应用于太阳能照明装置的自适应PIR电路的制作方法

本发明涉及一种用于太阳能照明装置的PIR（（PyroelectricInfraredRadialSensor，热释电红外传感器））电路。
背景技术：
：太阳能照明装置是一个泛称，包括太阳能路灯、太阳能泛光灯、太阳能庭院灯等众多的离网太阳能光伏系统。太阳能照明装置是用于室外照明的绿色环保产品，也是目前可以不依赖政府补贴而被市场广泛接受的极具发展潜力的光伏产品。不过，太阳能照明装置也面临着制约其发展的两个关键问题：1、太阳能照明装置是一次性投资，无后续使用的电费，因此初始投资较大；2、太阳能照明装置的储能蓄电池寿命较短，是整个光伏系统寿命的瓶颈。为了解决太阳能照明装置面临的上述问题，前人从不同的技术路线进行了很多尝试和努力。第一种技术路线从提高太阳能照明装置电源变换电路的转换效率及充放电效率着手，进而提高太阳能照明装置的整体效率，降低系统成本，延长蓄电池寿命，取得了一定的效果。第二种技术路线通过使用传感器降低照明负载的耗电量，从而降低整个光伏系统成本，延长蓄电池寿命，取得了较好的效果。若采用第一种技术路线，要将太阳能照明装置的整体效率提高1%，都需要付出巨大的努力；而采用第二种技术路线，常常可以出奇制胜的将太阳能照明装置的整体使用效率提高10%-70%。在第二种技术路线中，现在的方案往往只是简单的把安防行业和室内照明控制中使用的PIR电路照搬到太阳能照明装置上，而太阳能照明装置有它固有的特点，这样会产生很多问题。在太阳能照明装置上运用PIR技术有如下特点及问题：1、太阳能照明装置是室外照明，照明的区域往往较大，要求PIR电路能检测到较远的距离，而目前在室内照明控制中用到的PIR电路往往只能检测到5~10米的距离，因此，需要进一步提高PIR电路的检测距离；2、在室外环境中，背景红外噪声较大，温度变化也较大，因此，需要进一步提高PIR电路的抗干扰性；3、太阳能照明装置用于室外环境，因此产品的防水等级要求较高，而采用模拟信号处理的PIR电路需要用到带旋转柄的可调电阻来调节灵敏度和光照强度等参数，对于带旋转柄的可调电阻的防水设计比较困难，相比之下，采用数字信号处理的PIR电路，防水设计较容易实现；4、在安防行业，PIR报警电路是不能误判的，否则会引起不必要的恐慌，而在太阳能照明装置上，PIR电路由于噪声干扰引起误开灯，并没有很大的不利影响，只要能及时纠正错误并关灯，不是长时间的持续误开灯就行；5、在太阳能照明装置中，有人出现时，PIR电路需要快速、实时响应，如果延迟数秒钟才开灯，有可能人已经走过去了；6、太阳能照明装置中有光伏控制器，光伏控制器一般都是用单片机设计的，可以尽量利用该单片机的冗余计算能力来实现PIR信号的数字处理。实际应用的PIR电路由菲涅尔透镜、PIR传感器和PIR信号处理电路三部分组成。菲涅尔透镜和PIR传感器现在都是成熟的元件，因此，在工程实践中，PIR电路设计的关键在于PIR信号处理电路。PIR信号处理电路可以分为模拟PIR信号处理电路（模拟PIR电路）和数字PIR信号处理电路（数字PIR电路）两大类。模拟PIR电路不需要单片机，可以独立构成一个系统，因此在室内照明控制、自动门控制等领域得到广泛应用。模拟PIR电路的典型代表是以模拟PIR信号处理专用芯片biss0001构成的方案。模拟PIR电路的缺点是检测距离不高，在环境温度较高时，容易受到背景噪声干扰，且电路参数的调节需要使用带旋转柄的可调电阻，使得产品的防水性能下降。根据太阳能照明装置的特点，在太阳能照明装置中适合采用数字PIR电路。数字PIR电路以一定的频率对PIR信号进行采样，并通过内带的AD转换器将其转换成数字信号，用软件执行一定的算法对数据进行分析处理。数字PIR电路的核心在于软件算法，该算法可以分为时域分析和频域分析两类算法。技术实现要素：本发明所解决的技术问题：为了解决太阳能照明装置中PIR电路的检测距离不高、抗干扰性较差、防水设计难及电路复杂繁琐等问题，进而推动太阳能照明装置健康发展，本发明在第二种技术路线的基础上，进行了改进和完善，提出了一种基于自适应控制数字PIR技术的太阳能照明装置方案。数字PIR信号处理时域分析算法的优点是实时性好，可以快速响应，缺点是抗干扰能力较差；数字PIR信号处理频域分析算法的优点是抗干扰能力强，灵敏度高，缺点是反应较慢，要延迟数秒才能得到结果；本发明方案结合了数字PIR信号时域分析和频域分析的优点，较好的解决了在太阳能照明装置上运用PIR技术所面临的问题，提升、完善了太阳能照明装置的性能，具有良好的社会效益和经济效益。