光电电路课程设计-基于光敏电阻的智能窗帘设计

课程设计报告课程光电电路课程设计题目基于光敏电阻的智能窗帘设计系别物理与电子工程学院年级2012级专业光电信息工程班级光电121学号学生姓名指导教师职称副教授摘要本文介绍了红外线感应开关的原理，采用热释电红外探头（PT8A2621）将接收到的微弱信号加以放大，然后驱动继电器，制成红外热释电感应开关。本开关能探测来自移动人体的红外辐射，只要人体进入探测区域，开关会自动开启。该设计可作为企业、宾馆、商场及住宅的走廊、楼梯、电梯间、卫生间、库房等处的自动开关，起到“人来灯自亮，人走灯自灭”的作用，既新颖方便，又节约用电，在某些场所还能起到威慑盗窃活动的防范作用。本设计结构简单，本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，价格低廉，隐蔽性好，应用范围广，所以可以通过扩展而达到实际的应用。关键词红外线；感应开关；红外辐射；探测区域II目录1前言111课题的背景与目的112热释电红外感应开关简述12照明系统总体设计。221照明系统的构成222人体红外线楼道自动照明系统电路23热释电红外感应开关的组成431传感器4311人体热释电红外线传感器的基本结构和原理4312热释电红外线传感器的优缺点5313CDS传感器632集成控制电路6321概述6322运算放大器8323集成运放的性能指标8324集成运放的组成9325集成电路芯片94整体电路制作问题1141元件的散热问题1142电子电路的静电保护125结论14参考文献1511前言11课题的背景与目的节能与环保已经成为当代产品开发的首要考虑因素和最大卖点。由于我国在新能源研发方面处于落后局面，目前市场上的普通船型开关、拉线开关占据着灯具开关市场的主要位置。然而由于许多不可控因素的出现及人们日常习惯所限，造成了大量的电能的浪费。这种现象在我们的生活中随处可见。空无一人的教室十多盏日关灯依然亮着，非常安静的楼道内灯火通明，卫生间无人使用却不熄灭灯光全国每年因此而损耗的电能可以以亿度计量，同时因灯具使用时间的过长，也缩短了灯具的使用寿命，频繁的更换灯具也造成了人力，财力的大量浪费。所以通过这种直接和间接的损耗，每年电能的损失就达数亿元。近十年以来，我国建筑体系的不断发展，也对照明系统提出了更高的要求。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。由此观之，如何有效的减少照明用电的浪费和更好的管理照明系统已成为一个不可忽视问题。12热释电红外感应开关简述普通人体会发射10UM左右的特定波长红外线，用专门设计的传感器就可以针对性的检测这种红外线的存在与否，当人体红外线照射到传感器上后，因热释电效应将向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生控制信号。这种专门设计的探头只对波长为10M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2两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。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。人体是一特定波长红外线的发射体，由红外传感器检测到这种红外线的变化并予以放大选频处理后，可以推动适当的负载，此乃人体红外自动开关。这一检测技术较之超声、哑声、微波方式更为灵敏与准确。它要求PIR热释电人体红外传感器的信号放大处理电路有很高的灵敏度并要能准确鉴别生物体与非生物体的运动，使误动作率降到最低。且体积小，自耗电微少。采用热释电红外传感器及专用单片集成电路构成的这种开关能成为人到灯亮、人走灯灭。它安装方便，可直接替换面板式开关，无需改动市电线路。2照明系统总体设计21照明系统的构成传统照明控制系统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,这种灯只是人为控制,具有很大弊端,特别是在一些集体工作地,比如说,工厂,公司,学校等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。22人体红外线楼道自动照明系统电路该电路的主要元件是热释电红外传感器，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、自动水阀、自动马达控制等工业和生产领域。BISS0001是专为热释电红外传感器（PIR）配套设计的集成电路，采用CMOS工艺制造，具有性能指标高、一致性好、功耗低、外围电路简3单、安装调试方便、工作可靠性高等优点（整体电路设计如图21所示）。外围电路元件说明PIR感应信号经滤波进入芯片内部进行放大，与基准电压比较,如果判断有触发，运放输出高电平。