毕业设计（论文）-一种普通电饭煲节能插座的可行性研究.doc

本 科 生 毕 业 论 文 学 院 电气信息工程学院 专 业 电子信息工程 届 别 2010届 题 目 一种普通电饭煲节能插座的可行性研究学生姓名 学 号 指导教师 教 务 处 制 云南民族大学毕业论文(设计)原创性声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文(设计)，是本人在指导教师的指导下进行研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，本论文没有抄袭、剽窃他人已经发表的研究成果。本声明的法律结果由本人承担。 毕业论文(设计)作者签名： 日 期： 年 月 日关于毕业论文(设计)使用授权的说明本人完全了解云南民族大学有关保留、使用毕业论文(设计)的规定，即：学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布论文(设计)的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文(设计)。（保密论文在解密后应遵守）指导教师签名： 论文(设计)作者签名： 日期： 年 月 日目录一前言1.1 节能插座的研究背景和目的 1.2 节能插座的研究现状1.3 节能插座的研究前景1.4 本次节能插座的研究内容1.4.1 本次毕业设计所应用的原理1.4.2 本次毕业设计的目的 1.5普通家庭电饭煲简介 1.5.1介绍 1.5.2结构组成 1.5.3工作原理二本次课题设计的原理2.1 本次设计中使用到的芯片2.1.1 红外热释电传感器的原理2.1.2 BISS0001芯片的工作原理2.1.3 继电器的工作原理2.2 电路的工作原理2.2.1 接收电路的工作原理2.2.2 放大电路的工作原理2.2.3 执行电路的工作原理2.2.4 5v电源的产生电路三系统设计 3.1 供电部分电路的设计 3.2 接收部分电路的设计 3.3 放大处理电路的设计四系统的调试4.1 系统的上电4.2 系统的不足与调试4.3 系统的优化4.3.1 系统电源的优化4.3.2 系统继电器的优化4.3.3 系统的可扩展性4.4 系统的成本和体积估算5 总结六参考文献七致谢一种普通电饭煲节能插座的可行性研究作者：王久领单位：电气信息工程学院摘要 本次研究主要内容是通过设计电路,设计出一种人体感应插座,这个插座能做到人到开启,人离开关闭的功能。即在普通电饭煲煮熟饭的情况下，感应插座置于厨房门口，人在厨房内做菜时插座供给电饭煲保温用电，人离开厨房插座断电。本次设计中使用到的元器件主要有热释电红外传感器RE200B,热释电红外传感信号处理器BISS0001，继电器。人体信号由电路的热释电红外传感器接收到,经过电路的放大处理,再经过热释电红外传感信号处理器BISS0001的信号处理,控制继电器的通断,达到控制开关的目的。 本设计旨在对节能插座对普通家庭电饭煲节能性的研究。同时，能让节能走进生活，共创低耗。 关键词：热释电红外传感器RE200B；热释电红外传感信号处理器BISS0001；继电器一、前言1.1节能插座的研究背景 在能源枯竭的今天，人们想尽一切办法去开发新的能源，但是随着家用电器、视听产品的普及，自动化办公设备的广泛应用和网络化的不断发展，越来越多的产品具有了待机功能，如遥控开关、定时开关、智能开关等等。但人们在享受便捷的同时，待机状态下所消耗的能源也在造成惊人的浪费。据中国节能认证中心调查，我国城市家庭的平均待机能耗，相当于每个家庭每天都在亮着一盏15瓦到30瓦的长明灯。专家们把待机能耗比喻为“吸血虫”。据测算，家电待机能耗占到中国家庭电力消耗的10%以上。 据调查，我国家电待机现象十分普遍，有近七成的家庭使用家电后不关闭电源，三成多市民甚至不知道待机也会耗电。电器长期待机有三宗“罪”。之一：耗费电能惊人不节能。电器待机年“吃”掉国家数百亿度电。之二：意外事故频频发生不安全。据统计，火灾损失中有3成以上是由电气火灾引起的，其中的罪魁祸首竟是连接电器的插座。究其原因，除了插座质量不过关以外，另一个重要原因即是处于长期通电状态下的电器，存在安全隐患，待机时间一长，导致超负荷工作而发生危险。插座已经成为家庭用电安全的软肋！之三：降低电器使用寿命不经济。此外，电器待机不仅消耗电能，因为长期通电，原件寿命会大大缩短，使电器过早报废。并存在电器着火隐患！ 目前，待机功耗引起了各国政府的关注，美国、欧盟等许多国家和地区纷纷制定了产业政策，修订相关产品标准，降低待机状态下的能源浪费。我国从今年3月1日起，彩电实施能效新标准，待机能耗高于9瓦的彩电不能上市销售。 所谓待机能耗，就是电器不拔插头时所耗费的电能。据中国节能产品认证中心的调查，待机能耗较大的产品有：电脑、空调、电视、DVD、VCD、音响功放、录像机和打印机等。