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XXXXXPAGE PAGE 17利用光敏器件构建楼道电灯控制系统的设计目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc351840703 1 引言 PAGEREF _Toc351840703 h 1 HYPERLINK l _Toc351840704 1.1 课题的背景与目的 PAGEREF _Toc351840704 h 1 HYPERLINK l _Toc351840705 1.2 照明开关的发展过程 PAGEREF _Toc351840705 h 1 HYPERLINK l _Toc351840706 1.3 现代照明开关简述 PAGEREF _Toc351840706 h 2 HYPERLINK l _Toc351840707 2 光电开关介绍 PAGEREF _Toc351840707 h 4 HYPERLINK l _Toc351840708 2.1 光电开关的介绍 PAGEREF _Toc351840708 h 4 HYPERLINK l _Toc351840709 2.2 光电开关的分类 PAGEREF _Toc351840709 h 5 HYPERLINK l _Toc351840710 2.2.1 按检测方式分 PAGEREF _Toc351840710 h 5 HYPERLINK l _Toc351840711 2.2.2 按结构分类 PAGEREF _Toc351840711 h 6 HYPERLINK l _Toc351840712 2.3 光电开关的特点 PAGEREF _Toc351840712 h 7 HYPERLINK l _Toc351840713 3 光电开关的原理 PAGEREF _Toc351840713 h 8 HYPERLINK l _Toc351840714 3.1 光电效应 PAGEREF _Toc351840714 h 8 HYPERLINK l _Toc351840715 3.2 光电开关中的主要光电元件 PAGEREF _Toc351840715 h 8 HYPERLINK l _Toc351840716 3.2.1 光敏电阻 PAGEREF _Toc351840716 h 8 HYPERLINK l _Toc351840717 3.2.2 光敏二极管 PAGEREF _Toc351840717 h 8 HYPERLINK l _Toc351840718 3.2.3 光敏三极管 PAGEREF _Toc351840718 h 9 HYPERLINK l _Toc351840719 3.3 光电开关的基本原理 PAGEREF _Toc351840719 h 10 HYPERLINK l _Toc351840720 3.4 光电接近开关 PAGEREF _Toc351840720 h 11 HYPERLINK l _Toc351840721 3.5 光电开关与光电耦合器的区别 PAGEREF _Toc351840721 h 12 HYPERLINK l _Toc351840722 4 楼道光电开关自动照明系统总体设计 PAGEREF _Toc351840722 h 13 HYPERLINK l _Toc351840723 4.1 照明系统的构成 PAGEREF _Toc351840723 h 13 HYPERLINK l _Toc351840724 4.2 光电开关系统电路 PAGEREF _Toc351840724 h 13 HYPERLINK l _Toc351840725 4.3 楼道光电开关自动照明系统设计方案 PAGEREF _Toc351840725 h 13 HYPERLINK l _Toc351840726 4.4 楼道光电开关自动照明系统电路设计 PAGEREF _Toc351840726 h 14 HYPERLINK l _Toc351840727 结 论 PAGEREF _Toc351840727 h 16 HYPERLINK l _Toc351840728 参 考 文 献 PAGEREF _Toc351840728 h 171 引言1.1 课题的背景与目的目前传统的按键式和拉线式开关仍然是照明开关的主体，凭借其较为简单的结构、低廉的售价和方便的安装使用方法，牢固地占领着市场。然而，现代电子技术的发展和人们对生活质量的需求变化，已使传统的开关感受到产品更新换代的威胁。特别是电能的大量浪费，按照国标，优质灯泡在正常使用情况下，平均寿命在壹千小时左右，而普通灯泡则更短。