这时候计时检测电路开始计时，计满一定内部时钟周期，跳变为高（可避免误触发）。上图中，运算放大器OP1将热释电红外传感器的输出信号作第一级放大，然后由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VS去启动延迟时间定时器，输出信号VO经晶体管T1放大驱动继电器去接通负载。上图中，R3为光敏电阻，用来检测环境照度。当作为照明控制时，若环境较明亮，R3的电阻值会降低，使9脚的输入保持为低电平，从而封锁触发信号VS。SW1是工作方式选择开关，当SW1与1端连通时，芯片处于可重复触发工作方式；当SW1与2端连通时，芯片则处于不可重复触发工作方式。输出延迟时间TX由外部的R9和C7的大小调整，值为TX24576XR9C7；触发封锁时间TI由外部的R10和C6的大小调整，值为TI24XR10C6。图21整体电路图的设计43热释电红外感应开关的组成31传感器传感器是将感受的物理量、化学量等信息，按一定规律转换成便于测量和传输的电信号的装置。电信号易于传输和处理，所以大多数的传感器是将物理量等信息转换成电信号输出的。311人体热释电红外线传感器的基本结构和原理人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。其中红光的波长范围为062076M；紫光的波长范围为038046M。比紫光光波长更短的光叫紫外线，比红光波长更长的光叫红外线。热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。一般人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。人体发射的10UM左右的红外线通过菲尼尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检验处理后即可产生报警信号。人体热释电红外线传感器（以下简称传感器）由敏感单元、阻抗变换器和滤光窗等三大部分组成。热释电传感器是对温度变化敏感的传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，在元件两个表面做成电极，在传感器监测范围内温度有T的变化时，热释电效应会在两个电极上产生电荷Q，即在两电极之间产生一微弱的电压V。由于它的输出阻抗极高，在传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷Q会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，T0，则传感器无输出。当人体进入检测区，因人体温度与环境温度有差别，产生T，则有T输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出了。所以这种传感器检测人体或者动物的活动传感。5312热释电红外线传感器的优缺点不同于主动式红外传感器，被动红外传感器本身不发任何类型的辐射，隐蔽性好，器件功耗很小，价格低廉。但是，被动式热释电传感器也有缺点，如1）信号幅度小，容易受各种热源、光源干扰；2）被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收；3）易受射频辐射的干扰；4）环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵；5）被动红外探测器的主要检测的运动方向为横向运动方向，对径向方向运动的物体检测能力比较差抗干扰性能1）防小动物干扰探测器安装在推荐地使用高度，对探测范围内地面上地小动物，一般不产生报警。2）抗电磁干扰探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408中461要求，一般手机电磁干扰不会引起误报。3）抗灯光干扰探测器在正常灵敏度的范围内，受3米外H4卤素灯透过玻璃照射，不产生报警。红外线热释电传感器的安装要求红外线热释电人体传感器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系。正确的安装应满足下列条件1）红外线热释电传感器应离地面2022米。2）红外线热释电传感器远离空调,冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。3）红外线热释电传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。4）红外线热释电传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上。红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方。红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。