上海市能源利用监测中心的报告显示，单台电视机加上DVD、功放、音响，整个家庭影院系统待机能耗30瓦左右。在关机状态下，电脑的显示器、打印机、扫描仪、音箱合计待机能耗20瓦以上。随着夏季用电高峰的到来，使用空调的用户明显增多，空调待机能耗会更多。如果将待机能耗放到一个宏观的背景下进行估算，那么结果会更惊人。以74厘米彩色电视机为例，按平均待机能耗18瓦，一天待机16小时，以2000万台电视机计算，每年浪费电能达21亿千瓦时。普通壁挂式空调，如果不拔插头，按平均待机能耗30瓦计，一个壁挂式空调一年将浪费246千瓦时，以全国1亿家庭计算，每年要浪费246亿千瓦时。三峡工程设计安装26台70万千瓦发电机组，机组全部投产后年平均发电847亿千瓦时。有人保守地估算，待机浪费的电能将抵消掉三峡的发电量。 随着我国的经济发展，建设节约型社会已经写入十一五发展规划，成为人们日常生活的主题。我们觉得它不仅表现在每个人的节能行动上，更可以通过改进设备的使用来达到节能的目的。目前，以我国电脑拥有量5299万台计算，一年全国电脑累计关机状态下耗电量很可能超过19亿度。电脑关机耗电因光驱、硬盘等配置不同而不同。一般来说，关机状态下的电脑功耗为：主机4.3W，显示屏3.5W，合计7.8W左右。假设每台电脑每天关机16小时，一年一台电脑累计关机状态下耗电36.2度。以芯片供应商英飞凌(Infineon)所做的调查而言，以美国一地为例，只要关机的电脑中有百分之一关闭显示器，每天省下的电量约是36万千瓦，相当于一座中型发电厂所能发出的电量。人民日报的一个数字更令人触目惊心：在中国仅不关显示器和打印机每年浪费12亿度电！欧盟规定，计算机在睡眠和关闭状况下的能耗须低于10瓦和3瓦，我国目前仅有10.5的计算机能够达到这一要求；美国规定，显示器在睡眠和关闭状态下的能耗须低于4瓦和2瓦，我国目前仅有19的显示器能达到这一要求。 有专家发现，不良的习惯是造成能源浪费的关键，而节能插座的研究，将给我们解决待机功耗问题带来新的思路。节能插座的工作原理很简单，就是通过先进的嵌入式技术，将智能化的电源管理芯片内置于普通插座，通过继电器切断插座的交流电路，从而达到省电的目的。通过这种方法，人们不必改变自己的习惯就可以达到省电的目的。1.2 节能插座的研究现状自节能类开关问世以来,节能开关得到了迅速的发展.目前市场上已经出现多种有节能保护了的开关和插座等等.人们从各种途径来减少各种电器的待机功耗,比如现在已经在市场上热卖的”小管家”节能环保插座. 节电专利产品“小管家”智能插座实质上是一个电源管理器，这类具有聪明“小电脑”的插座使用了最新嵌入式技术，可使其在无需拔掉插头的情况下自动控制断电，使用者可傻瓜式操作。如在关闭电脑程序或遥控关机时，插座内微电脑智能检测自动切断主机及周边设备电源，电脑开机或遥控开机时就可自动接通电源。当前，针对电脑、电视机用户的各类智能插座，不仅起到很好的节电效果，还兼具治理谐波、消除浪涌、稳压防雷作用，大大增强了电器设备的使用寿命。 由于第一批进入上海市节能产品应用推荐目录,“小管家”智能型电源管理器时下在上海每月销售超过2万个。在百思买、苏宁电器等门店，价格从80元至200元不等的各类智能插座套装，成为一些单位团购的年节礼包。由于不同电器功率不同。因此智能插座还分为电脑、空调、电视和家庭影院专用等系列，一般来说使用一年省下的待机能耗电费，就相当于智能插座自身价格。 从小管家的热卖可以看出节能类插座非常受到市场的欢迎.但是在调研市场的过程中我发现一个问题,目前市场上大部分的节能插座都会含有一个遥控器,就是人们需要主动控制这些插座的通断,这就给我们使用插座带来了不方便.比如我们随身要带个插座的遥控器?或者我们忘记了关掉插座,或者插座的遥控器丢失了怎么办?诸如此类的问题很多.所以在这次设计中,我们打算设计一种新型的节能插座,这种插座不需要遥控器的命令,他能自己”感受”到人的信号,从而自己控制内部的通断,这将给我们带来更大的方便. 令一个方面,目前的节能产品大都要针对某一类产品,比如电脑小管家,电视小管家,冰箱小管家,通常这类节能插座是通过插座里面的电流感应器来感应电器的工作情况,从而来控制电器的工作.比如电器在开机和关机的瞬间,电流会急剧增大,节能插座会根据瞬间电流来判断用电器的使用情况.我们这次设计的插座,不需要判断电流情况,而是通过接收外部人体信号来控制插座,红外热释电传感器的价格低廉,从而达到了节省成本的目的.1.3 节能插座的研究前景 随着人们生活水平的提高,人们身边各种电器将会越来越多,这将会刺激人们去研究和开发更加先进的节能环保类插座. 节能插座模块最重要是节能，还有就是质量要稳定，以及自耗电要小.现在市场上所有的节能插座他的本身会有一定的功耗,所以我们要研发新型的节能插座,将需要从降低插座的本身功耗入手,尽可能的通过科学方法降低插座本身的功耗,是插座的节能效率进一步提高. 另一个方面,插座本身的寿命需要尽可能的长,目前市场上的节能类产品的寿命是2年左右,一个插座使用2年以后,插座内部的各种控制电路将渐渐的老化,导致插座的性能不稳定.