含CPU、RAM、ROM、总线、控制系统等必需的逻辑部件, 将这些逻辑部件按照各组件的有机结合固化在芯片上。当前工业的自动化水平作为检验社会生产力进步的重要标志, 如何提升工业自动化程度是一个非常重要的指标。工业自动化的目标是希望通过提高机器自动化的程度来尽可能地减少人为的强行干预, 极大地提升社会生产力。家庭电器作为人们日常生活中最常见的部分, 实现家庭电器操作的一体化是单片机的一个重要应用领域, 应对家庭电器中诸多遥控器的问题, 采用基于单片机的红外控制系统, 减少人为操作的复杂性, 实现一键式操作模式, 能够极大地方便人们的生活, 具有非常重要的经济意义和社会意义。
1 单片机
当前单片机在日常生活中的每个方面都有涉及, 几乎是人们日常生活不可或缺的一部分。小到电话、玩具、手机、各类刷卡机、电脑键盘、彩电、冰箱、空调、电磁炉, 大到汽车、工业自动控制、机器人、导弹导航装置, 甚至是美国的火星车, 这些设备里面都含有一个或者多个单片机。单片机是一种控制芯片, 一个微型的计算机, 而晶振、存储器、地址锁存器、逻辑门、七段译码器 (显示器) 、按钮 (类似键盘) 、扩展芯片、接口等都是单片机系统。下面介绍单片机中一些重要概念。
(1) 时钟周期。也称为振荡周期, 定义时钟频率的倒数 (时钟周期就是单片机所接的外部晶振的倒数, 如12MHz的晶振, 它的时钟周期就是1/12us) , 它是单片机中最小的时间单位。在一个时钟周期内, CPU只完成一个最基本的动作。时钟脉冲是CPU的基本工作脉冲, 脉冲的大小反映CPU工作频率的快慢节奏, 通常可以认为时钟脉冲越高, CPU的工作效率也越高。然而因为不同单片机的内部构成不同, 高脉冲的CPU不适用于任何单片机。所以, 通常不同的单片机都有其自身独特的时钟脉冲。常用的STC89C系列单片机的时钟范围大概在1~40MHz。
(2) 状态周期。它是时钟周期的2倍。用作单片机内部各功能部件按序协调工作的控制信号。
(3) 机器周期。单片机的基本操作周期, 在一个机器周期内, 单片机完成一项基本操作, 如取指令、读写存储器等。由12个时钟周期 (6个状态周期) 组成。
(4) 总线周期。总线上挂载了存储器、控制器和相关的I/O设备, CPU对这些设备的访问通过总线实现, 因此定义以此CPU的外设访问为一个总线周期。
(5) 指令周期。顾名思义, 是指执行一条指令所需要的时间。一般而言, 一条指令包含多个操作, 可能会需要1~4个机器周期。例如, 对于一条简单的取数指令, 从寄存器中获取数据并编码执行即可, 一个机器周期即可完成, 但对于一些较为复杂的运算指令, 可能涉及取数、存储、运算等多个步骤, 则可能需要一个或者多个机器周期。通常意义上, 一个机器周期的指令成为单周期指令, 多个机器周期的指令成为多周期指令。
(6) 总线。总线是元器件中一个重要的概念, 在模拟电路中各种部件之间都是通过串行的方式连接, 各部件之间的连线并不多, 然而计算机中各种元器件太繁多, 还涉及各部件之间相互通信和协调的问题, 如果每条功能指令或者2个元器件之间的通信都通过线互联, 则计算机内部的线路将会非常庞大, 对于整体的维护和升级也极为不易, 因此需要总线来协调各组件间的及时通信。总线是计算机内部的主干线路, 一切互联的器件都通过总线进行通信。然而还存在另一个问题, 当2个元器件同时对外输出信号时, 一个元器件的输出信号为1, 另一个元器件的输出信号为0, 则接受方在接受后应该如何处理呢。这种情况依赖当前的总线是不够的, 因此引入了控制总线的概念。控制总线是各元器件之间指令交互的工具, 任何时候控制总线只被允许进行一种指令的传输来保证指令的有序性, 这样, 接受方在收到指令后则可以进行有效的判断。而数据总线是各元器件间数据交换的工具。另外, 单片机内部还存在着地址的分配, 某些存储单元要完成地址分配才能进行信号传输, 由于存储单元过多, 管理起来也较为不易, 因此以地址总线进行协同控制。