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明方案包括硬件和软件算法，其硬件包括热释电红外传感器、前置放大预处理电路、测温电路和单片机；软件算法采用了自适应控制的思想，有效结合了时域分析和频域分析的优点，既具有响应的快速性，又具有较高的抗干扰性，并且有效提高了太阳能照明装置中PIR电路的检测距离，降低了防水设计的难度，简化了电路，降低了成本，提高了性价比。下面结合附图1说明本发明硬件电路连接关系：热释电红外传感器（1）的电源脚D与供电电源Vcc连接，热释电红外传感器（1）的接地脚G与电源地连接，热释电红外传感器（1）的输出信号脚S与前置放大预处理电路（2）的输入脚（5）连接，并与电阻R9的一端相连，电阻R9的另一端与电源地连接。前置放大预处理电路（2）的输出信号ut与单片机（3）的引脚（6）相连接，单片机的引脚（6）为单片机内置的模数转换器的输入脚之一。测温电路（4）输出的环境温度信号T通过接口（7）与单片机（3）相连。如果测温电路（4）由热敏电阻构成，则接口（7）为单片机内置的模数转换器的输入脚之一；如果测温电路（4）为测温芯片构成，则接口（7）为测温芯片所定义的接口电路。前置放大预处理电路（2）、单片机（3）和测温电路（4）分别通过各自的电源引脚和接地引脚与供电电源Vcc和电源地相连接。前置放大预处理电路（2）的作用是把PIR传感器输出的微弱信号放大若干倍，以便于单片机处理，提高单片机数据处理的精度，并且前置放大预处理电路（2）同时起低通滤波的作用。本发明技术方案的软件算法包括PIR信号处理的时域分析算法（简称时域分析算法）和PIR信号处理的频域分析算法（简称频域分析算法），以及将时域分析算法和频域分析算法结合起来的PIR信号处理自适应控制算法。本发明PIR信号处理的时域分析算法按如下方式工作：时域分析算法的基本思想是鉴幅，具体思路是，在一段时间内，若输入单片机（3）的PIR信号ut幅值的最大值与最小值的差值Δut超过某一阈值uTH，则认为存在有效信号，即有人；否则认为是噪声，即无人。将信号从时域变换到频域有众多方法可供选择，如：快速傅里叶变换、小波变换、魏格纳-威利变换等。有一些文献在频域对PIR信号进行了研究，运用了小波变换等方法，主要目的是为了辨别人的运动特征、识别人与动物的区别，这些方法适合应用在安防领域，这些频域分析算法过于繁琐，不能在中低端单片机上执行，所以并不适合用于太阳能照明领域。根据太阳能照明装置的特点来讨论PIR信号的频域处理的文献尚未见到，本发明根据太阳能照明装置的特点，设计了一种简洁有效的PIR信号处理的频域分析算法，可以在中低端单片机上执行，抗干扰性好，检测距离高，简洁经济。本发明PIR信号处理的频域分析算法按如下方式工作：采用快速傅里叶变换，取样频率为fs=50Hz，取样点数为N=256个，取样周期Ts=1/fs=0.02s，时域数据长度为tdata=NTs=256×0.02=5.12s，频率分辨力Δf=1/tdata=0.1953≈0.2Hz，时域的N个点用x(k),k=0,1,…，N-1表示，经过快速傅里叶变换，得到的频域的N个点用y(k),k=0,1,…，N-1表示，通过频域的N个点y(k)判断是否有人存在的算法如下：因PIR信号的频率在0.2-10Hz之间，10Hz频率对应的点的序号为10÷Δf=10tdata=51.2，取整数为52；去掉代表直流分量的y(0)后，取y(k)中的前52个点，即y(1)～y(52)，求出这52个点的算术平均值，用yav来表示；再找出y(1)～y(52)中的最大值ymax，并定义一个变量Δy=│ymax-yav│，当Δy大于或等于某一阈值ΔyTH时，就认为有人存在；当Δy小于某一阈值ΔyTH时，就认为无人存在。本发明PIR信号频域分析算法的阈值ΔyTH=Kb+KT，其中Kb是基础阈值，实际使用中，可以通过调节基础阈值Kb，改变系统的灵敏度；KT是温度修正值，其大小随环境温度变化，可以根据电路的调试经验，得到KT随环境温度变化的关系。