红外感应式智能开关控制系统的设计和实现

科技信息

1.引言

现时尽管自动化技术已经影响到人们生活的方方面面，但在家庭、

养老院、办公室等日常生活中用电的场所，大量使用到各种开关电器，人们必须人工手动接通开关提供电源或者关闭开关截断电源实现对电

器的功能控制。实用、节能、低碳的智能开关控制系统应用得非常少，主要是因控制系统自动化程度的不同要求用户投入的差异也会很大，对

一般家庭而言十分昂贵[1]，技术成熟性也还不成熟等因素造成的。因此希望设计一个用户眼下可承受的与未来用得上的红外感应式智能开关

控制系统来替代现有的普通开关，将便宜、节能、低碳的新技术普及应用到日常生活中，以改变人们生活习惯,提高人们生活质量。

2.设计要求和总体思路

2.1设计要求

红外感应式智能开关控制系统具有安全的、人性化的近程或远程

控制；实现日常生活低碳、省电、环保等的作用。由此在智能开关控制系统的总体设计过程中提出以下设计要求:

(1)能在多种电压环境下正常工作，具有自动保护功能，安全性强，

可靠性高。

(2)控制范围大、灵敏度和精确度高，抗外来干扰能力强，对出现干

扰性故障，可以自动恢复工作或转为人工手动控制。

(3)连续工作时间长，不受声、物干扰，性能稳定可靠。

(4)低功耗，使用寿命长。

2.2总体思路

红外感应式智能开关控制系统的关键在于接口，接口的关键在于

由集成有各种协议的控制集成电路[2]。目前国际上可用于家居智能控制的IC芯片较为常见的有单片机芯片、电力载波控制芯片、ARM技术芯

片等。

用单片机芯片实现智能开关控制与单片机芯片技术发展有着密切

的关系，早期的单片机芯片只能用汇编语言进行设计，而且烦杂的外围电路较多，使得设计的成本较高，对开发人员的技术水平有一定的要

求。随着时代的发展，制作工艺水平的提高，目前市场上的单片机芯片

具有内置CPU速度快、固化闪存、16位定时器、振荡、A/D转换、PWM

输出等多种功能和优点以及外围电路简便，可以使用C语言、汇编语言

或两者语言混合编程的优点[3]。

基于设计要求和成本的考虑，设计思路上考虑以单片机为核心,通

过对空间环境中是否有人存在的检测信号来控制开关动作,以达到智能

开关控制的目的。电路的总体设计思路如图1所示,主要由电源、红外感

应检测电路、单片机及其外围电路以及电力电子开关元件等四部分构

成。

图1电路设计总体框图

3.硬件电路设计

红外感应式智能开关控制系统的控制面板由8051单片机、红外传

感器、光敏电阻等器件组成，通过单片机的程序处理实现各连接电器的

开关控制。具有如对于老年人可省去在夜间摸黑寻找照明开关的麻烦，

确保其安全活动，同时也免除了家人忘记关闭电器的顾虑等的作用。这

样大大方便了人们的日常生活，也节约了用电，提高了用电的安全性，

保护了环境。

3.1红外感应检测电路

红外感应检测电路由红外感应器与光敏电阻组合检测电路及其逻

辑运算电路图组成，应用先进的红外传感器，可以探测人体接近、移动

等运动状态，当有人体进入感应区域内时，人体发出的红外辐射线被红

外传感器接收到后，并通过单片机的控制而开启或关闭如电灯、电风

扇、抽风机、报警器、中央空调风机等电器，从而实现节约电能，降低碳

排放。电路使用红外传感器与光敏电阻等器件的进行组合检测，能准确

地检测到外界的信号，从而由单片机对该信号进行相应处理。图2为红

外感应检测电路图[4]。

图2红外感应检测电路图

通过被动式红外传感器的检测，人体发出的红外辐射线等信号经

过滤整理、放大后，与光电检测逻辑与，输入到单片机及其外围电路（图3）中，经算法运算，输出控制信号，电力电子开关开启；当人体离开感应区域，被检测的信号经过滤整理、放大后，与光电检测逻辑与，并经过开关的延迟时间后自动控制电源信号，电力电子开关停止工作。由红外传

感器、光敏电阻等器件及其逻辑运算电路组成的检测电路结构简单，布

线少，可靠性高，既降低了电路的生产成本，也方便了以后的检查维修，而且可以通过调整检测器件的参数实现电路的扩展，提高电路的实用

性。

3.2单片机及其外围电路

单片机及其外围电路采用的STC12C5410AD系列20引脚封装的

8051单片机，对空间环境中是否有人存在的检测信号进行控制，以节

能、可靠为重点，控制与单片机相连接的各类型日常电器设备，实现设

计的多种功能[5]。该单片机有15个输入输出端口，除检测信号使用一个输入端口外，其余端口主要用于控制所有系统的检测与开关控制以及

驱动系统的电力电子开关，电力电子开关根据不同的驱动需求，可分为

继电器、晶闸管、IGBT、GTO及DC电力模块。图3是单片机及其外围电路图。本控制系统将利用一部分端口用于手动开关输入，另一部分端口

用于相应继电器、晶闸管、可关断晶闸管、直流电力模块的动作控制，避免人们意外触碰220V甚至380V高压，这样人们在一个位置便能控制

房间中的电器，既减少了日常生活中的麻烦及不安全因素，又降低了用

户使用该系统的支出负担。

图3单片机及其外围电路图

4.系统软件设计

红外感应式智能开关控制系统的设计和实现

广州大学计算机科学与教育软件学院温武古鹏

［摘要］随着社会的发展，现代人对生活质量的要求越来越高，智能家居已成为生活选择的必然趋势。本文提出利用STC12C5410AD

系列的8051单片机、红外传感器和光敏电阻等主要器件和使用C语言，从硬件电路和系统软件两个方面设计一个用户眼下可承受

的与未来用得上的红外感应式智能开关控制系统，希望能够将便宜、节能、低碳的新技术普及应用到日常生活中。

［关键词］红外感应单片机智能开关设计

计算机与网络

—218—科技信息

红外感应式智能开关控制系统采用双开关控制，在智能开关控制

模式下可以根据空间环境中人体的运动状态情况决定电器电源的开启

或延时关闭，延长电器使用寿命、节能省电；当生活使用过程中有特殊

的需求时，可以根据实际需要通过按钮进行手动控制，达到开启或关闭

电源电器的目的或者重新延长开关动作的时间；如果单片机在规定时

间内没有信号输入，可以进入睡眠的状态，降低功耗，符合绿色环保、低

碳节能的时尚。因此，软件设计要考虑的几个主要问题是：（1）设定光敏

和红外标志，以区分不同的工作模式；（2）正确设置开关时延的上下限

值；（3）可以根据实际情况，调整系统运行状态。本控制系统的程序软件