这就是说我们必须2年更换一次节能插座,这将给我们带来另一种损失. 更有一个方面,目前市场上的节能插座价格普遍偏高,我从因特网上查到,在上海地区,一个普通的节能插座要卖到200多元,这么贵的价格对于一个上海食品来说或许说不算昂贵,但是对于农村人民来说应经相当昂贵,我相信没有哪个农民乐于花200元买个插座放家里面,因为农村人每年的用电费用也不过就200元左右.但是我们中国70%的公民是农村人,所以研发出价格低廉的节能插座,从而向农村推销节能插座将会为我们节省出更多的能源. 另外,目前市场上的节能插座大都应用在家庭办公中,所以插座本身能提供的功率不是很大, 我们能不能设计出大功率的节能插座,从而使节能类产品应用在企业中呢.所以在将来,我们需要设计出负载很大的节能插座,以满足大公司对节能插座的需求. 总的来说,节能插座将会是21实际生活中一个常见的用品,但是目前的插座远远不能满足我们的要求,我们需要改进的地方还很多.1.4 本次节能插座的研究内容 本次研究主要内容是通过设计电路,设计出一种人体感应插座,这个插座能做到人到开启,人离开关闭的功能。即在普通电饭煲煮熟饭的情况下，感应插座置于厨房门口，人在厨房内做菜时插座供给电饭煲保温用电，人离开厨房插座断电。本次设计中使用到的元器件主要有热释电红外传感器RE200B,热释电红外传感信号处理器BISS0001，继电器。人体信号由电路的热释电红外传感器接收到,经过电路的放大处理,再经过热释电红外传感信号处理器BISS0001的信号处理,控制继电器的通断,达到控制开关的目的。1.4.1 电路的原理图 本次设计中使用到的元器件主要有热释电红外传感器RE200B,热释电红外传感信号处理器BISS0001，继电器.他们的连接方法如下图. 人体信号由电路左边的热释电红外传感器接收到,经过电路的放大处理,再经过热释电红外传感信号处理器BISS0001的信号处理,控制继电器的通断,达到控制开关的目的.1.4.2 本次设计要达到的目的 在本次毕业设计中,我们要达到2个目的,一是我们要把上面的电路更加的完善,让电路的性能更加稳定,在完善电路的过程中我们要焊接出电路,然后进行调试,检验,知道符合我们的要求为止.此外,我们要在Protel上画出电路的原理图,然后进一步画出电路的PCB图,方便以后电路芯片的制作. 1.5普通家庭电饭煲简介1.5.1介绍 电饭锅（Electric cooker）的发热元件，有电热管式发热板及P.T.C.元件发热板。电热管式发热板具有良好的绝缘性、耐蚀性、导热性和机械强度，寿命长和效率高；P.T.C.元件发热板具有正温度电阻系数和自动控制温度的特性，效率高，无明火，受电源波动影响小。 电饭锅的温度控制元件有双金属片温度控制系统和磁性材料温度控制系统，前者不如后者安全可靠。电饭锅按锅体的结构形式分为组合式和整体式；按使用时锅内压力分为低压式(0.04MPa)、中压式(0.1MPa)和高压式(0.150.2MPa)；按加热食物的方式分为直接加热式和间接加热式。自50年代起，电饭锅开始普及。1986年美国电饭锅产量为590万只，日本为690.2万只，1987年中国电饭锅产量已达1026.32万只。80年代中期，装有微处理器的电子电饭锅开始投放市场（火力、温度、时间、升温模式等）。1.5.2结构组成电饭锅一般由锅体、电热元件、控温和定时装置组成。 锅体：有内、外两层或内、中、外3层。内锅体用来盛装欲烹制的食物，常以铝合金和搪瓷或不锈钢制作，其内表面涂覆聚四氟乙烯以防止食物粘锅；外锅体起安全防护和保温作用，一般均用薄钢板制作，表面喷漆或涂搪。内外两层锅体之间可以是空气夹层，也可以填充绝热材料。三层锅体是在内外两层锅体间加有中锅体，形成蒸锅并起双重保温作用。 电热元件：通常为金属管式，大多铸于铝质发热板里，发出的热量经发热板 均匀地加热内锅体底部。一般电饭锅仅设一只底部电热元件。为获得更佳烹制效果，有些高档产品上设24只电热元件，分别作为顶盖加热器、侧周加热器，功率可分多档。 控温和定时装置组成普通电饭锅上常采用的控温装置，一般由限温器和恒温器两部分组成。前者保证锅温不会超过某一定值(通常为1032)，安装在发热板中心的空腔处；后者保证锅内食物煮熟后稳定在6080，安装在发热板下或其他适当位置。80年代以后，定时器在电饭锅上的应用越来越多，主要是发条式机械定时器。 1.5.3工作原理电饭锅的工作原理如图所示。将盛好食物的内锅放到发热板上，使其底部与发热板中心的限温中感温软磁铁贴合。按下琴键开关，软磁铁下方的永久磁铁即上升至与软磁铁接触；此时锅尚未升温，软磁铁处于居里温度以下，呈良好铁磁性，能被永久磁铁磁化并将其吸持在高点位置。处于高点位置的软磁铁带动内部杠杆动作，将电路上、下触点接通，电热元件通电发热，锅内食物被加热升温。