热释电红外线感应台灯的设计与实践.docx

热释电红外线感应台灯的设计与实践感应台灯的设计与实践目录感应台灯的设计与实践0一、题目名称1二、摘要2三、系统设计方案23.1 方案的提出23.2 方案的介绍23.3 功能和指标2四、其他方案对比24.1 其他方案一24.2 其他方案二2五、最终方案的实现原理25.1 检测与滤波隔流模块25.2 第一级放大模块25.3 第一次延时25.4 减法器整形放大25.5 比较器整形25.6 加法器转换25.7 光敏电阻25.8 三极管放大电流2六、最终方案电路总图及电路各主要参数2七、在调试过程中遇到过的问题，以及问题的分析和解决。2八、性能测试数据的整理及分析2九、电路的可改进之处2十、PCB版图2十一、感应台灯的延伸2十二、收获与体会2十三、参考文献2一、 题目名称 感应台灯的设计。二、 摘要随着科学技术的发展，如今越来越多的电子产品开始走向智能化，人性化，并且已经走进了家庭，以满足人们日益增长的生活需要。像防盗报警器，智能窗帘，全自动洗衣机等，甚至有些家庭还形成了家电智能一体化，给生活带来了不少的便利。我们的设计思路也是基于此目的，从日常生活中寻找与我们学习生活密切相关的电子设备，加以改进，使之智能化，而台灯成为我们此次设计的首选。本项目针对台灯的节电和使用的方便性进行创新设计与研究，以电路的设计为核心，综合运用热释电红外线感应、光检测等技术，设计制作出智能型多功能的感应台灯。台灯实现了白天不亮，黑暗条件下在人靠近时自发亮，人在时能够保持灯亮，人离开时能够实现台灯的自发延时灭。关键词：热释电红外线感应，光检测，延时灭三、 系统设计方案3.1 方案的提出小学期开始，老师就给我们提出了八个电路的设计题目，由我们自己去选择，当天上午我和同组组员便对老师提出的几个设计题目进行较为深入的讨论；最后我们决定选择设计感应台灯，之所以选择设计感应台灯，主要原因有以下几点：1) 台灯在群众中已被广泛的使用，所以通过设计感应台灯说不定能给千家万户的百姓带来便利与实惠；2) 台灯的设计要求实现人靠近台灯自动亮，人在时能够保持亮的状态，人离开时能够实现台灯的延时灭，台灯的这些功能实现能够让我们联想起所学过的知识，比如说RC延时，光敏电阻，脉冲整形等电工知识，一想到我们的电工理论知识能够学以致用，我们更是跃跃欲试；3) 当然最重要的是感应台灯的设计有一定的难度和挑战性，因为热释电红外触头的敏感性差，要完整的实现功能不那么简单；同志也为了让自己能够学到更多新的东西，锻炼自己的动手能力，让我们坚定了设计感应台灯的决心。3.2 方案的介绍方案设计简单通俗，材料简单易得；不像大多数同学的电路板上插了很多没用的芯片，那样发挥的作用不大，方案的设计过程中，我们始终遵循明确自己电路及每一个电路元件的功能和作用的原则，使电路元件尽可能的发挥作用；在我们设计的电路中复杂元件只用到了四个运放，一个4510的加法计数器和一个三极管，却有效的实现感应台灯的各项功能和指标。完成之后，我倍感欣慰！3.3 功能和指标1) 台灯自动感应开关功能台灯在与人的距离超过0.5米内能够感应到人的到来，并自动感应开关，及时亮灯，在人离开时，即超出台灯的感应范围后，台灯能够自发感应并启动关灯系统；2) 台灯的延时熄灭功能感应台灯为了更加人性化，必须实现延时熄灭的功能，即在台灯启动关灯系统时，能够延时使台灯亮一段时间后再熄灭；3) 台灯的白天不亮功能台灯必须实现在白昼条件下不管有没有人靠近时始终不亮的功能，即台灯必须在黑暗条件才能实现上面的两个功能。四、 其他方案对比由于在方案实施之前， 我们都比较迷茫，还有一个很大的原因是我们在设计电路图时，只限于理论层面，到最后到底能不能实行，还得靠自己认真，耐心的调试，所以在上周三下午之前我们设计了较多的方案，在调试的过程中，我们也设计了不少方案，而且有些方案的设计也不乏创新。