如果走廊是夜间常明灯，每年除灯泡损耗费用外还要有一百多度电的损耗，加上更换灯泡等人工费用，每年每个灯消耗近百元，这不仅浪费大量能源，而且由于频繁更换灯泡造成维修工作量加大，有时有些场所走廊由于无人及时维修管理，许多楼梯晚上漆黑一片，给人们生活带来许多不便，因此人们越来越关注其他有效的照明灯开关方式高，国家的有关规范及标准也不断的加强，九九最新发布的住宅建筑设计规范中明确规定， 住宅公共部分应设人工照明，除高层住宅的电梯厅和应急照明外，均应采用节能自熄开关。随着大量采用电子技术的家用电器面市, 住宅电子化出现。近几年楼宇智能化（智能家居是以家为平台，兼备建筑、网络通讯、信息家电、网络家电、自动化和智能化，集系统、结构、服务、管理、控制于一体的高效、舒适、安全、便利、节能、健康、环保的家居环境。）又飞速发展起来，其中实现自动照明系统可以减少电能浪费成为实现现代化住宅的重要一笔。本课题从实际出发，准备对红外线楼道自动照明系统进行探索随着现代化的发展,工业,农业,商业,教育等等行业的用电量都大幅度增加,在这种情况下电能的浪费成为人们普遍关注的问题.1.2 照明开关的发展过程在远古时代,人类利用自然光源,太阳给了人类及所有生物生存的机会,但对于夜晚人类却无能为力.接着聪明的人类发现了火,用火照明应该是人类照明史上的里程碑.中外历史上蜡烛都起了重要作用,陪伴人类度过慢慢数千年,直到天才发明家爱迪生在照明史上添上精彩的一笔.电灯无疑已经成为现代生活中不可或缺的商品.目前传统的按键式和拉线式开关仍然是照明开关的主体, ?传统照明单控电路特点： a)控制开关直接在负载回路中。b)当负载较大时，需相应增大控制开关的容量。c)当开关离负载较远时，大截面电缆用量增加。d)只能实现简单的开关功能e)传统控制采用手动开关，必须一路一路地开或者关f)传统控制对照明的管理是人为化的管理。传统的照明系统结构简单、售价低廉和安装使用方便,一直是照明灯具市场的主角,随着技术的进步,人民生活水平的提高,这种灯暴露出来许多不足:其一,由于是手动开关,人们在一片漆黑中不得不摸索电灯开关,给人们生活带来很多不便.其二,电能浪费严重,特别是在学校,工厂等集体生活的地方,照明灯经常在光线充足的白天也工作,这不仅浪费电能,而且也造成灯泡常被烧坏,若不能及时修理又会产生其他不方便.其三,电子技术,自动控制技术,传感器技术的快速发展使人们越来越倾向于照明设备的自动控制.1.3 现代照明开关简述现代电子技术的发展和人们对生活质量的需求变化，已使传统的开关感受到产品更新换代的威胁。目前传统的按键式和拉线式开关仍然是照明开关的主体,但自从人们发现了无线电波，就开始用无线电来遥控了。航空爱好者用无线电收发装置来操纵模型飞机，舰模爱好者用无线电来操纵模型舰艇。声音、超声波、无线电波都可以用作传递信号的媒体，传递命令，实现远距离操纵。这些方法在一定程度上节省了电能。针对问题，市场上的照明开关也是层出不穷，主要有声光控开关、触摸式延时开关、红外开关，感应式开关等、经过多年的使用，就对其特点、价格、性能、市场品牌、使用效果、安装、 寿命等进行了比较，其中触摸式、声光控在各方面表现非常一般，而红外开关，感应式开关却表现优异。走廊里的声控电灯是一种遥控装置。当人们走路的声音，说话的声音传到灯头上的声控开关时，电路就被自动接通了。当然，声控开关旁边还要有个延时开关，就是使电路只能接通几分钟，然后再自然地断掉。这样既可以省电，又可以延长电灯的寿命。声控电灯，只有一个命令：接通！这很简单。但其品种多，市场较乱，价格从几元到二十多元不等，由于声控本身感应元器件属于机械式，所以易受机械疲劳影响，很难克服初装时灵敏度较好而后期灵敏度低形象。因此，声光控开关在使用的后期，只有靠人为制造噪声才能触发，如想要灯亮需要大声咳嗽，或跺脚这显然打扰了别人的安静，特别是夜间往往影响睡觉的人。另外声光控易响应于自然界所有较大声响（如雷声、汽车喇叭声、汽车经过时发动机声、装修房间的电钻声、开关防盗门声等），误动作较多。有的住户在房屋装修时就对开关有很大影响，人未住进就有开关损坏。由于部分价低质劣的声光控开关混入市场，给用户造成电子开关都寿命短，都不可靠的印象。而触摸式除了易受损坏，不安全外，还有传染病菌的弊病，很难在公关场所应用，特别是在医院这样人员复杂的场所。因此要真正用好自熄开关，改善人们居住条件，必须要在市场中寻求真正高效节电，方便照明，性能稳定，经久耐用，价格合理的产品来实现人来灯亮，人离灯灭，白天不亮这一基本功能。 纵观照明控制技术的发展，从原始的开关控制到接触器继电器控制，发展到PLC控制；随着计算机及网络的飞速发展，照明控制也跟随着一起发展。