当内锅底温度达到1032（此为软磁铁的居里温度）时，软磁铁立即感知而失去磁性，在重力及内部弹簧的共同作用下从高点位置落下，并由此带动杠杆机构，使电路上、下触点脱离，电路断开，电热元件不再发热，达到限温目的。但此时发热板仍处于高热状态，其热容量较大，可对锅内食物继续加热一段时间，直至食物熟透。为了使食物维持在适宜温度，有的电饭锅还设有小功率加热线路，用一个双金属片恒温器控制其工作温度。二:本次毕业设计的原理2.1 本次设计中使用到的芯片原理2.1.1 热释电红外传感器的原理 近年来,自动控制技术采用光测技术的场合不断增加,且已由可见光向红外光发展。90年代初期，人们采用新材料研制成功了一种新型传感器件一热释人体红外传感器，它专门用来检测人体辐射的红外线能量，目前已广泛应用于国际安全防御系统、自动控制、告警系统等。 目前，市场上常见的热释电传感器有国产的5002、PH5324、日本的seA02一l、美国产的P2288等，虽然型号不同，但其结构、外形和电参数大致相同，且大多数可以互换.在本次设计中使用到了RE200B. 热释电传感器由敏感单元,场效应管,高阻抗变换管,滤光窗等几个部分组成，并且在氦气环境下封装而成。 从根本原理上讲，热释电传感器对任何发热体都有反应，但因它自身的频率及波长响应特性决定了该传感器只在由于外界的辐射而引起它本身的温度变化时，才给出一个相应的电信号，当温度的变化趋于稳定后，就不再有输出信号，即热释电信号与它本身的温度的变化率成d二比因此，可以说:热释电传感器只对运动的人体敏感。 山于敏感元件是一种广普材料，对各种波长具有一定的敏感性，为了对阳光、电灯光等有定的抗干扰性，而对人体发出的红外线最敏感，故在一块薄玻璃片上镀上多层滤光层薄膜，然后用该片作为滤光窗该光窗能有效地滤除70一14pm波长以外的红外线。 物体发出的红外辐射能量最强时，其波长与温度的关系满足入:m*T= 2989(m*K)，其中:m为最大波长，T为绝对温度)，而人体温度为36一37，辐射红外线最强波长为9.67一9.64m，中心波长为9.65m ,所以，人体辐射的红外线最强的波长恰好落在滤光窗的响应波长范围内。因此，滤光窗能很好地让人体辐射的红外线通过，而阻止其它射线通过，以免引起干扰。但是，当与电灯距传感器太近时，由于灯泡发热以及漏进的可见光，在灯泡开关时，仍有可能因传感器有信号输出而使后续电路误动作。 热释电传感器只有与菲涅尔透镜配合使用才能发挥最大作用。加装菲涅尔透镜可使传感器的探测半径从不足2m提高到至少10m范围。菲涅尔透镜实际是一个透镜组，份个单元般都只有一个不大的视场，且相邻的视场既不连续，也不交又，都相隔一个盲区。这样，当人休在装有菲涅尔透镜的传感器监控范围内运动时，人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜传到传感器L，形成一个不断交替变化的盲区和亮区，使得敏感单元的温度不断变化，传感器从而输出信号或者说，人体在监控范围内活动时，进人一个视场后，又走出这个视场，再进人另一视场对传感器而言，相当于会儿看到人，一会儿又看不到人，人体的红外线辐射不断改变传感器的温度，使之有一个又一个相应的电信号。热释电传感器的侧视图：热释电传感器的底视图： 人体红外传感器的输出电压仅为数mV,有效的信号频率约为（0.1-10）Hz，因此，红外传感信号的处理是以方面要将传感信号放大到数字电平，一方面要滤除传感器自身的自身干扰和外界的热辐射干扰引起的差动信号。一般采用低功耗运算放大器组成现行放大器，窗口比较器等。 2.1.2 BISS0001芯片的工作原理B ISS0001是一款高性能的被动式热释电红外线传感信号处理器. 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. BISS0001引脚功能说明B ISS0001的管脚说明见下图：引脚1 (A) :可重复触发和不可重复触发选择端. 当设为“1”时,允许重复触发;反之,不可重复触发.引脚2 (VO ) :控制信号输出端. 由有效触发的上跳变沿触发,使VO 输出从低电平跳变到高电平视为有效触发. 在输出延迟时间外和无有效触发时, VO保持低电平.引脚3、4 (RR1、RC1) : 输出延迟时间Tx 调节端.引脚5、6 (RC1、RR2 ) : 触发封锁时间Ti 调节端.引脚5、6 (RC1、RR2 ) : 触发封锁时间Ti 调节端.引脚11、7 (VDD、VSS ) :工作电源正、负端.引脚8 (VRF /RESET) : 参考电压及复位输入端. 通常接VDD ,当接“0”时,可使定时器复位.引脚9 (VC ) :触发禁止端. 当VC 0. 2VDD时,禁止触发;反之,允许触发.引脚10 ( IB ) :运算放大器偏置电流设置端端.引脚13、12 ( 2 IN - 、2 OUT) :第2级运算放大器反向输入端、输出.