(7) 数据、地址、指令。从某种意义上来说, 这三者都可以认为是数字, 是由一连串0101的数字串构成的。简而言之, 地址和指令也可以认为是数据。地址通过0101的数字序列对应到计算机存储器件中某个具体位置, 指令通过0101的数字序列表征具体的指令, 指令有着比较严格的界定, 不能由单片机的开发者随意更改, 一个确定的数字序列指令就对应着具体的操作。同理, 单片机内部器件的地址也是事先由芯片设计者设计好的, 不可更改, 外部的单元可以提供给开发者自由设定, 不受限制。数据部分是整个单片机处理的核心, 最终的结果都是为了数据的传输和运算, 不同的电路中数据也有着一定的差异。
2 红外控制系统
红外控制是一种应用比较广泛的通信和遥感技术。因其功耗低、体积小、携带便捷、价格低等优势, 已经在家用电器 (空调、彩电、冰箱) 中广泛应用, 一些音响设备等也逐渐开始使用红外控制。一方面, 红外控制在操作上简便易行;另一方面, 独特的控制性能是首选。此外, 在不适合人现场操作的场景下, 如高压、高气流、缺氧、毒气和粉尘等环境下, 红外控制也逐渐崭露头角, 可靠的稳定性和操作性能够有效地隔离毒气粉尘对人身体的影响和伤害。
红外控制系统一般由发射系统和接收系统两部分组成, 发射系统通常可以由键盘、芯片和相关的红外发射源通过连接红外发射电路, 将基带产生的二进制信号转换为脉冲信号, 通过红外发射管发射。接收系统通过接收传递过来的红外光线进行脉冲分析, 提取脉冲信号对应的二进制信号, 从而进一步对二进制进行响应。
UPD6121G通过产生连续的32位二进制编码输出指令, 在32位编码中, 前16位用于区分不同的发射方, 防止不同电器之间的信号干扰。通常情况下, 前16位身份码固定为01H;后16位为8位操作码 (功能码) 及其反码。UPD6121G最多有128种不同组合的编码。
相应的操作设备按键被按下时, 会周期性地输出不同的指令 (即32位状态码) , 每组的状态码间通过0101的数据分布相区别, 不同的数据分布对应不同的数据指令。
下面介绍采用单片机的红外控制系统的具体布线细节, 图1为红外遥控的系统结构。
如前所述, 通常意义上的红外控制系统由两部分组成:信号发射部分和信号接收解析部分。因此, 一般需要编码器/解码器对此种功能进行解析, 编码器的目的是将当前的输出指令编码成脉冲信号进行传输, 解码器的作用是针对发射的脉冲信号进行解码, 换成对应的电信号。此处以TC9012编码芯片为例分析红外遥控, 介绍如何利用51单片机进行信号的解码。当用户使用遥控设备按下按键时, 触发按键背后的单片机线路, 不同的按键对应着不同的功能, 不同的按键会产生不同的脉冲信号, 此类遥控码具备如下特征:采用脉宽调制的串行码, 以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”;以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”, 遥控器发射的信号由一串0和1的二进制代码组成, 不同的芯片对0和1的编码有所不同。编码主要以曼彻斯特编码和脉冲宽度编码2种为主, TC9012的0和1采用PWM方法编码, 即脉冲宽度调制, 其0码和1码如图2所示 (以遥控接收输出的波形为例) 。0码由0.56ms低电平和0.56ms高电平组合而成, 脉冲宽度为1.12ms。1码由0.56ms低电平和1.69ms高电平组合而成, 脉冲宽度为2.25ms。在编写解码程序时, 通过判断脉冲的宽度, 即可得到0或1, 具体的编码细节如图2所示。
当接收系统接收到来自发射方的脉冲信号后, 首先对信号进行判断, 判断当前的信号属于何种信号, 如按下空调的遥控开关时, 表示是需要调节当前空调的温度还是调节风量, 又或是调节当前房间的湿度等。解码的关键就是需要根据接收的脉冲信号0101中解析具体的信号。可想而知, 对于特征的设备和频段, 固定的命令格式必然是固定的, 否则不同型号的空调可能会对相同的按键产生不同的操作, 这是不能接收的。如果从0.56ms低电平过后, 开始延时, 0.56ms以后, 若读到的电平为低, 说明该位为“0”, 反之则为“1”, 为了可靠起见, 延时必须比0.56ms长些, 但又不能超过1.12ms, 否则如果该位为“0”, 读到的已是下一位的高电平, 因此取 (1.12ms+0.56ms) /2=0.84ms最为可靠, 一般取0.84ms左右均可。根据码的格式, 应该等待9ms的起始码和4.5ms的结果码完成后才能读码。