在实际工程案例中出现了集散型控制系统和现场总线控制系统，尤其是近几年，国内外陆续开发出专业性强的智能型照明控制系统。例如：奇胜C-BUS智能照明控制系统，澳洲邦奇智能照明，美国路创智能照明系统；还有些像索恩、飞利浦等专业照明公司也推出自己的智能照明控制系统；国内也有很多智能照明的厂家，推出智能家居、智能小区、智能办公室、智能楼宇等专业控制系统。现代建筑中的照明不仅要求能为人们的工作、学习、生活提供良好的视察条件，能利用灯具造型和光色协调营造出具有一定风格和美感的室内环境以满足人们和心理和生理要求，而且还要考虑到管理智能化和操作简单化以及灵活适应未来照明布局和控制方式变更要求。一个优秀的智能照明系统有仅可以提升照明环境的品质，还必须做到充分利用和节约能源。2 光电开关介绍2.1 光电开关的介绍光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反 射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。安防系统中常见的光 电开关烟雾报警器，工业中经常用它来记数机械臂的运动次数。光电开关是传感器大家族中的成员，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的（即电缘绝），所以它可以在许多场合得到应用。光电开关采用集成电路技术和SMT表面安装工艺而制造的新一代光电开关器件，具有延时、展宽、外同步、抗相互干扰、可靠性高、工作区域稳定和自诊断等智能化功能。这种新颖的光电开关是一种采用脉冲调制的主动式光电探测系统型电子开关，它所使用的冷光源有红外光、红色光、绿色光和蓝色光等，可非接触，无损伤地迅速和控制各种固体、液体、透明体、黑体、柔软体和烟雾等物质的状态和动作。接触式行程开关存在响应速度低、精度差、接触检测容易损坏被检测物及寿命短等缺点，而晶体管接近开关的作用距离短，不能直接检测非金属材料。但是，新型光电开关则克服了它们的上述缺点，而且体积小、功能多、寿命长、精度高、响应速度快、检测距离远以及抗光、电、磁干扰能力强。目前，这种新型的光电开关已被用作物位检测、液位控制、产品计数、宽度判别、速度检测、定长剪切、孔洞识别、信号延时、自动门传感、色标检出、冲床和剪切机以及安全防护等诸多领域。此外，利用红外线的隐蔽性，还可在银行、仓库、商店、办公室以及其它需要的场合作为防盗警戒之用。图2-1 开关传感器2.2 光电开关的分类2.2.1 按检测方式分常用光电开关的分类方法：按检测方式可分为反射式、对射式和镜面反射式三种类型。对射式检测距离远，可检测半透明物体的密度（透光度）。反射式的工作距离被限定在光束的交点附近，以避免背景影响。镜面反射式的反射距离较远，适宜作远距离检测，也可检测透明或半透明物体。表2-1给出了光电开关的检测分类方式及特点说明。表2-1 光电开关的检测分类方式及特点说明1.漫反射式光电开关漫反射光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。2.镜反射式光电开关 镜反射式光电开关亦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。3.对射式光电开关 对射式光电开关包含在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器。当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体是不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测模式 4.槽式光电开关 槽式光电开关通常是标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。槽式光电开关比较安全可靠的适合检测高速变化，分辨透明与半透明物体。5.光纤式光电开关光纤式光电开关采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，以实现被检测物体不在相近区域的检测。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。 2.2.2 按结构分类光电开关按结构可分为放大器分离型、放大器内藏型和电源内藏型三类。放大器分离型是将放大器与传感器分离，并采用专用集成电路和混合安装工艺制成，由于传感器具有超小型和多品种的特点，而放大器的功能较多。因此，该类型采用端子台连接方式，并可交、直流电源通用。