引脚14、15、16 (1 IN +、1 IN - 、1 OUT) :第1级运算放大器同向输入端、反向输入端、输出端. BISS0001的内部框图见下图BISS0001采用高性能CMOS工艺制造,功耗很低;工作电压是36V,推荐使用5V;当工作电压为5V时,输出的驱动电流对应为10 mA;工作温度为- 2070;贮存温度- 40125. BISS0001工作原理 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. 它可被设置为可重复触发和不可重复触发2种方式. 下面分别介绍2种工作方式. 不可重复触发方式工作原理图见下图 根据实际需要,利用运算放大器OP1 组成传感信号预处理电路,将信号放大. 然后耦合给运算放大器OP2 ,再进行第2级放大,同时将直流电位抬高为图2所标注的VM ( 015VDD )后,将输出信号V2转换成有效触发信号VS. 由于VH 017VDD 、VL 013VDD ,所以,当VDD = 5V时,可有效抑制1V的噪声干扰,提高系统的可靠性. COP3是一个条件比较器. 当输入电压VC VR 时, COP3 输出为高电平,进入延时周期. 当A端接“0”电平时,在Tx 时间内任何V2 的变化都被忽略,直至Tx 时间结束,即所谓不可重复触发工作方式. 当Tx 时间结束时, VO 下跳回低电平,同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期Ti.在Ti 时间内,任何V2 的变化都不能使VO 跳变为有效状态(高电平) ,可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。 可重复触发方式见下图： 可重复触发工作方式下的波形在VC =“0”、A =“0”期间,信号VS 不能触发VS 为有效状态. 在VC =“1”、A =“1”时,VS 可重复触发VO 为有效状态,并可促使VO 在Tx 周期内一直保持有效状态. 在Tx 时间内,只要VS 发生上跳变,则VO 将从VS 上跳变时刻起继续延长一个Tx 周期;若VS 保持为“1”状态,则VO一直保持有效状态;若VS 保持为“0”状态,则在Tx 周期结束后VO 恢复为无效状态,并且,同样在封锁时间Ti 时间内,任何VS 的变化都不能触发VO 为有效状态。此设计中BISS0001 的运算放大器OP1 作为热释电红外传感器的前置放大。由C3 耦合给运算放大器OP2 进行第二级放大。再经由电压比较器COP1 和COP2 构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号去启动延迟时间定时器。输出信号经晶体管T1、驱动继电器去接通负载。SW1 是工作方式选择开关，当SW1 与1 端连通时，红外开关处于可重复触发工作方式；当SW1 与2 端连通时，红外开关则处于不可重复触发工作方式。2.1.3 继电器的工作原理在控制部分使用的继电器型号是 HK3FF-DC5V-SHG,该继电器有5个引脚，其中2号脚和3号脚是继电器的线圈引脚，一号脚和5号脚是长断的，1号脚和4号脚是常开的，该继电器的工作电压时5V，最大电流为15A，当线圈通电时，1号脚和4号脚连通，和5号脚断开，当线圈断电时，1号脚和5号脚连通，和4号脚断开。2.2电路的工作原理2.2.1 接收部分电路的工作原理电路的接收部分是热释电红外传感器RE200B和抗干扰电路。电路的接收部分如图所示： 热释电传感器的工作电压为5V直流电源，所以RE200B的D脚接5v电源，G脚接地，RE200B的S脚为输出端。热释电传感器绝缘电阻高达几十到几百兆欧，容易引入外部噪声，在实际使用中，要求有输入阻抗高、噪声小的前置放大器。通常把前放的场效应管和输入电阻装入管壳内人体红外传感器的输出电压仅为数mV,有效的信号频率约为（0.1-10）Hz，由于S端的输出电压很小，很容易受到外界的干扰，在RE200B的输出端S脚上串联上一个2级带通滤波放大来防止外界的干扰。 人体红外传感器的探测性的发挥很大程度上依赖于一个优良的光学系统，不加光学系统的红外传感器只能感应1米以内的运动人体，加上菲涅尔透镜后，感应距离可以达到8米。所以使用本次设计制作的插座适宜放在办公桌的附近使用。 2.2.2信号处理电路的工作原理 本次设计中的信号处理芯片是BISS0001，BISS接收到信号，对信号进行处理和放大，然后经过状态控制器的处理通过2号脚输出。 处理部分电路如图所示： RE200B的S脚上的信号通过14号脚传入BISS0001运算放大器OP1 将热释电红外传感器的输出信号作第1级放大,然后由C3 耦合给运算放大器OP2 进行第2 级放大,再经由电压比较器COP1 和COP2 处理后，在我们的应用电路中，我们把BISS的1号脚（A脚）接高电平，让BISS0001始终处于可重复处罚状态。BISS的9号脚是禁止触发端，当9号脚的电平VcVh且 V2Vl，则比较器COP1和COP2同时输出低电平，则或门U1截止，信号传输中断。