红外线热6释电传感器对于径向移动反应最不敏感,而对于横切方向即与半径垂直的方向移动则最为敏感在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。313CDS传感器硫化镉（CDS）即光敏电阻器，这是目前最常见的光敏电阻器。光敏电阻器是利用半导体光致导电的原理制造的。这种光敏电阻器的基座是陶瓷片，上面涂有硫化镉多晶体，再经烧结制成。光敏电阻器的表面还涂有防潮树脂。光敏电阻器的光谱特性曲线与人眼对可见光的响应曲线比较接近。光敏电阻器的电阻值随光照强度而变化。在暗光条件下它的电阻值可达10M，在强光下它的电阻值仅为数百欧姆或数千欧姆。光敏电阻器的光照特性在多数情况下是非线性的，只有在微小区域内呈线性。光敏电阻器的电阻值有较大的离散性。光敏电阻器的灵敏度是指光敏电阻器不受光照时的电阻值暗阻和受光照时的电阻值亮阻的相对变化值。在一般情况下，照度越低，单位照度改变时的电阻值变化越大。即在低照度下光敏电阻器的灵敏度较高。光敏电阻器是电路的关键元件，它对光线的强弱有敏感的反应，在本电路中要求光敏电阻器受到光照时的阻值应小于5K，在暗光情况下阻值应大于1M，可选符合要求的MG4122光敏电阻器。32集成控制电路321概述虽然被动式热释电红外探头有些缺点，但是利用特殊信号处理方法后，仍然使它在某些领域具有广阔的应用前景。因此，有很多生产商根据PIR传感器的特性设计了专用信号处理器，比如HOLTEKHT761X、PTIPT8A26XXP、WELTRENDWT8072,BISS0001。图321是PIR信号处理部分，有两个运算放大器、一个窗口比较器、一个稳压器、一个系统振荡器和一个逻辑控制器。其它是依赖处理结果的控制部分，这里重点介绍PIR信号处理部分，控制部分就简单略过。7图321PIR信号处理部分电路图由于PIR信号变化缓慢、幅值小，针对该特点，专用信号处理器一般分为三步处理，具体处理步骤如下A）滤波放大普通PIR传感器输出信号幅值一般都很小，大约几百微伏到几毫伏，为了后续电路能作有效的处理，考虑到传感器的信噪比，通常取增益725DB，通带03HZ7HZ。同时，由于是处理模拟小信号，所以为了保证放大器的工作稳定可靠，电路中特别集成了一个稳压器用于给传感器、放大器和比较器供电。B）窗口比较器经过放大后的信号通过窗口比较器后检出满足幅值要求的信号后，再转换成一系列数字脉冲信号。C）噪声抑制数字信号处理根据对人体运动特点以及传感器的特性的长期研究，用固定时间内计脉冲个数和测脉冲宽度的方法来甄别有效的人体信号，这里由系统振荡器提供时钟源（16KHZ）。8比较器分压电路隐压器系统振荡器定时振荡器噪声抑制控制电路锁定电路模式及CDS控制电路输出驱动上电复位过零触发OP2OOP2NOP2POP1POP1NOP1OVEESOCSOSCDCDSMODEOUTRESTZC图32人体感应开关方框图322运算放大器集成运算放大器（简称运放）是一种高电压放大倍数的直接耦合放大器。它工作在放大区时，输入和输出呈线性关系，所以它又被称为线性集成电路。集成运放是一种高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大电路。323集成运放的性能指标1）开环差模电压放大倍数AOD它是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压的放大倍数。2）最大输出电压UOPP它是指一定电压下，集成运放的最大不失真输出电压的峰峰值。3）差模输入电阻RID它的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流的大小。要求它愈大愈好。4）输出电阻RO它的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力。5）共模抑制比CMRR9它放映了集成运放对共模输入信号的抑制能力，其定义同差动放大电路。CMRR越大越好324集成运放的组成它有四部分组成1）偏置电路偏置电路是提供各级静态工作电流的2）输入级其作用是提供与输出端成同相关系和反相关系的两个输入端,为了抑制零漂，采用差动放大电路3）中间级其作用是提供较高的电压放大倍数为了提高放大倍数，一般采用有源负载的共射放大电路。4）输出级其作用是提供一定的电压变化和电流变化为了提高电路驱动负载的能力，一般采用互补对称输出级电路325集成电路芯片BISS0001热释电红外控制集成电路采用标准的DIP16脚塑封结构，内部由系统时钟、两级运放、电压比较器、检测器、计时器、过零检测器及输出控制电路等组成。BISS0001是一款高性能的传感信号处理集成电路。静态电流极小，配以热释电红外传感器和少量外围元器件即可构成被动式的热释电红外传感器。广泛用于安防、自控等领域能。