传感器课程设计自动点亮的道路灯

1、燕山大学课程设计说明书题目:学院（系）： 年级专业： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称：燕山大学传感器原理与设计课程设计任务书院（系）：电气工程学院 基层教学单位：仪器科学与工程系学号学生姓名专业（班级）13 级 1 班设计题目夜晚自动点亮的道路警示灯设计设 计 技 术 参 数利用热释电传感器制作探测人体红外线，将探测到的人体信息转换成电信 号，经放大和抗干扰处理后，输出控制信号，实现“夜间人来灯亮，人走灯灭” 的自动灯控制器。1）电源为 220V 交流电，负载为 220V 的灯，控制电路工作电压 5V 2）人体感应探测范围 1m 以上 ，视场角 100 度以上。设 计 要 求1.

2、理论设计方案及论证2. 传感器结构设计、理论分析、参数计算3. 设计电路，并进行安装调试4. 提交课程设计说明书工 作 计 划周 1 ：收集消化资料及拟定设计方案周 2 周 3：敏感元件、传感元件设计、转换电路设计 周 4 ：设计结果实验验证或演示，撰写设计说明书 周 5 ：答辩。参 考 资 料1. 唐文彦 传感器（第 4 版）机械工业出版社 2007 年2. 李科杰 新编传感器技术手册国防工业出版社 2002 年3. 其他：传感器原理、接口电路、设计手册类参考书指导教师签字基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。2016 年 12 月 30 日摘要本

3、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，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 热释电传感器目录第 1 章：总体

4、方案概要 .11.1 意义及研究现状 11.2 设计思路 1第 2 章：设计方案各部分介绍 .22.1 热电是传感器的构成及工作原理 22.2 低通滤波器 32.3 信号放大器 6第 3 章：仿真电路的建立与分析 .83.1 仿真电路建立 83.2 仿真结果的分析 9第 4 章：设计体会 .1010参考文献第 1 章：总体方案概要1.1 意义及研究现状电力作为一种洁净方便的能源广泛的应用于我们的生活与生产方面， 因此电 能的节能尤为重要，要节能首先就要做到节约能源，其次再通过科学研究发明 更加人性化和节能的用电器。随着近几年我国电子技术的不断发展，许多原先的高端电子产品也逐渐步 入人们的生活。

5、现在价格低廉的热释电红外传感器得到了很大的普及。原本用 于控制感应门的热释电红外传感器也进入了人们的生活安全保障中,在保护各方面安全工作中起着至关重要的作用 。热释电传感器在无人或动物进入探测区域时，现场的红外辐射稳定不变， 一旦有人体红外线辐射进来， 经光学系统聚焦就使热释电器件产生突变电信号， 而发出控制信号，热释电红外传感器是一种非常有应用潜力的传感器。它能检 测人或某些动物发射的红外线并转换成电信号输出。 早在 1938 年，有人就提出 利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视。直到六十年代，随着激光、 红外技术的迅速发展，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用 开发。近年

6、来，伴随着集成电路技术的飞速发展，以及对该传感器的特性的深 入研究，相关的专用集成电路处理技术也迅速增长它能以非接触形式检测出人 体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。将这个电压信号加 以放大，便可驱动各种控制电路，如作电源开关控制、防盗防火报警、自动览 测等。经过分析、仿真后，本次的电路设计具备了相应的报警灵敏度与报警能 力，总体水平基本达到了课程设计的要求。能够运用在家庭、商场、仓库等需 要夜晚自动值守防盗保护的场合，为人们的日常生活带来了方便，更为私人财 产和公共财产的保护起到了一定的作用。1.2 设计思路 通过热释电传感器感应人体红外辐射后输出一个微弱的交流信号，然后经

7、过滤波整理，再将信号放大处理后，将信号输出。热释电传感器输出的信号是一个毫伏级的微弱交流信号，且不稳定，这个 信号频率与人体运动速度有关，当人运动速度越大，信号也越强。经过滤波电 路后，可以排除杂波及突变信号的干扰，再经过信号放大处理，输出一定的电 信号使灯点亮。当人离开后，由于没有触发信号，灯自然会灭。实现了“夜间 人来灯亮，人走灯灭”的目的。第 2 章：设计方案各部分介绍2.1 热释电传感器的构成及工作原理 ：热释电红外传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为 2*1mm 的探测元件。在每个探测器内装入 一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极

8、性串联，以抑制由于自身温度 升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压 信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。热释电红外传感器 (PIR)，它 能将波长为 8-12um 之间的红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白 光信号具有抑制作用，因此在被动红为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测 距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将 透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它 和放大电路相配合，可将信号放大 70 分贝以上，这样就可以测出 1020 米范 围内人的行动。菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器