3 结语
本文从当前工业的自动化水平为切入点, 阐述当前家庭电器的重要开发领域, 分析基于单片机的红外控制系统的研发, 能够极大地提高经济效益, 节约时间。
参考文献
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一种智能红外控制驱动电源的设计 篇8
1 电路结构框图概述
本文设计的红外信号控制节能灯采用红外热释电探头、光敏电阻等构建红外信号处理系统, 采用红外热释电处理芯片BISS0001作为传感信号处理集成电路进行系统设计。考虑成本、性能和受广大用户欢迎程度, 采用被动式热释电红外探头作为智能感应灯的传感器。基于节能方便等要求, 要求节能灯有感光抑制功能, 即在白天环境亮度很高时, 灯处于灭的状态, 不会受传感器触发而点亮。人到灯亮, 灯需处于点亮状态一段时间后再判断是否熄灭, 需要输出有一定的延时, 并由个人喜好不同要求能方便的调节延时时间。环境亮度低时, 灯被触发点亮, 环境亮度会提高, 即使灯光光谱与日光光谱不同, 这种影响也不可忽略。为消除这类干扰, 在感光抑制中, 可以更改电路结构, 使灯在点亮后提高对环境亮度判断的阀值。在红外探测中, 结构上尽量避免灯光直射;在线路功能中, 加入使灯在熄灭后在一定时间内禁止点亮的功能, 使红外探头有足够的时间回复到平稳状态【2】。
红外探头和光敏元件经信号放大及处理电路, 输出可控制灯状态的触发信号。触发信号经转化电路可实现控制灯供电系统、电子镇流器振荡状态等可实现目标功能。信号收集、处理及输出部分的供电系统采用低压直流系统, 可用各种线路取得。由此, 可由基本功能得到系统基本框图1-1:
2 驱动芯片的选择
本系统选择的红外热释电处理芯片BISS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路, 它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置, 特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域, 或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。芯片的俯视图如图2-1所示。
BISS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。其各个管脚的具体作用如表2-1所示。
3 基于红外热释电处理芯片驱动电源的主要设计
本系统核心主要是由供电系统模块、信号采集及处理模块、输出控制模块、电子镇流器应用模块等关键模块组成。模块具体设计如下:
3.1 供电系统模块设计
电路设计时, 主要是电阻阻值及功率的选择。因此, 设计时应先确定负载电流的准确值, 而电阻上的电压即为输入电压与输出电压差值, 由此可得电阻上的消耗功率, 实际选择电阻时, 为了电路稳定, 一般留一倍的功率余量。三端固定输出电压式稳压电源78XX系列其器件内部电路有过压保护、过流保护、过热保护, 这使它的性能很稳定。能够实现1A以上的输出电流, 且器件具有良好的温度系数, 产品有多种电压输出值3.3V~24V, 可以运用本地调节来消除噪声影响, 解决了与单点调节相关的分散问题。输出电压性能优良, 电压误差精度分为±3%和±5%。其简易应用电路如下图3-1:
3.2 信号采集及处理模块设计
利用红外热释电探头RE200B、直径5mm暗阻20~50千欧光敏电阻、红外热释电专用处理芯片BISS00001构建实际应用电路原理图如图3-1所示:
供电电压VCC0取+5V, R7是限流电阻, 给RE200B提供偏置电压和电流。由于红外探头输出信号很小 (小于100m V, 一般只有几毫伏到十几毫伏) , 所以其对输入电压波动非常敏感, 所以增加稳压滤波电容C4, R1对信号输出端提供合适的偏置电压, 一般为0.6V左右, C1对输出信号进行预处理, 可滤除高频干扰, 一般为10n F。电阻R14、光敏电阻ROM和电阻R15, 构成检测环境亮度回路, 当环境亮度由亮转暗时, 光敏电阻阻值增大, 光敏电阻及R15上的总承受电压增大, 即输给BISS0001的9脚电位升高, 当此电位超过0.2VCC0即1V时, 芯片内部不再屏蔽红外探头输入信号, 可在2脚高电位的输出控制信号。调整R15的阻值, 就可以控制整个系统对环境亮度的灵敏度, 增大R15, 就可使系统在环境亮度更高时就输出控制信号。
BISS00001的14、15、16脚是分别一级运放的正向输入端、反向输入端和输出端, 10n的电容C3跨接在正方向输入端之间起滤除高频杂波作用, R3和电解C21接反向输入端形成虚地, R2、C2接反向输入端与输出端间构成负反馈放大器。放大后信号经电解C22、R8耦合到二级运放反向输入端13脚。R6、C6接在运放反向输入端及输出端12脚之间构成二级负反馈放大器。其正向输入端接芯片内部电源0.5VCC0即2.5V, 使输出信号直流电位抬升至1/2VCC0, 便于芯片内部通过两个并联的比较器, 检测到有用的双向触发信号。将检测到的正反向触发信号经一个或门电路, 就可以得到可供使用的触发信号。
3.3 输出控制模块设计
此方案应用电阻分压式供电, 采用直接稳压管钳制并稳定电压。为了得到比较稳定的电压, 使稳压管有适当的偏置电流流过, 电解电容也适当加大。对实现输出控制的三极管要求较高, 特别是使基极接地的三极管, 本身基极信号很弱, 要求其集电极与发射极间漏电流足够小【3】, 例如使用13003与9013型号的三极管时, 灯就无法正常点亮, 而使用贴片封装的3904时, 就可以实现正常控制。而控制此三极管饱和导通的输入电流Ib过小时, 三极管饱和导通不完全, 灯将无法熄灭而失控。由实测电路可得, 应用3904时0.5m A左右的基极电流可以实现正常控制【4】。考虑BISS0001的输出驱动能力, 限流电阻R17取50K欧左右的电阻, 使输出为0.1m A的基极电流。控制触发电容的基极输入电流可以较小, 取0.05m A左右。同时为了减小输入电流波动, 则要减小控制输出电流波动, 通过适当减小T3截止时电位, 即适当增加R4电阻值, 减小R19、R18阻值实现【5】, 如图3-3。
3.4 电子镇流器应用模块
电子镇流器在实际应用中, 灯功率、功率因数、谐波含量, 启动特性、寿命等都取决与电子镇流器。
如图3-4所示, 相比半桥逆变原理图, 实际应用中, 在全桥整流电路后, 增加了∏型EMC滤波电路, 将启动电容拆分为两个。
启动电容的主要作用有两个:一是在灯管启辉时, 启动电容、扼流电感和灯丝电阻组成二阶串联谐振电路, 在启动电容上可得到瞬时高压, 击穿灯管, 使灯启辉点亮。灯在点亮前后, 启动电容同时给灯丝提供电流通路。灯在正常点亮后, 所需的灯丝电流大幅减小, 否则灯丝发热严重, 影响灯丝寿命。所以, 当要求启动电容过大时, 使用如上的拆分方式。拆分后, 在交流通路上, 两电容近似为并联, 总电容为两个电容量之和, 不影响启动特性;灯丝电流则因与灯丝串联的电容减小, 容抗增大, 电流减小, 维持在理想状态【6】。
4 试验结果
我们对这款研制的智能红外控制驱动电源进行了一系列的实验测试, 如浪涌电流测试, 开关和关断延迟测试等, 并进行了暗室EMI测试, 全部满足设计要求。其主要工作波形如下图所示。
4.1 浪涌电流
驱动电路在输入电源刚刚接通时, 会产生一个相对较大的输入浪涌电流, 而这个浪涌电流对电源驱动电路中的元器件会产生一定的冲击, 在元器件的选取时, 要把输入浪涌电流的情况考虑进去。基于此, 我们要对该开关电源驱动电路的输入浪涌电流进行测试, 图4-1为对图3-4所示的开关电源驱动电路的输入浪涌电流的测试结果。
从图4-1可以看出, 所设计的开关电源驱动电路的浪涌电流为4.8A。相对来说, 次浪涌电流在极端的时间内对开关电源驱动电路的影响不大。