4.1 其他方案一设计台灯的过程中我们并没有明确台灯的设计目标，在设计过程中出现了方向性错误，结果差点把台灯设计成了路灯，我们当时的方案图是方案一：路灯形设计方案（该方案只是一个草图，对里边的电阻没有精确地设置，所需电阻，我会在方案描述中主动提出来的）工作原理：该方案设计的较为复杂，但是设计思路较为简单，设计的时候，我们从该电路的三个功能性方面着手：a) 如上图蓝色方框内所接电路，通过光敏电阻所得到的分压变化来比较后输出高低电平，若在黑暗条件下光敏电阻分压增大，比较器输出高电平，否则输出低电平；b) 如上图红色方框内电路部分，通过第一个运放的滤波，第二个运放的放大，第三个运放的减法器整形脉冲，最终输出信号；c) 如上图黑色方框内所接电路部分。通过RC电路和555计数延时电路，当脉冲出现下降沿时，输出信号能够延长从高电平变成低电平的时间最后通过与门将台灯的光敏电阻功能和红外触头的功能联系起来，只有都是高电平，输出高电平精分压高低电平分别位于0.7V上下，超过0.7V三极管导通，发光二极管导通，否则不导通。该方案可取之处：a) 方案设计的逻辑性强，每一步设计紧靠电路功能；b) 光敏电阻的分压设计很合理，当光敏电阻在黑暗条件下能够分压增大，同相端电压高于反相端电压时 输出电压为高电平，否则为低电平；c) 三极管的首次应用和尝试，为后续电路的设计提供了借鉴。该方案的不可取之处：a) 光敏电阻电路和红外感应电路分开增加了电路的复杂性，给电路的接线，插孔带来了很大的不方便；b) 与门和的引入，增加了电路的调试难度，因为输入电压高低电平不一定是与门所允许的输入高低电平，降低了电路的可行性，还有555计数延时器的引入略显多余。c) 该方案最大的缺点是吧台灯设计成了路灯，因为台灯亮了之后，过一段时间会自动延时灭，而不是因为人的离开才灭的。这也是感应台灯设计的最大的难点。4.2其他方案二下图为方案二的工作电路原理图工作原理：如方案一描述该方案也可以从四个方面进行描述：a) 如上图中蓝色方框内的电路部分，两个运放电路，第一个运放和所附带的电容电阻起到滤波隔流的作用，第二个运放的作用是放大；b) 如上图中红色方框内的电路部分，由于电路脉冲可能有上升沿或者下降沿，通过两个运放的分别检验最高电位和最低电位；c) 如上图黑色方框内电路部分，与方案一差不多采用比较器电压法，当输入高电平时，一旦黑暗，比较器输出电位从低电平变成高电平，555的2和6接口电位大于2/3 Uz那么从3端输出为低电位，继电器则导通若在光照条件下则不管输入是否为高电平，比较器输出恒为低电平。实现灯泡的恒不亮；d) 如上图中紫色部分，为一个RC延时功能，实现熄灯延时功能。该方案可取之处：a) 红色部分电路的设计提高了对脉冲信号的敏感性，因为它既可以检测到高脉冲信号，又可以检测低脉冲信号，对脉冲信号的感应更加及时可靠；b) 光敏电阻接电压比较器的方法有效地实现了光照黑暗条件下的灯光的亮灭，为最终方案的设计提供了模板；c) 该方案设计，与方案一相比-去掉了与门，大大的简化了电路，提高了电路信号的敏感性；d) RC延时器的加入也简化了电路，可以更加方便地调节延时的长短。该方案的不可取之处：a) 直接比较，脉冲信号不稳定，就会对后面比较器的干扰特别的大，尤其是敏感性的提高，反而会扩大脉冲信号不稳定性的影响；b) 555计时器的功能不是很明显，无法产生高电流，完全可以用三极管代替，因为三极管的有放大电流的作用，而且接线简单，元器件简洁靠谱；c) 和方案一一样，该方案最大的缺点还是把台灯设计成了路灯，因为台灯亮了之后，过一段时间会自动延时灭，而不是因为人的离开才灭的。这也是感应台灯设计的最大的难点。d) 红色方框内电路双运放电路的设计虽然提高了敏感性，但是在根据电路实际脉冲（脉冲总是伴随着正高电位和负高电位的出现）的情况下，我们没必要进行高低电位的双检测。