如果V2Vl，信号向下传输，当9号脚处于允许触发的时候，信号经过U2传输到状态控制器。引脚名称I/O功能说明1AI可重复触发和不可重复触发选择端。当A为“1”时，允许重复触发；反之，不可重复触发2VOO控制信号输出端。由VS的上跳变沿触发，使Vo输出从低电平跳变到高电平时视为有效触发。在输出延迟时间Tx之外和无VS的上跳变时，Vo保持低电平状态。3RR1-输出延迟时间Tx的调节端4RC1-输出延迟时间Tx的调节端5RC2-触发封锁时间Ti的调节端6RR2-触发封锁时间Ti的调节端7VSS-工作电源负端8VRFI参考电压及复位输入端。通常接VDD，当接“0”时可使定时器复位9VCI触发禁止端。当VcVR时允许触发(VR0.2VDD)10IB-运算放大器偏置电流设置端11VDD-工作电源正端122OUTO第二级运算放大器的输出端132IN-I第二级运算放大器的反相输入端141IN+I第一级运算放大器的同相输入端151IN-I第一级运算放大器的反相输入端161OUTO第一级运算放大器的输出端 BISS的8号脚是参考电压及复位输入端，当接零的时候，BISS进行复位，在电路设计的时候可以在8号脚加上一个开关，方便电路的复位。 当状态控制器接到信号之后，要根据3号脚和4号脚的输入延迟时间Tx的调节端和5号脚和6号脚的输入延迟时间Ti的调节端来控制输入输出的延迟时间。经计算，输出端延迟时间Tx=49152R1*C1，在试验中我选择输出端延迟时间=5min，经计算选择合理的数值：R1=47K,C1=0.12u输入延迟时间 Ti=48R2*C2，在试验中我选择输入端延迟时间=2min，经计算选择合理数值：R2=1M,C2=2.2u状态控制器通过判断之后从二号脚输出信号。2.2.3执行电路的工作原理电路的最后一部分是继电器的执行电路部分。这一部分通过一个继电器来控制被控电路的通断。执行部分电路如下图： 当BISS的2号脚没输出的时候，三极管Q1 9013的基极的电压为零，三极管的发射极输出为零，所以继电器的线圈断开，在试验中在A和B之间接入发光二极管，当2号脚没输出时候发光二极管不发光。 当2号脚有输出时候，三极管的基极有电压，三极管的发射极有输出，所以三极管的集电极和发射极之间导通，继电器的线圈上有电流，导致开关闭合，这时候连接在A和B点之间的发光二极管发光。2.2.4 22v转5V直流电源的设计 本次设计中所有的芯片使用的都是5V电源，所以需要设计一个电路，本次设计中通过查阅参考资料找到了2种用来把220直流电转变成5V直流稳压电源的方法。 第一种方法是家用220v交流电通过全桥整流，稳压后输出稳定的5v直流电。该电路稳定，输出电流最大值为1A，能带动一定的负载。电路的工作原理： 从图上看,变压器输入端经过一个保险连接电源插头,如果变压器或后面的电路发生短路，保险内的金属细丝就会因大电流引发的高温溶化后断开。 变压器后面由4个二极管组成一个桥式整流电路，整流后就得到一个电压波动很大的直流电源，所以在这里接一个330uF/25V的电解电容。变压器输出端的9V电压经桥式整流并电容滤波，在电容C1两端大约会有11V多一点的电压，假如从电容两端直接接一个负载，当负载变化或交流电源有少许波动都会使C1两端的电压发生较大幅度的变化，因此要得到一个比较稳定的电压，在这里接一个三端稳压器的元件。 三端稳压器是一种集成电路元件，内部由一些三极管和电阻等构成，在分析电路时可简单的认为这是一个能自动调节电阻的元件，当负载电流大时三端稳压器内的电阻自动变小，而当负载电流变小时三端稳压器内的电阻又会自动变大，这样就能保持稳压器的输出电压保持基本不变。 因为我们要输出5V的电压，所以选用7805，7805前面的字母可能会因生产厂家不同而不同。LM7805最大可以输出1A的电流，内部有限流式短路保护，短时间内，例如几秒钟的时间，输出端对地（2脚）短路并不会使7805烧坏，当然如果时间很长就不好说了，这跟散热条件有很大的关系。 三端稳压器后面接一个105的电容，这个电容有滤波和阻尼作用。 按照上图购买元器件，焊接好元器件然后列出了元器件表，去电子市场买到元器件后，进行了电路板上元器件的规划，设计好元件的摆放位置，焊接完毕以后确认无误。对电路的调试 按照电路设计，加上220v2交流电源后，发光二极管会亮，显示电路工作状态。然后对用万用表对输出进行开路检测，显示输出Vo=5.02v，接着接上10k左右的负载，显示Vo=4.85v。 在电路的5V输出端接上2个插座用来来连接以上3个部分的电路。三：电路的设计部分 在分析了电路各部分的工作原理之后，就是购买元器件然后在电路板上焊接元器件。3.1 供电部分的电路设计在本次毕业设计中，5V电源的产生将不在电路板上焊接，将会在PCB板中将电路图制作成PCB图。