4.2 整灯性能测试
将控制板装配在3U灯管内, 初步构想是使用不透光材料制作一个三棱柱, 并控制菲涅尔透镜焦点落在控制片板上红外探头感光面上。简易装配可以使用绝缘膜外包反光纸。使用不透光材料是为了减小灯光对探头直射, 减小灯光干扰。
接上电源后测试, 实现了智能感应调光过程, 受装配好坏影响, 感应距离个体差异较大, 正面探测距离可达5米以上, 可以满足使用要求。整灯功率熄灭时小于1W, 点亮时功率由原灯功率决定。图4-2和图4-3分别为灯点亮时输入电压电流波形和灯熄灭时输入电流电压波形。
4.4 EMC测试
一款性能好的开关电源驱动电路在接入电网时, 对电网中的其他用电设备不能造成干扰。为了验证所设计的开关电源驱动电路是否满足EMC的要求, 我们用整套EMC测试设备对所设计的开关电源驱动电路进行测试, 测试结果表明其不会通过传导对其他用电设备造成干扰。
5 结论
这款红外控制节能灯使用红外热释电探头、红外处理芯片BISS0001、光敏电阻等构建红外信号处理系统, 并应用此输出信号实现了对灯发光状态的控制。同时, 设计制作了与控制方式相对应的低压供电系统。根据理论分析, 制作了一体化智能感应调光灯, 实现了智能感应对节能灯发光状态的控制, 达到了在环境暗时, 节能灯人到灯亮, 人走灯灭的功能目标。为批量化生产提供了可行性依据, 达到了设计目标。在输入电压为60Hz/120V的条件下测试时, 测试结果完全满足设计要求。
参考文献
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红外控制 篇9
关键词：自动喷药机械,红外光电开关,单片机,电磁阀
0 引言
果园的管理过程包括种子、肥料、栽培管理和病虫草害的防治等多个生产环节,其中病虫害的防治则是最重要的管理作业。果树在一年的生长期中大约需要喷药8～15次[1]。目前,我国在生产第一线使用的果园施药机械大多数还是二三十年前设计的产品,主要有手动踏板式喷雾器和高压喷枪,而且采用覆盖式连续地喷洒化学制剂[2]。这种粗放落后的喷洒方式使滞留在果树树叶上的农药很少,其余则流失到周围环境当中,在造成严重环境污染的同时,还导致我国农药的有效利用率远低于发达国家水平[8],并且作业效率极低,其主要原因就是施药技术及器械研究的滞后性。
为了解决传统喷药机械和喷药方式造成的农药有效利用率低的问题,需要将自动化技术应用到喷药机械中,把连续喷药变为对靶喷药。本研究采用红外传感探测技术对果树靶标进行自动识别,比起还处于试验阶段的图像处理标靶探测方法更有一定的实用性,而且红外探测器价格低廉,更容易实现商品化。
1 系统整体结构
系统选用红红外线光电开关作为探测器,AT89S52单片机作为主控制器,电磁阀控制喷头开闭,控制系统整体结构图如图1所示。系统工作原理:测器发现靶标(即果树枝叶)时,控制器接收探测器信号并输出指令,控制电磁阀打开喷药;而在没有果树枝叶的空隙中,探测器则传输信号给控制器,控制喷药模块关闭停止喷药,从而达到对靶间歇式喷施的目的。
2 红外探测模块
2.1 光电开关的工作原理
红外线是一种不可见光,可以有效地防止周围可见光的干扰,进行无接触探测,不损伤被测物体。红外线传感器是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射,由同步回路选通而检测物体的有无,其物体不限于金属,对所有能反射光线的物体均可检测。根据喷药作业的环境,漫反射式的光电开关是首选的检测模式。它是一种集发射器和接收器于一体的红外线传感器,当有被检测物体经过时,发射器发射的足够量的光线反射到接收器,于是光电传感器就产生了开关信号[3]。漫反射式的光电传感器的工作原理如图2 所示,虚线框内所示为光电开关的内部结构。本研究采用型号为ES50-D08NK的光电开关,输出方式为NPN常开型,即没有检测到果树靶标时开关处于断开状态,开关指示灯灭,输出高电平;当检测到果树靶标时,开关闭合,指示灯亮,输出低电平。
2.2 光电开关信号的采集