鉴于方案一和方案二中所面临的困难，以及个方案的优缺点，我们对电路进行全面细致的改进，下面将是我们对最终方案的诠释了。a)五、 最终方案的实现原理由于感应台灯需要实现的功能较多，在设计过程中我们将台灯设计分成以下八大模块：下图为各个模块在整个电路中所处的位置5.1检测与滤波隔流模块红热释电红外传感器只对波长为10m（人体辐射红外线波长）左右的红外辐射敏感，所以除人体以外的其他物体不会引发探头动作。探头内包含两个互相串联或并联的热释电元，而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。下图为脉冲信号在以及放大之前的脉冲信号图一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，于是输出检测信号。由于热释电红外触头的敏感电流只有10A，所以敏感性特别差，经测量，在人接近热释电红外线触头时S端能够感应到电压值的轻微变化，但电压值的上下浮动变化相对于输出电压的平均值1.5V是微不足道的，而且接收到的杂波的波幅程度也会影响我们对感应脉冲的观察和收集，所以在红外线触头的输出S端的电压必须进行滤波和隔流，但由于脉冲非常小又没有放大，所以在滤波与隔流的时候我们必须注意不能把脉冲信号削弱得太多，否则会大大地影响后面脉冲信号的采集。设计电路过程中，我们先接入一个1.195M的电阻，这样可以在一定程度上滤掉一部分直流信号，利用书上带通滤波器的工作原理，分别接入C1和C2还有R2；这样就构成了有源带通滤波电路，对那些频率高于上限频率的杂波进行过滤，有源滤波电路的应用，一方面通过电容来隔离一部分直流，通过示波器观察波形图，估测杂波频率范围，分别调整R1，R2，C1，C2的大小；同理C4，C3，R3，R4也构成一个滤波系统这样在输出端点R5处我们可以观察到波形不再像输入时那样粗糙，滤波的效果较为明显；脉冲信号经输出后，有一定的削弱效果，所测平均电压只有几十毫伏，但是可以观察到脉冲信号波动范围即峰峰值与平均电压的比较值有了明显的提高的：电压平均值峰峰值峰峰值/电压平均值隔流滤波前1.4V40mV1/35隔流滤波后4mV8mV2下图为脉冲信号经过滤波隔流之后的波形图5.2 第一级放大模块下图为电路的第一级放大模块；从而可以将电压的变化幅度扩大16倍；稳定时电压的变化幅度范围变为平均值7.9V；高电位超过12.9 V的脉冲信号。因为在6出口处接了一个二极管，所以脉冲信号的电压值不会超出稳定值7.9V，所以C6处的电压波形图变为：（如下图所示的。这样过滤之后，后面的脉冲信号只需要考虑高电位，有利于后面将波形转换成方波波形。5.3第一次延时第一次延时并不是为了达到台灯的延时熄灭，而是因为热释电红外触头的感应电压不是特别的有规律，因为如果热释电红外触头一次感应得到两个或多个震荡较高的脉冲，那么在后面整形和比较电压时得到的信号电压将不会特别的有规则，如果延时一段时间的话，因为第一个脉冲的峰峰值永远是最大的，前一个脉冲产生的高电平由于延时的效果在变成低电平的过程中会覆盖后面的上升沿，从而让我们得到的脉冲是严格递增的上升沿和严格递减的下降沿。由图可知，在电路来一个高电平时，二极管及时导通电容电压保持在高电平，如果脉冲突然下降，由于电容的放电，能够导致电容两端的电压即输出电压不会发生突变，甚至变化缓慢，这样我们就会得到单一稳定的脉冲，在后面的电压比较器中用处很大。下面是经过第一次延时后所绘制的波形图：由图中可以看出，经过调整后，有效地解决了脉冲信号过于跳跃，不稳定的状态。其实因为脉冲信号的失真，高电平保持在15V左右了。