具有接通和断开延时功能，可设置亮、音动切换开关，能控制6种输出状态，兼有接点和电平两种输出方式。放大器内藏型是将放大器与传感一体化，采用专用集成电路和表面安装工艺制成，使用直流电源工作。其响应速度局面（有0.1ms和1ms两种），能检测狭小和高速运动的物体。改变电源极性可转换亮、暗动，并可设置自诊断稳定工作区指示灯。兼有电压和电流两种输出方式，能防止相互干扰，在系统安装中十分方便。电源内藏型是将放大器、传感器与电源装置一体化，采用专用集成电路和表面安装工艺制成。它一般使用交流电源，适用于在生产现场取代接触式行程开关，可直接用于强电控制电路。也可自行设置自诊断稳定工作区指示灯，输出备有SSR固态继电器或继电器常开、常闭接点，可防止相互干扰，并可紧密安装在系统中。2.3 光电开关的特点1、检测距离长 如果在对射型中保留10m以上的检测距离等，便能实现其他检测手段（磁性、超声波等） 无法离检测。 2、对检测物体的限制少 由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不象接近传感器等将检测物体限定 在金属，它可对玻璃.塑料.木材.液体等几乎所有物体进行检测。 3、响应时间短 光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常 短。 4、分辨率高 能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。 也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。 5、可实现非接触的检测 可以无须机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。因此，传感器能 长期使用。 6、可实现颜色判别 通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合 而有所差异。利用这种性质，可对检测物体的颜色进行检测。 7、便于调整 在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。3 光电开关的原理3.1 光电效应用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。通常把光电效应分为3类，如表3-1所示。表3-1 光电效应的分类即相关元件光电效应名称现象对应元件外光电效应在光线的作用下，能使电子逸出物体的表面光电管、光电倍增管内光电效应在光线的作用下，能使物体的电阻率变小光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏达林顿管及光敏晶闸管光生伏特效应在光线的作用下，物体能产生一定方向的电动势光电池3.2 光电开关中的主要光电元件3.2.1 光敏电阻光敏电阻如图3-1所示。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里。两电极常做成梳状，可增加灵敏度，如图3-1b所示。图 3-1 光敏电阻a）原理图 b）外形图 c）图形符号3.2.2 光敏二极管光敏二极管如图3-2所示。从图3-2c可以看出，光敏二极管在电路中，处于反向偏置状态。当光照射在光敏二极管的PN结（又称阻挡层）上时，在PN结附近产生的电子空穴对数量也随之增加，当在光敏二极管两端施加电压后，流过PN结的光电流I也相应增大，光电流与光照度E成正比。图 3-2 光敏二极管a）外形图 b）内部结构 c）结构简化图 d）图形符号1负极引脚 2管芯 3外壳 4聚光镜 5正极引脚3.2.3 光敏三极管光敏三极管与普通三极管相似，也有电流放大作用。NPN型光敏三极管示意图如图3-3所示。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（C、E）两个引脚，所以其外形与光敏二极管相似，从外观上较难区别。图3-3 光敏三极管示意图a）内部组成 b)原理电路 c）图形符号1集电极引脚 2管芯 3外壳 4聚光镜 5发射极引脚光线通过透明窗口落在集电结上，当电路按图4b所标示的电压极性连接时，集电极电流I C是原始光电流的倍3.3 光电开关的基本原理在图中，当无脉冲信号输入时，三极管BG处于截止状态，发光二极管无电流流过不发光，则a、 b两端电阻非常大，相当于开关“断开”。当输入端加有脉冲信号时，BG导通，发光二极管发光，则a、b两端电阻变得很小，相当于开关“接通”。故称无信号时开关不通，为常开状态。