3.2接收电路的设计先正确找到RE200B的D S G三个引脚的正确位置，把RE200B装到试验用焊板上，不能有任何2个脚连接在一起，在装RE200B时候，需要把RE200B装得倾斜一点，这样即使焊板平放在桌面上也不影响RE200B对人体信号的接收，RE200B的接收范围如下图： RE200B只能接收到他的窗口上方大约120范围内的人体红外线。 热释电红外传感器输出信号是在几微伏到数十微伏之间的微小模拟信号,需要经红外预处理电路对传感器输出信号进行与处理，进而产生输出脉冲信号。一种是采用专用集成电路方案，例如：BISS0001直接对热释电红外传感器输出信号进行处理。 在接好RE200B之后，在S脚输出端接上抗干扰电路。在焊接电路板的时候，RE200B要尽量离别的元器件远一些，以防别的元器件产生的热量干扰到RE200B，特别是电路板上有发热较多的元器件，如变压电路中的7805芯片，和电路上板上的继电器芯片。红外线热释电传感器只能安装在室内。其误报率与安装位置和方式有很大关系，一般应注意以下几点：红外线热释电传感器应离地面2到22米；红外线热释电传感器要远离空调、射灯等空气温度变化敏感的地方；红外线热释电传感器探测范围不能有隔板、大型家具、屏风等遮挡物；红外线热释电传感器最好不要直接对着窗口，否则室外的热气和人员频繁的流动会引起报警器误报。此外，红外线热释电传感器对人体敏感程度还和人的运动方向有关，它对于径向移动反应最不敏感，而对于切向方向移动最为敏感。安装时注意选择合适的位置，避免红外探头误报，以便得到最佳检测灵敏度。4.3 放大处理电路的设计 在电路板上找个适当的位置焊接BISS0001，然后在电路板上线对应的引脚焊接电阻，在焊接的时候尽量能将元器件焊接紧密，以节省焊板面积，在焊接BISS0001的3、4号脚和5、6号脚时候，加入了一个选择开关，为了适应不同人对延迟时间的需要，在8号脚上接一个开关，用以BISS0001的复位操作。如下图在电路增加了选择开关gv2、gv3、gv4，通过gv2的选择，可以对BISS000.1进行复位操作，通过对gv3和gv4的调节，可以选择不同的延迟时间。四：系统的调试4.1 系统的上电刚刚焊接好的系统，首先要检查各部分电路是否连接正常，是否有虚焊，是否有短路现象，各个元器件的正负极是否正确，确认无误后连接电源。首先用万用表检查电路各个部分的电压是否正常，然后进行电路的调试。4.2 系统的不足与调试在检查各个部分电路无误后进行电路的调试工作。在加上电源后。有时候发现人已经到了热释电传感器很近的地方，继电器控制的发光二极管才亮，理论上热释电传感器的感应距离应该是8m，经过试验发现，热释电传感器接收的信号是有一定的角度的，只有在热释电窗口上方一定角度范围内的人体放出的红外线才能被热释电传感器接收到。当把热释电传感器稍微倾斜之后，可以准确的捕捉到人体信号。 然后进行调试，在调试的过程中，考虑到不同的人需要不同的延迟时间，所以在BISS0001的输入输出延迟控制端连接上一个选择开关，通过控制悬着开关可以是系统的延迟时间有所变化。4.3 系统的优化4.3.1 系统的电源的优化 本系统的5v电源产生的过程使用到了铁芯变压器，使用铁芯变压器会浪费一定的电能，增加系统的功耗。在查阅资料过程中，找到了另一种一种启动电流为0的CMOS低功耗低成本电流源设计方法。 电流源是A /D转换器、D /A转换器、运算放大器等模拟电路中的重要单元。电流源的性能直接影响电路及系统的性能。近年来许多文献提出了一些高精度电流源及低温漂电流源的设计 125 ,而针对低功耗电流源的研究相对很少。随着集成电路的发展,低功耗已成为一个重要指标。传统的电流源启动部分电路消耗的电流都比较大,整个电路的功耗也随之变高。针对这种现象,本文给出了一种只采用一个耗尽管构成启动电路的CMOS低功耗电流源。电路正常工作后启动，部分消耗的电流降为0,同时由于启动电路仅采用一个较小尺寸的耗尽管,芯片面积可大大缩小。 传统电流源结构图1是传统的电流源电路结构,其中M1、M2、M3和M4构成电流源的主体部分,M5、M6以及R1构成启动电路。当该电路应用在低功耗系统中时,暴露出两个缺点:一是在电路正常工作之后,经M5 和电阻R1到地会不可避免地消耗一部分不必要的电流;二是为了在电路正常工作之后关闭M6, R1上的压降至少要大于V DD - | V thP6 | ,由于要求流过M5的电流很小,就需要R1的阻值比较大才能满足此条件。电阻的升高必然会使芯片的面积增大,使成本升高。如图2所示,相对图1 而言,用耗尽型NMOS管M7代替电阻R1,节省了面积。但是这种结构依然无法消除电路正常工作之后流过M5的无用电流。如果想让流过M5和M7的静态电流很小,需要将M7的栅长L 设计得很大,形成倒比管,从而浪费芯片的面积。因此,用耗尽管替代电阻相对而言面积可以比采用电阻节省一些,但由于耗尽管要设计成倒比管,所以会占用很大的芯片面积。传统电流源结构图二：用耗尽管代替电阻的电流源结构 图3给出的电路比图2的电路更加巧妙,它直接采用耗尽管M3与增强管M4以及电流镜负载M1和M2构成一个不需要启动电路的电流源。