特点A）灵敏度高，内置两级增益可调运放电路及温度补偿电路，这种电路能抑制如热气团流所产生的红外干扰，误报率低，探测距离达10以上。B）控制时间可调。C）有两种输出信号，可驱动双向可控硅或继电器。D）内置稳压器输出31基准电压直接驱动PIR。E）外接CDS传感器，白天抑制输出。F）工作电压4055V，工作电流1。G）对于交流供电的控制电路设计有过零检测控制，使被控负载的接通与断开均处于交流电的过零点，这不仅可以减弱对负载的电流冲击，同时也消除了开关器件对电源的干扰，降低对电源的污染。10H）外接RC振荡元件，便于调整输出控制的时间长短。图35管脚图表32管脚说明引脚名称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的上跳前沿触发，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VR02VDD10IB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132INI第二级运算放大器的反相输入端141INI第一级运算放大器的同相输入端151INI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11锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。以下图所示的不可重复触发工作方式下的波形，来说明其工作过程。不可重复触发工作方式下的波形。图36不可重复触发方式4整体电路制作问题41元件的散热问题热阻RTH是限制热流自结散出的热阻。热阻和电阻是相似的概念。如同电阻公式RV/I，有相应的热阻公式RTHT/P，这里T是温升，以K（KELVIN）为单位；P是功率耗散，以W为单位；因此RTH的单位为K/W。对于垂直安装在大气中的器件，热阻决定于结至环境热阻RTHJA。1散热器尺寸计算对给定的双向可控硅和负载电流，要计算需要的散热器热阻，首先要根据下列公式确定双向可控硅的功率耗散PVOITAVERSITRMS2拐点电压VO和斜率电阻RS可从SC03手册的VT图取得。若数据没有直接列出，可通过作图取得。对最大VT曲线作一切线，切线和VT轴线的交点给出VO值，切线斜率（VT/IT）给出RS。应用前面的热阻公式RTHJAT/P在最高环境温度下，结温TJ升至最高允许结温TJMAX，由此得出结温最大允许提升值。这提供温升T。根据选定的安装方法，SC03手册提供RTHJMB和RTHMBH数据。应用前面的热阻公式RTHJARTHJMBRTHMBHRTHHA，可最后求得散12热器热阻RTHHA。2热阻抗前面的热阻计算只适用于稳定状态，即过程时间大于1秒。这条件下，热量才有足够的时间从结传送到散热器。对持续时间短于1秒的电流脉冲或瞬间过程，散热器的效果大为减弱。热量只在器件内部扩散，很少传到散热器。对于这种瞬间过程，结的温升决定于结至安装基面的热阻抗ZTHJMB。随着电流脉冲持续时间减小，ZTHJMB下降，因为芯片加热减少。假如持续时间增大，接近1秒，ZTHJMB增大至稳定状态的热阻值RTHJMB。手册SC03提供每种器件的ZTHJMB曲线，适用于持续时间低至10S的双向或单向的电流。42电子电路的静电保护静电放电ESD是大家熟知的电磁兼容问题,它可引起电子设备失灵或使其损坏当半导体器件单独放置或装入电路模块时,即使没有加电,也可能找成这些器件的永久性损坏对静电放电敏感的元件被称为静电放电敏感元件ESDS如果一个元件的两个针脚或更多针脚之间的电压超过元件介质的击穿强度,就会对元件造成损坏这是MOS器件出现故障的最主要的原因氧化层越薄,则元件对静电放电的敏感性也越大故障通常表现为元件本身对电源有一定阻值的短路现象对双极性元件,损坏一般发生在薄氧化层隔开的已进行金属喷镀的有源半导体区域,因此会产生泄露严重的路径另一种故障是由于节点的温度超过半导体硅的熔点1415度时所引起的静电放电脉冲的能量可以产生局部地方发热,因此出现这种机理的故障即使电压低于介质的击穿电压,也会发生这种故障一个典型的例子是,NPN型三极管发射极与基级间的击穿会使电流增益急剧降低电荷也可以通过感应产生,这是带电体使其附近的另一物体上的电荷发生分离的结果。器件受到静电放电的影响后,也可能不立即出现功能性的损坏这些受到潜在损坏的元件通常被称为“跛脚”,一旦加以使用,将会对以后发生的静电放电或传导性瞬态表现出更大的敏感性。要密切注意元件在不易察觉的放电电压下发生的损坏,这一点非常重要人体有感觉的静电放电电压在30005000V之间,然而,元件发生损坏时的电压仅几百伏本设计中用到IC器件所以焊接时需用防静电手套。1314实物图结论现代化的生活离不开电能的使用,但目前电能的浪费已成为人们普遍关注的问题,随着电子技术和自动化水平的不断提高,以及各种高准确度,高性能传感器的应用,自动节能灯具成为人们理想的选择人体红外线自动感应