下图中（b）所示电路则为“带闭”状态，因为无信号输入时，虽BG截止，但发光二极管有电流通过而发光，使a、b两端处于导通状态，相当于开关“接通”。当有信号输入时，BG导通，由于BG的集电结压降在03V以下，远小于发光二极管的正向导通电压，所以发光二极管无电流流过不发光，则a、b两端电阻极大，相当于开关“断开”，故称“常闭”式。图3-4 光点接近开关原理3.4 光电接近开关光电接近开关电路原理图如图3-5所示，图3-5中的元件参数见附表。由555构成多谐振荡器，从脚输出38kHz的方波信号。经VT1驱动红外发射管VD2向外发射频率为38kHz红外调制信号。之所以选用38kHz的红外调制信号，是由于选用的红外接收头U1的频率响应为38kHz。当有障碍物靠近时，红外线反射回来被U1所接收，当接收到的红外信号足够强时输出(OUT)为低电平，否则为高电平。如果用5V供电，输出(OUT)为TTL电平可直接与微处理器相接。多谐振荡器的振荡频率计算公式为：t10.7(R1+R2)C1；t20.7(R3+R4)C1；f=1/(t1+t2)。调试时使输出波形的占空比尽量为1:1，经过试验发现只要占空比偏离1:1不太多则无影响，但频率不要偏离38kHz太多，否则探测精度会下降，频率偏离太大时则U1无响应。经过计算在R1、R3为1k时R2、R4调到880左右（实际有所偏差）。 图3-5 光点接近开关工作原理图R11KC10.01 uFR21K （微调电阻）C2100uF/16VR31K（微调电阻）VD1二极管R41KVD2红外发射管R51K（微调电阻）VT19014R6100U1AT138BR72.2K（微调电阻）IC555附表 元件参数红外发射管的发射功率可通过改变R5的阻值进行调节，发射管的发射电流大小决定了探测距离的大小。如果不需调节探测距离的大小，R5、R6可用一固定阻值的电阻代替。红外接近开关的关键并不在于电路，而是在结构上，特别是U1和VD2的位置不能随便放置。该红外接接近开关做成探头状，把整个电路板安装在一根塑料管内，并引出三根导线：电源、地、输出(OUT)。U1、VD2放置在塑料管的前端，并用不透光的塑料片把U1、VD2隔开，为了防止VD2向旁边漏射出红外线可用黑色电胶布在VD2的周围绕一两圈，只让红外线从VD2的前方发出(电路板、隔光塑料片、U1、VD2可用硅胶进行固定)，其结构如图3-6所示。图3-6 光电接近开关原理图3.5 光电开关与光电耦合器的区别光电耦合器就是我们所说的光耦，它的原理是通过发光二极管照射三极管从而使得三极管导通和关短，通过调节二极管电压大小调节发光强度，从而使流过三极管的电流变化，常常用光藕是来反馈用。而光电开关原理类似，不过它只是用来当作开关用的，也就是发光就三极管开通就是，z这需要一个挡光的东西,但并不需要调节电流大小，一般用在一般控制上，不能精确表针。4 楼道光电开关自动照明系统总体设计4.1 照明系统的构成传统照明控制系统比如说,以前的工厂, 公司,学校等. 是人为控制的。是以照明配电箱通过手动开关来控制照明灯具的通断，或通过回路中串入接触器，实现远距离控制。传统的照明电路只是为灯提供一定的电压使其发光,这种灯只,具有很大弊端,特别是在一些集体工作地。而今出现的建筑物自控(BA)系统，是以电气触点来实现区域控制、定时通断、中央监控等功能。4.2 光电开关系统电路对射式光电开关，因其抗干扰性好、探测灵敏度高、工作温度范围宽等优点被广泛应用于防盗报警、自动门、 感应灯等工业和生产领域 。具有性能指标高、一致性好、功耗低、外围电路简单、安装调试方便、工作可靠性高等优。图4-1 光电开关电路4.3 楼道光电开关自动照明系统设计方案本电路主要用到的元件是两对对射式光电开关，每对对射式光电开关由发射器和接收器主成。这里我们假设把一对开关安装在上一楼的楼梯口，另一对光电开关安装在上二楼的楼梯口。每当天黑的时候当住户从一楼的楼梯口经过时，触发第一对光电开关，这时处在一楼的楼道灯被点亮。当户主走到二楼的楼梯口，触发第二队光电开关，这时处在一楼的楼道灯被关闭。这里我们要用到一种电子元件干簧继电器，它由干簧管和绕在干簧管外的线圈组成。当线圈内有电流时，线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化，两个簧片在磁力作用下由原来的分离状态变成闭合状态，线圈内没有电流时，磁场消失，瓷片在弹力的作用下，回复到分离状态。由于光电开关一般只能用到电压为0-30V的直流电压，而一般的照明灯的电压是220V交流，为了保证光电开关的正常使用，所以这里我们用到中间继电器，起到光电开关保护作用。4.4 楼道光电开关自动照明系