本发明PIR信号处理的自适应控制算法如下：结合附图2来说明，时域分析算法（11）和频域分析算法（10）按照如下工作流程协同工作，时域分析算法（11）对输入单片机（3）的PIR信号ut进行分析，得到输出信号S，当S=1时，表示有人，当S=0时，表示无人，同时将输出信号S送入频域分析算法（10）进行审核。频域分析算法（10）对输入单片机（3）的PIR信号ut和环境温度T进行分析，得出自己的结果，并根据自己的结果对时域分析算法（11）的输出信号S的正确性进行判断，并根据判断的结果得到时域分析算法（11）阈值uTH的调整量ΔuTH，对时域分析算法（11）阈值uTH的大小进行调整。阈值uTH自适应调整的方法是：当S=1时，即时域分析算法（11）认为有人，若频域分析算法（10）判断无人，则将uTH增加适量的值；当S=0时，即时域分析算法（11）认为无人，若频域分析算法（10）判断有人，则将uTH减小适量的值；其它情况，uTH不变；且uTH范围有一个上限和下限，具体的电路不同，阈值调整的数值会有变化，但阈值调整的规则不变。阈值调整的具体数值的选择需要结合具体的电路，根据调试经验确定，在文末对附图4所示的实施例进行说明时，给出了阈值调整的一组具体数值。通过上述自适应控制算法，时域分析算法（11）的阈值uTH能够随着环境噪声的变化而自动向着最佳的大小调整，大大提高了时域分析算法（11）的性能，在本方案的工作机制中，频域分析算法（10）扮演了教师信号的角色，它对时域分析算法（11）的输出结果进行评价，并指导时域分析算法（11）的阈值uTH向着最佳的方向自适应校正。通过如下策略协调时域分析算法和频域分析算法工作的节拍，避免产生逻辑错误：时域分析算法每5ms执行一次，得到输出结果S，当S=1时，表示有人，当S=0时，表示无人，系统中设有256个字的先进先出缓存，不断接收新的采集数据，频域分析算法一般每5.12s执行一次，并对S进行校验，两种算法的工作节拍必须协调，否则会产生逻辑错误，下面结合附图3的标识进行说明，频域分析算法的采样数据从t1时刻开始，到t2时刻结束，长度为tdata=5.12s，从t2时刻开始调用频域分析算法，从缓存中取出所需数据，在t3时刻得到频域分析算法的结果，tg是算法运行时间，在t3时刻得到的结果表示的是t1到t2时间段内的情况，波形线（12）、（13）、（14）、（15）是S四种可能的波形，代表四种模式。模式1：S为波形线（12），在t1到t2时间内状态未改变，应对策略：频域分析算法每5.12s执行一次，并对S进行校验，将阈值uTH调整一次；模式2：S为波形线（13），在t1到t2时间段的t4时刻，S状态发生跳变，应对策略：取消t1时刻开始的采样，改为t4时刻开始采样，5.12s后执行频域分析算法一次，并对S进行校验，将阈值uTH调整一次；模式3：S为波形线（14），S的上升沿与采样开始时间t1同步，但在采样时间内，S又发生跳变，应对策略：若脉冲宽度tp1≥2.5s，保留t1开始的采样不变，5.12s后执行频域分析算法一次，并对S进行校验，校验时取S=1，将阈值uTH调整一次，同时在S的下降沿增加一次采样，5.12s后执行频域分析算法一次，并对S进行校验，将阈值uTH调整一次；若脉冲宽度tp1<2.5s，取消t1开始的采样，在S的下降沿增加一次采样；模式4：S为波形线（15），S的下降沿与采样开始时间t1同步，但在采样时间内，S又发生跳变，应对策略：若脉冲宽度tp2≥4s，保留t1开始的采样不变，5.12s后执行频域分析算法一次，并对S进行校验，校验时取S=0，将阈值uTH调整一次，同时在S的上升沿增加一次采样，5.12s后执行频域分析算法一次，并对S进行校验，将阈值uTH调整一次；若脉冲宽度tp2<4s，取消t1开始的采样，在S的上升沿增加一次采样。本发明的有益效果是：1、本发明方案的频域分析算法的阈值能随着环境温度的变化而变化，时域分析算法的阈值能随着噪声的变化而自动向着最佳方向调整，因此，本发明抗干扰性好，检测距离高，并且同时具有响应快速、及时的优点；2、本发明方案对PIR信号的处理主要通过软件来实现，并且算法简洁，可以在中低端单片机上执行，并且可以利用太阳能照明装置中光伏控制器的单片机的冗余计算能力来执行，因此，本发明方案电路简洁，成本较低，具有较高的性价比；3、本发明算法中对于系统灵敏度的调节通过软件设置进行，不需要使用带旋转柄的可调电阻来调节，因此，降低了太阳能照明装置防水设计的难度，并且提高了参数设置的便利性；4、在本发明之前的应用于太阳能照明装置的PIR电路都不够理想，有关问题参见