5.4减法器整形放大由于得到的脉冲只有1到2 V的脉冲波动，还是不能达到万无一失的比较要求，波动范围太小，而比较器的比较电压值是恒定不变，为了提高感应的灵敏度，做到保证每一个单一稳定的脉冲的峰值能够超过电压比较器的电压比较值。必须先将电压减掉一恒定值，然后再进行放大处理，这样可以提高高低电平之间的电位差，有利于电压比较器的比较判断，得出稳定正常的方波脉冲信号。令输入信号为U1，那么U2=8V；由右图可知：输出电压U3与U1存在如下关系带入可知输出的低电位仍为8V，显然，理论上高低电位差变成了3倍，但由于脉冲不能超出偏置电压15V，所以高电位变成了15V，因此脉冲信号的幅度由之前的7.9到12.9变成了8到15 的跃变；该电压值的测量与理论计算几乎完全恰和。5.5比较器整形经过了减法器后的波形高低电平的差值已经很大，脉冲现象也非常的明显，为了将低电位整合成接近0V的低电平我们需要一个电压比较器对脉冲进行整形电压比较器的基准电压为10V为了稳定，我们添加一个10V的稳压管，输出端也添加一个10V的稳压管，是输出高电平稳定在10V。因此的到的波形将是一个高电平为10V，低电平为接近0V的严格的方波信号：下图为经过电压比较器后的波形图：5.6加法器转换加法器采用4510，当4510的D0端输入脉冲，Q0端输出信号时，D0端来一个方波脉冲信号，Q0端便变为高电平；再来一个方波脉冲信号，Q0端又变为低电平。实现了二进制的计数功能。下图为输入脉冲与输出信号的对比图由图便知4510的计数作用。一个脉冲高电平，两个脉冲低电平。在加法器输出信号后边再接一个RC延时器，这样可以实现灯泡的延时熄灭:下面为接了RC延时之后与未加延时的电路图对比：5.7 光敏电阻引入光敏电阻，在接入光敏电阻之前，我们对光敏电阻的阻值进行了测量，在光照条件下光敏电阻的阻值为10K，黑暗条件下光敏电阻的阻值为1M；采用光敏电阻分压的方式将三极管B极的电压，即在黑暗条件光敏电阻两端的电压限定在高电平为1V左右，低电平为0V左右的，由于光照光敏电阻阻值变小，两端电业接近0V。又实现了感应台灯另一大功能。5.8三极管放大电流三极管的一个作用是放大电流，因为继电器工作需要大电流，其次三极管的导通电压为0.7V左右，由于光敏电阻的分压高电平时B端输入为1V左右大于0.7V，三极管导通，继电器通电工作，低电平0V三极管不导通，继电器不工作。六、 最终方案电路总图及电路各主要参数最终方案的详细电路图电路中的实际参数值及部分实际测量的关键数据：电阻值：光敏电阻R17范围：10K1M电容值：七、 在调试过程中遇到过的问题，以及问题的分析和解决。1. 滤波提取信号问题描述：方案一在刚刚连接好电路后，由于电容和电阻的设置不合理造成输出信号感应不到脉冲信号。分析：之所以感应不到脉冲信号主要是因为滤波隔流模块电路在滤掉杂波和部分直流时，使脉冲信号得到了较大的削弱。从而感应不到脉冲信号。解决：减小C2增大R1，这样既可以稳定滤波电路，另一方面减小了滤波对脉冲信号的削弱，也减小了直流信号的削弱，所以在后续电路中科适当添加一个减法器，将放大后的直流减掉。保留和放大脉冲信号。2. 灵敏度问题描述：灵敏度问题是一个宽泛的问题，影响它的因素特别的多：比如说敏感性差，脉冲信号高电位不明显，或者中间元器件没有正常工作，从观察信号的旁观者看来，只会觉得这是灵敏度不够高造成的。 分析：正如问题描述中提到的，我们要解决灵敏度问题，必须弄清楚是哪部分处问题了，第一级放大后我们测量发现电压平均值已经8V了所以放大器的放大倍数已经合适，应该是直流信号过大造成的。解决：在放大后添加减法器，这样先将平均值减少然后放大之后我们得到的高低电位之间的电压差就变大了。3. 4510问题描述：刚开始使用4510时，总得不到自己想要的波形图，在输入信号虽然为稳定的方波脉冲信号，但是输出的效果总是出乎意料，4510 的输出，有时候是不工作，有时候是不正常的工作，例如来一个上升沿输出脉冲的信号并不发生跳转。