图三：不需要启动电路的电流源假设M1和M2的镜像比例为11,M3和M4的工艺参数相同,那么流经电阻R的基准电流可表示为:I =VGS4 - VGS3R=VthE - VthDR(1)式中: V thE为增强管M4的阈值电压; V thD为耗尽管M3的阈值电压。由于V thE是正, V thD是负,这样,如果要采用这种结构应用在低功耗系统中,电阻R的值就需要很大。如果V thE = 0. 7 V, V thD = - 0. 4 V,通过这个电路想得到0. 1A的偏置电流, R的阻值需要11 M,这个电阻将占很大面积,除非电阻的阻值很大。新的低功耗低成本电流源：针对低功耗及减小芯片面积的要求,图4给出了一种新的电流源结构。图中耗尽管M5 构成启动电路。当电源突然上电时,M5导通,给M3和M4的栅极充电,使得M3和M4导通,完成启动功能。当启动工作完成之后,由于M5的源极电位抬高,使得M5关断。图四:新的低功耗低成本电流源这种电路有两个优点:a) 节省面积。图4中M5的尺寸并不像图2中的M7一样需要设计成倒比管,只要是正常的尺寸就可以在电路正常工作之后保证流过M5的电流非常小。无论是比起采用图1的R1还是图2的M5,芯片面积都大大减少。相对图3而言,在图4中为了得到小的偏置电流,仍然采用增强型M3和M4管,根据亚阈值区MOS管的电流表达式可将流过R的电流表示为:I =VT lnMR(2)式中:M 为M3和M4的宽长比之比。为了得到0. 1A的偏置,当M = 4时, R的阻值只需370 k即可,比图3中的11M而言,面积缩小为原来的3. 4% ,极大地节省了电流源的面积。b) 新的电流源结构降低了无用功耗。在图1中即使R1的阻值很大,在图2中即使M7的L 非常大,也无法避免有无用电流流过,而在图3中,M5的L 不需要很大,当电路正常工作后M5会自动关断,几乎没有无用电流流过,降低了功耗,提高了电源工作效率。仿真结果分析：图5传统电源电路启动电流图6：用耗尽管替代电阻的电流源电路启动电流图7：新的低功耗低成本电流源电路启动电流从图中可得出电源在5s时刻从0跳变到1. 8 V达到稳定时,流过图1中M5的电流为34. 5A,消耗的电流较大。图6为M7替代R1的电流源电路的启动电流曲线。耗尽管M7的宽长比分别为3 /0. 6、1 /2、1 /10,产生3条曲线。从图中可以明显看出M7的宽长比为3 /0. 6时,消耗的启动电流约为17. 9 A,当M7采用倒比管时,启动电流会明显降低。但这种情况是以增大MOS管的栅长为代价的。图7为新的电流源电路启动电流曲线。耗尽管M5采用正常的宽长比3 /0. 6,当电源跳变到1. 8 V时,启动电路工作,此瞬时消耗的电流为12 A,但当电源达到稳定时,启动电路关闭,启动电流迅速下降至0. 61A,从而降低了功耗,提高了电源工作效率,同时大大节省了芯片的面积。4.3.2 系统继电器的优化晶闸管，又称可控硅（单向、双向）是一种层的（）三端器件。在电子技术和工业控制中，被派作整流和电子开关等用场。 晶闸管又叫可控硅(Silicon Controlled Rectifier, SCR)。自从20世纪50年代问世以来已经发展成了一个大的家族，它的主要成员有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管，等等。今天大家使用的是单向晶闸管，也就是人们常说的普通晶闸管，它是由四层半导体材料组成的，有三个PN结，对外有三个电极图2(a)：第一层P型半导体引出的电极叫阳极A，第三层P型半导体引出的电极叫控制极G，第四层N型半导体引出的电极叫阴极K。从晶闸管的电路符号图2(b)可以看到，它和二极管一样是一种单方向导电的器件，关键是多了一个控制极G，这就使它具有与二极管完全不同的工作特性。 可控硅分单向可控硅、双向可控硅。单向可控硅有阳极A、阴极K、控制极G三个引出脚。双向可控硅有第一阳极A1（T1），第二阳极A2（T2）、控制极G三个引出脚。 只有当单向可控硅阳极A与阴极K之间加有正向电压，同时控制极G与阴极间加上所需的正向触发电压时，方可被触发导通。此时A、K间呈低阻导通状态，阳极A与阴极K间压降约1V。单向可控硅导通后，控制器G即使失去触发电压，只要阳极A和阴极K之间仍保持正向电压，单向可控硅继续处于低阻导通状态。只有把阳极A电压拆除或阳极A、阴极K间电压极性发生改变（交流过零）时，单向可控硅才由低阻导通状态转换为高阻截止状态。单向可控硅一旦截止，即使阳极A和阴极K间又重新加上正向电压，仍需在控制极G和阴极K间有重新加上正向触发电压方可导通。单向可控硅的导通与截止状态相当于开关的闭合与断开状态，用它可制成无触点开关。 双向可控硅第一阳极A1与第二阳极A2间，无论所加电压极性是正向还是反向，只要控制极G和第一阳极A1间加有正负极性不同的触发电压，就可触发导通呈低阻状态。此时A1、A2间压降也约为1V。双向可控硅一旦导通