本研究采用10V的直流电压作为光电开关的工作电压。由所选光电开关的原理可知, 光电开关输出理想脉冲信号的低电平为0V ,高电平为10V。由于光电开关的输出电源阻抗未知,所以需要采用阻抗转换模块。本研究利用集成运放LM324中的一个运放放大器构成电压跟随器,可以在其1管脚得到阻抗近似为0的电源信号[4]。另外,为了不与单片机I/O口的TTL电平冲突,需要设计输入电路,即用两个10kΩ电阻分压和限流。同时,用5 V稳压二极管把输入到单片机P3.2引脚的高电平拉低,并且稳定到5 V。根据以上条件,所设计的信号采集电路如图3所示。
3 喷雾系统
3.1 喷雾系统组成
喷雾系统由汽油机、减速装置、液压泵、药箱、溢流阀、供药管路、电磁阀及其驱动电路和喷头组成,如图1所示。汽油机提供的动力经减速装置输出到液压泵,将药箱中的药液抽出。药液分成两路:一路经电磁阀到喷头,形成雾滴后带有一定压力喷向靶标果树;另一路为多余药液,经溢流阀流回药箱。
3.2 电磁阀驱动电路
采用常闭型24V两位两通直动式直流电磁阀控制喷嘴开闭,型号为2W-15GBN-Y32B-DC24V。利用三极管的开关特性和直流固态继电器(SSR)的隔离特性,设计了电磁阀驱动电路。
SSR是一种新型的具有隔离功能的功率电子开关,具有寿命长、可靠性高、速度快、体积小、无噪音和使用方便等特点[7] 。它利用电子元件的开关特性,可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的。固态继电器为4端有源器件,其中两个端子为输入控制端,另外两端为输出受控端,中间采用光电隔离,作为输入输出之间电气隔离。在输入端加上直流或脉冲信号,输出端就能从关断状态转变成导通状态,从而控制较大负载,实现了弱电对强电的控制[9]。
信号通过单片机P2.7端口送出,经三极管的开关作用作为输入信号进入直流固态继电器,如图4所示。当SSR达到接通条件时,电磁阀打开;反之,则处于闭合状态。由于电磁阀是感性负载,而SSR接感性负载时很可能产生大于其所能承受的瞬态电压和电压上升率,因此需要对其进行过电压保护[5],防止其被烧毁损坏。本研究采用外加电压钳位电路,即在电磁阀两端并联一个双向稳态二极管。
4 软件设计
根据喷药机械的作业要求,控制系统要能实现以下功能:光电开关检测到果树时,电磁阀得电打开;当没有检测到果树时,电磁阀失电关闭。采用单片机P3.2外部中断作为输入口,P2.7作为输出口。系统程序包括初始化程序、主程序与中断子程序以及计时器程序。采用Keil软件集成开发平台完成软件设计。
主程序流程图如图5所示。单片机P3.2口检测关电开关的电压信号,若有果树遮挡,光电开关输出低电压,即P3.2=0,将1予以输出端口P2.7,电磁阀得电打开,进行喷施。同时,程序计时器延时1s,以保证在此期间光电开关检测到的极小缝隙可忽略不计,从而保证电磁阀的打开过程顺利。1s后如果查询到P3.2为高电平,说明光电开关前无遮挡物,则进入中断子程序(如图6所示),用于关闭电磁阀。程序计时器采用单片机外部晶振, 时钟频率fclk = 3.686 4MHz。
5 结论
本研究将连续喷施改进为间歇式对靶喷施,能有效减少农药的浪费,大大提高农药的利用率,从而降低对环境的污染,缓解了我国传统的施药作业中生产与环境的矛盾。
本研究研制的基于红外线光电开关和单片机的果园自动喷药机械控制系统,不但可以成功地实现间歇式对靶喷施,而且结构简单、成本低以及工作稳定等特点,同时可以方便地进行移植和扩展。
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红外控制 篇10
1 系统方案
本文设计的Zig Bee-红外控制系统依次分为上位机控制中心、Zig Bee网络和终端设备三部分。其系统架构如图1所示。其中Zig Bee网络部分由Zig Bee协调器和基于Zig Bee无线网络控制的Zig Bee-红外遥控组成。控制中心通过串口向Zig Bee协调器发送控制指令,协调器在接收到控制指令后通过Zig Bee网络将控制信息发送给对应Zig Bee-红外遥控节点,并由该节点发射对应的红外信号,实现基于Zig Bee无线通信技术的红外家电控制。