背景技术：
一章的叙述，本发明方案解决了在太阳能照明装置上应用PIR电路的众多问题，首次将PIR电路与太阳能照明装置进行了完美结合，实现有人时开灯，无人时关灯，达到按需照明，可以使太阳能照明装置的负载耗电量成倍的减小，从而使得太阳能照明装置中蓄电池和太阳能电池板的容量成倍的减小，因此，太阳能照明装置的初始投资会成倍减小，并且由于负载耗电量成倍减小，可以有条件把蓄电池容量与负载耗电量的比值适当增大，即减小蓄电池的放电深度，这将极大的延长蓄电池的使用寿命，由以上分析可以看出，太阳能照明装置是绿色环保产品，PIR照明控制技术是绿色节能技术，将这两者结合，不仅可以发挥它们原有的优点，并且可以很好的克服太阳能照明装置的两个固有弱点，从而产生相得益彰，1+1>2的效果。附图说明下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1是本发明的电路原理示意图。图2是PIR信号处理的自适应控制算法工作流程图。图3是算法工作节拍同步的说明图。图4是实施例电路原理图。图中1.热释电红外传感器，2.前置放大预处理电路，3.单片机，4.测温电路，5.前置放大预处理电路的输入引脚，6.单片机内置的模数转换器的输入脚，7.测温电路的接口，8.单片机电源引脚，10.软件算法中的频域分析算法，11.软件算法中的时域分析算法，12.时域分析算法输出结果S的四种可能波形之一，13.时域分析算法输出结果S的四种可能波形之一，14.时域分析算法输出结果S的四种可能波形之一，15.时域分析算法输出结果S的四种可能波形之一，16.第1级运算放大器，17.第2级运算放大器。具体实施方式附图4是本发明的一种实施例的硬件电路原理图。热释电红外传感器（1）选用双元型通用传感器RE03B。热释电红外传感器（1）的输出信号脚S与电阻R5、R9的一端连接，电阻R9的另一端与电源地连接，电阻R5的另一端与运算放大器（16）的同相输入端连接。运算放大器（16）、（17）选用通用双运放芯片LM358。运算放大器（16）的反相输入端与电阻R8、R13及电容C13的一端连接，电阻R13的另一端与电容C20的正极相连，电容C20的负极与电源地相连，电阻R8的另一端与电容C13的另一端连接，并与运算放大器（16）的输出引脚连接。运算放大器（16）的输出引脚与电容C7的正极相连，电容C7的负极与电阻R6的一端相连。电阻R6的另一端与电阻R3、电容C4的一端相连，并与运算放大器（17）的反相输入端相连。电阻R3、电容C4的另一端与运算放大器（17）的输出引脚相连，并与单片机（3）的引脚（6）相连。电阻R4的一端与电阻R11、电容C12的一端相连，并与运算放大器（17）的同相输入端相连，电阻R4的另一端与3.3V电源相连，电阻R11的另一端与电容C12的另一端相连，并与电源地相连。单片机（3）选用STM32F103。在本实施例中测温电路的接口（7）为1个引脚，且该引脚（7）为单片机内置的模数转换器的输入脚。单片机（3）的引脚（7）与电阻R1和热敏电阻R2的一端相连，电阻R1的另一端与3.3V电源相连，热敏电阻R2的另一端与电源地相连。热释电红外传感器（1）、运算放大器（16）、运算放大器（17）和单片机（3）通过各自的电源引脚和接地引脚分别与3.3V电源、电源地相连。附图4所示实施例的软件算法参见
发明内容一章中对本发明软件算法的叙述，这里不再重复叙述。附图4所示实施例中，时域分析算法的初始阈值uTH=40mV；频域分析算法的阈值ΔyTH=Kb+KT，其中Kb是基础阈值，Kb=15mV；KT是温度修正值，其大小如表1。上述参数相当于产品的出厂设置，实际使用中，可以通过按键调节基础阈值Kb，相当于改变系统的灵敏度。表1KT取值表温度范围（℃）[-60，0)[0，15)[15，28)[28，32)[32，60)KT（mV）0261115附图4所示实施例中，阈值uTH自适应调整的方法是：当S=1时，即时域分析算法认为有人，若频域分析算法判断无人，则将uTH增加5mV；当S=0时，即时域分析算法认为无人，若频域分析算法判断有人，则将uTH减小5mV；其它情况，uTH不变；且uTH范围不能超过[10mV，2V]。当前第1页1 2 3