9、前方产生一个 交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从 透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”， 这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入， 从而增强其能量幅度。 人体辐射的红外线中心波长为 910um，而探测元件的波长灵敏度在 0.220um 范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤 光片可通过光的波长范围为 710um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对 其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐 射的红外线传感器。 一旦人侵入探测区域内， 人体红外辐射通过部分镜面聚焦，

10、 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，经信号处理而报警。菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦 距(感应距离)，从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。被动式 热释电红外探头具有本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好，价 格低廉。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。抗电磁干扰： 探测器的抗电磁波干扰性能符合 GB10408 中 4.6.1要求，一般手机电磁干扰不会引起误报。 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。利用热释电

11、 传感器监测环境变化，进行信息传输进而完成报警功能的系统主要用于家居安 全，探测夜间有无人员闯入，该系统方便、稳定，十分适合家庭财产的保护。 这里所设计的被动式报警器采用的是热释电红外线传感器，是一种被动式的红 外传感器，它本身并不向环境中发射检测用的红外线，只是被动的接受，因此 这种热释电传感器能以非接触形式检测出人体辐射出的红外线，并将其转化为 电压信号。 同时，它还能辨别出运动的生物与其他非生物， 应用范围十分广泛。 热释电传感器既可应用于防盗报警装置，也可以用于自动控制、接近开关及遥 测等领域。2.2 低通滤波器低通滤波器实验电路图如图 2.2.1.图 2.2.2 低通滤波器仿真效果图

12、图 2.2.3 低通滤波器仿真效果图通过电阻、电容及运算放大器组成低通滤波电路，其特征频率：1 3 6 10Hz2 R0C8.2 103 2 10 6式 2-2-1 )A1R3R41.64式 2-2-2 )LM324 系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。 与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作 在低到 3。0伏或者高到 32伏的电源下，静态电流为 MC1741 的静态电流的五 分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏 置元件的必要性。每一组运算放大器可用图 1 所示的符号来表示，它有 5个引 出脚，其中“ +”、“

13、-”为两个信号输入端，“ V+ ”、“V-”为正、负电源端， “ Vo”为输出端。两个信号输入端中， Vi- （ -）为反相输入端，表示运放输出 端 Vo 的信号与该输入端的位相反； Vi+ （ +）为同相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相同。LM324 系列由四个独立的，高增益，内部频率补偿运算放大器，其中专为 从单电源供电的电压范围。从分裂电源的操作也有可能和低电源电流消耗是独 立的电源电压的幅度。应用领域包括传感器放大器，直流增益模块和所有传统的运算放大器现在 可以更容易地在单电源系统中实现的电路。例如，可直接操作的 LM324 系列， 这是用来在数字系统中，轻松地将

14、提供所需的接口电路，而无需额外的 15V 电源标准的 5V 电源电压。LM324 引脚如图 2.2.3.图 2.2.3 LM324 引脚图2.3 信号放大器作用就是将提供的微弱信号放大到可以驱动负载正常工作。信号放大器电路原理图如图 2.3.1。图 2.3.1 信号放大器电路原理图信号放大器效果仿真图如图 2.2.3图 2.2.3 信号放大器效果仿真图第 3 章：仿真电路的建立与分析3.1 仿真电路建立：仿真电路图如图 3.1.1 所示图 3.1.1 仿真电路图3.2 仿真结果的分析：仿真电路效果图如图 3.2.1 所示图 3.1.2 仿真电路效果图当有人进入到热释电红外线传感器探测范围内时就

15、会有一个微弱的交流信 号产生，然后经过滤波整理，再将信号放大处理后，从而驱动灯正常点亮，实 现了夜间人来灯亮， 当人走后就没有信号输入， 灯持续一段时间后就会自然灭， 实现了人走灯灭。第 4 章：设计体会 经过了一个星期的课程设计，使我们对所学的知识有了更多的体会，对课 题进行分析、设计时， 我 了解到对于自己学过的知识需要学以致用，不能只是 背书本上的知识，在实践的时候要能真正的用在需要的地方。 同时我也发现只是 这样的学习如果不去加以利用是不能熟练掌握精髓的，对于自己不知道的，要用合理的方 式去学习到自己的脑袋里面，把它真正的变成自己的东西，这样才是学习的根本所在。 传 感器课设计，在这过程中，我们遇到了很多问题，例如：仿真软件的使用以及 设计对电阻电容的取值的要求等。最后在老师的帮助 和 同学们的共同努力下， 这些问题终于柔韧而解。实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契， 在成功后一起体