分析：遇到第一个问题时，我们首先想到的是输入信号的可靠性，所以我们对比较器输出电压的波形图进行了观察发现输入信号是感应出来的严格的方波脉冲信号，并没有不合适，这时我们想到可能是4510的偏置电压过低导致计数器带不起来，经过分析和测试后，我们发现4510的偏置电压为14.5V，而输入信号的高电平电压为15V，所以4510带不起来，其次4510不能正常工作也许是因为管脚的接法欠妥。解决：对于前者，我们在输入信号端加一个10V的稳压管，这样输入方波的高电平变为10V要远远低于4510的偏置电压。第二个问题，我们和老师进行了讨论，老师给我们的建议是管脚的解法可能欠妥，为此我们查阅了相关资料，对4510的内部结构进行了熟悉和分析，发现其实4510的各个接口D0，D1，D2，D3；Q1，Q2，Q3，Q4之间的电位是相互影响的，因为Q0工作的同时Q1，Q2，Q3也同时在工作。后来我们尝试将多余的管脚全部接地，4510工作正常了。4. 比较器基准电压不稳定问题描述：在接入比较器后发现输出的脉冲信号特别的不稳定，后来我将示波器接到基准电压上发现，来一个脉冲基准电压也随之上下波动，不稳定；因此连基准点都不稳定，那么输出电压更加不可能稳定了。分析：因为比较傲气属于运放，是虚短路，反相端和同相端的电位多多少少会相互影响，所以我们必须想办法让基准电压稳定下来。解决：在基准电压上接入一个10V的稳压管，这样比较电压的基准值就稳定在了10V左右。5. 集成芯片后级反馈描述：在电路的调试过程中，我们发现之前调好的电路在添加了后续电路后发现前面的集成电路不能够正常工作了。分析：因为前一级的偏置电压后一级所允许的偏置电压不一样，比如说如果前面电路的偏置电压为5V后面电路的偏置电压却是15V这样就会造成电路的不平衡和失调。解决：调节使前后偏置电压一致，以及偏置电压的变化范围一致。6. 集成芯片的负输入描述：减法器输出信号，输入比较器，发现得不到理想的比较器输出。分析：因为是比较器，就观察两个输入端的情况，发现输出端出现了负值。对应波形图，发现参考电压突变时，另一输入端是一个负的低电位。考虑到片子的偏压设置是0V和15V，应该是输入负压后，片子失效，导致另一输入端也产生突变，与理想效果冲突。解决：主要的问题集中在产生了负压上，我们就在输入前加了一个整流二极管，消除了负压的影响，解决负输入的多余信号影响。7. 继电器不能运行。描述：虽然脉冲信号经过各模块后输入三极管B端的电压超过了0.7V，即三极管处于导通状态，此时继电器两端的电压理论上应该为5V但由于电流不够大，继电器始终带不起来。解决：此时我们想到应该提高B端的高电平输入电压，但又必须保证低电平电压不超过0.7V，所以我们在R14和光敏电阻。8. 脉冲信号失真所造成的“蝴蝶效应”描述：在接收信号感受电压特别高的时候，以致远远超出偏置电压，往往会出现感应电压高电平的失真，此时一个脉冲的失真，会产生很大后续失真，需要相当的一段时间脉冲信号才能恢复稳定，重新工作。分析：该问题的出现一般不是很常见，但是我觉得解决该问题的方法也很多，比如可以提高接收芯片的偏置电压，也可以采用电容电阻滤波将电路的信号全部削弱，在后续的电路中再增加放大级数。解决：如分析所说，一方面增加偏置电压，另一方面削弱输入信号，再对输出信号进行放大八、 性能测试数据的整理及分析1. 滤波隔流模块1) 滤波隔流前数据稳定的时候为平均值1.4V，波动范围为40mV.2) 滤波隔流后数据稳定的时候为平均值4mV，人向0.5m靠近或离开时波动幅度为0到8mV之间的震荡分析：前后数据的对比发现虽然波动范围变小了，但是该模块起到了滤波和隔流的效果，而且波动范围与平均值的比值也变大了。2. 