系统Zig Bee网络部分采用TI公司的无线So C集成芯片CC2530[3]以及TI2007版Zig Bee协议栈。
2 硬件设计
硬件部分采用模块化的设计方式,将电路分为CC2530核心板与各功能不同的扩展板,实现同一核心板与不同扩展板的配合使用。这样的好处在于针对不同的应用场景只需选取不同的扩展板,而不必对核心板进行修改。CC2530核心板包含CC2530芯片和RF收发电路,并引出芯片的主要I/O口与扩展板结合。根据功能的不同,扩展版分为Zig Bee协调器和Zig Bee-红外遥控两种。
2.1 Zig Bee-红外遥控电路
Zig Bee-红外遥控由CC2530核心板和Zig Bee-红外遥控扩展板两部分组成。其扩展版主要包括嵌入式微处理器、红外收/发模块和电源模块等。其结构框图如图2所示。
为实现低成本、高实时性的遥控,遥控的嵌入式微处理器选用由NXP半导体公司生产的基于Cortex-M0内核的LPC1114。该微处理器的CPU频率可到50 MHz,同时包含高达32 KB片内Flash存储器和8 KB数据存储器,4个通用计时器以及多达42个通用I/O引脚[5]。同时为进一步提高遥控的实时性,减小软件负载,遥控不采用任何嵌入式操作系统。
2.2 Zig Bee协调器电路
Zig Bee协调器由CC2530核心板和协调器扩展板两部分组成。其扩展版主要包括电源和开关模块、UART串口模块以及编程下载模块。其框图如图3所示。
由于Zig Bee协调器是一个Zig Bee无线网络的创建者和协调者,同时还是网络内部与外部通信的枢纽[4],因此协调器必须一直处于活跃状态。本次设计选用220 V AC/DC稳压电源转换模块为协调器提供持续稳定的电源电压,并设有电源开关。
2.3 协调器电源电路
由于CC2530由3.3 V电压供电,因此协调器电源电路需设计为3.3 V电压输出,如图4所示。
首先由JP1电源接口输入220 V交流电,经过AC/DC电源模块输出5 V直流电源。再经过SPX1117-3.3 V LDO芯片产生稳定的3.3 V输出电压。SPX1117-3.3 V芯片的输出电流可达800 m A,输出电压的精度在±1%以内。
3 软件设计
本系统的软件设计包含基于TI Z-Stack软件构架的Zig Bee程序设计、嵌入式微处理器程序设计和上位机控制中心软件设计三部分。
3.1 Zig Bee程序设计
基于Z-Stack软件构架的Zig Bee程序设计分为协调器程序设计和Zig Bee-红外遥控程序设计两部分。它们同样采用TI 2007版Zig Bee协议栈,该协议栈的特点在于很好地支持了网络的自组织和自愈合。同时,相对于2006版的Zig Bee协议栈,2007版协议栈还增加了支持多密钥高安全性、支持大型网络、支持分割传输等新特性。
Zig Bee协议栈通过轮询的方式依次查询来自MAC层、网络层、硬件抽象层、应用支持子层(APS)、Zig Bee设备对象(ZDO)层和应用层的任务,并按优先级由高至低的顺序依次处理[6]。
本设计的重点在于建立稳定可靠的、能自组织的Zig Bee网络,同时实现基于Zig Bee网络的红外家电控制。Zig Bee协调器和Zig Bee-红外遥控主要实现的功能有:
(1)协调器依据Zig Bee协议栈,在Z_Stack架构下,组建了一个低功耗、自组织、可多跳和可靠健壮的树形无线网络。
(2)协调器将来自上位机控制中心的控制信息按照预定义的帧格式构造成发射数据,再通过Zig Bee网络发送给相应的遥控节点。
(3)遥控节点在接收到数据后按照预定义的帧格式解析数据,并执行相应操作,实现基于Zig Bee网络的红外家电控制。
(4)通过遥控节点上的不同传感器对室内温度、湿度等信息进行采集,并将采集到的信息通过上位机显示,实现对室内温度、湿度的监控。
如图5所示,根据Zig Bee节点的类型、编号、功能指令和操作类型等参数定义数据帧格式。
3.2 嵌入式微处理器程序设计