第一级放大第一级放大后输出电压为平均值为7.9V，来一个脉冲出现的高电位为12.9V；由于整流二极管的作用，电压不会向下跃变。3. 放大倍数的计算由上面数据可知，经过第一级放大后电压平均值放大到2000倍，变化幅度放大到625倍。4. 减法器输出减法器的稳定电压平均值仍为8V，但是波动范围扩大了三倍，由于偏置电压的限制，所以在人靠近或者离开时的高电平变为15V。5. 比较器比较器的基准电压为10V，为了得到10V的稳定电压，我们添加了一个10V的稳压管，比较输出高电平为14.6V，加了稳压管后，高电平变为10.2V，低电平为2.13V。6. 4510计数器计数器偏置电压为14.6V，输出的高低电平分别为14.6V和196mV7. 光敏电阻在光照条件下，高电平时B端电压为500mV，低电平时为0mV左右，都低于0.7V这时候三极管根本无法导通。在黑暗条件下，高电平为875mV超过了0.7V，低电平也是0。023mV左右，所以高电平导通，低电平不导通。九、 电路的可改进之处1. 感应距离的提高由于我的电路的感应距离只有1m左右，一旦感应距离超出了1m，我的感应台灯便不发挥作用，所以我觉得感应距离之所以小，主要是因为我们没有对红外触头感应到的脉冲信号进行充分利用，而应该像方案二设置高低电位的双重感应，这样就充分利用了脉冲信号的特点，能够使敏感性得到了较大的提高；2. 计数器改进4510计数器有点大材小用，4510本是一个计数器，而我们仅仅之利用了里边的二进制，而应该改成1位二进制的计数器或者将JK触发器该成T触发器。也可以实现相同的功能；3. 多余信号的处理由于多余信号的干扰我们在后面提取上升沿的时候，会出现各种杂乱无章的信号，影响实验结果，所以我们可以利用电工书本上学过的迟滞比较器来消除基准电压周围的杂波跳动；4. 延时器的改进我们的方案中两次用到延时器，两次延时都是采用RC延时，这样对RC的值要求比较大。给调试带来了很多的麻烦，因为在增加延时的时候，不知道是增加电容还是增加电阻。当改变其中的任何一个参数多多少会影响总电路的其他效果，可以考虑使用555定时器来实现比较理想的延时效果。而且555的偏置电压只有5V左右，不是很高。十、 PCB版图十一、 感应台灯的延伸1. 保护视力功能我们可根据实际情况设定用眼的提示时间，提示时间有30分钟，60分钟，90分钟，120分钟，4个模式，从使用台灯时开始计算，当我们到达设定的提示时间后，由感应台灯系统会发出语音提示，提醒用户注意休息，科学安排用眼时间，保护视力；另外一种情况是，当用户使用台灯时的坐姿不正确时，系统也会发出语音提示，提醒用户纠正坐姿。两次纠正坐姿提示后，如果用户还是这种坐姿，则可认为用户伏在桌子上休息，台灯渐渐熄灭。2. 自动，手动调光功能在智能模式下，我们可以根据人体到红外线触头的距离大小，即感应到脉冲信号的高电位的最大值大小调节台灯亮度，如果人离得比较远，则台灯亮度会适当缓慢提高；另外，台灯也可以能根据外界的光照强度自行调节台灯的亮度，创造一个合适的光照环境；如果不需要自动调光，可以用旋钮来进行手动调光，或者使用无线遥控进行调光，可以根据需要来控制台灯的亮度。3. 太阳能充电功能台灯除了有220V交流电供电，主要是利用太阳能电池板吸收太能能给台灯的电池充电，充分利用绿色能源，符合节能，低碳的发展趋势。4. 安装可调节台灯感应距离的旋钮我们可以通过改变电路的放大倍数或者更改部分电路的功能特性来实现感应台灯的感应距离课改变性。十二、 收获与体会虽然已经经历过好几次小学期，但是这一次确实不同于以往，首先，在从选题到设计，再到最后实践调试，全部是我们自己完成。因为基本上是第一次接触，生怕自己弄不出来，也就是说我们刚开始的信心不够，在进入实验室之前，我们积极地查阅资料，设计了各种精益求精的方案，本着该方案一定能够实现的想法。但是进入实验室，开始接我们的电路的时