为实现集中控制,同一遥控节点需对不同红外家电进行控制[7],因此遥控节点需具有一定红外学习能力。由于当前家电所采用的红外协议纷繁复杂,要实现红外协议的统一并不现实。因此,为了避开纷繁复杂的码型,本系统中的遥控采用记录红外信号高低电平脉冲宽度的方式实现红外信号的学习[8]。
设计思路为,通过嵌入式微处理器实现红外信号的学习、存储以及发射。当进入红外学习状态后,首先使能LPC1114 GPIO 2的双边沿触发中断,并等待红外信号。当检测到红外信号下降沿时,进入中断处理函数,开启计数器,直到红外信号出现边沿跳变时再次进入中断处理函数,关闭计数器,记录低电平脉冲宽度。同时再次启动计数器,开始记录高电平脉冲宽度。直至检测到脉冲宽度大于60 ms时,判断为红外信号发送完毕,结束学习过程。最后将学习到的数据存入存储器中。
以下为红外学习中断处理函数代码[5]:
LPC_GPIO2->IC|=Signal_In;
LPC_TMR16B0->TCR=0x00;
IR_Data[Ram_Point]=LPC_TMR16B0->TC;
LPC_TMR16B0->TC=0;
LPC_TMR16B0->TCR=0x01;
Ram_Point++;
判断红外信号发射完毕程序代码:
if(LPC_TMR16B0->TC>=60000){
NVIC_Disable IRQ(EINT2_IRQn);
LPC_TMR16B0->TCR=0x00;}
红外信号的发射过程采用匹配中断的方式实现。首先将学习到的脉宽数据加载到LPC1114的32位计数器中,并启动计数器。当计数值与计数器中预装载的值相匹配时,产生匹配中断。以下为红外发射中断处理函数代码:
LPC_TMR32B0->IR=0x01;
Ram_Point++;
LPC_TMR32B0->MR0=IR_Data[Ram_Point];
if(Ram_Point%2==0)
Signal_OFF();else
Signal_ON();
嵌入式微处理器的程序流程图如图6所示。
遥控的载波由16位计数器通过匹配反转输出的方式产生。该方法极大地提高了载波的稳定性[9],同时减少额外器件,降低成本。图7为通过逻辑分析仪获取的某一红外信号与本遥控所学信号间的对比图。由于红外接收头会将接收到的红外信号反向,因此,原信号与学习信号刚好高低电平相反。通过图7的波形对比可看出该遥控已成功实现学习功能。
3.3 上位机控制中心软件设计
上位机控制中心的软件设计选用Visual Studio 2010集成开发环境,并采用面向对象的编程语言C#[10]。主要实现对各遥控节点的可视化控制,并实时显示由各节点采集到的数据。控制中心设计有串口调试窗口以便于对PC和协调器节点间的串口通信进行调试。
4 系统测试
系统的测试借助于上位机控制中心、Zig Bee协调器和Zig Bee-红外遥控。选用一间配备有空调和投影仪的普通房间作为实验环境,并将房间内的空调和投影仪作为实验对象。
首先,用Zig Bee协调器创建一个Zig Bee网络;其次,各Zig Bee-红外遥控节点依次加入网络中;然后,通过上位机控制中心对相应遥控节点发送控制指令;最后,观察房间内空调与投影的工作状况。
测试过程中控制中心能实现对房间内空调和投影的有效控制,达到设计要求,表明该系统效果良好。
本文所设计的面向物联网家电的Zig Bee-红外控制系统主要包括上位机控制中心、Zig Bee协调器和ZigBee-红外遥控。它实现在不对现有红外家电做任何改造的情况下使其快速、有效地融入到物联网环境中,达到对红外家电的集中控制、节能控制和智能化管理。本系统成本低、功耗低、性能优越,并具有良好的可扩展性。不仅能满足普通家庭需求,同时还可应用在如政府机关、学校、医院等场合。因此本系统具有使用和推广价值。
摘要：为了将现有红外家电快速、有效地融入物联网中,设计了一套ZigBee-红外控制系统,在不对现有红外家电进行改造的前提下使其快速、有效地融入基于ZigBee无线通信技术的物联网环境中,实现对不同家电的集中控制、节能控制和智能化管理。
关键词：物联网,ZigBee,红外通信
参考文献
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