楼道人体感应开关照明电路设计(共15页)

1、福州职业技术学院毕业设计设计题目 楼道式感应照明电路设计 系 别 技术工程系 年级专业 09应用电子 学 号 200902013220 姓 名 陈贵福 指导教师 薛曼芳 职 称 2012年 1 月 30 日目 录内容摘要1关键词1引言1一、设计基础介绍2（一）热释电红外感应开关简述2（二）人体热释电红外线传感器的基本结构和原理.3（三）继电器5二、总体设计方案7（一）设计思路7（二）设计方案8（三）电路图设计8（四）系统工作原理8（五）电路工作原理9三、楼道人体感应开关照明电路设计制作10（一）制作说明10（二）系统的调试.10四、电路的制作11结语13参考文献13 楼道人体感应开关照明电路设

2、计【内容摘要】 本设计是一个智能照明电路，可以自动判断楼道是否有人经过，并点亮楼道灯，能够给人们的生活带来许多便利，并且电路可以检测白天和黑夜，白天有人经过也不会触发，只有在夜晚的时候电路才工作，大大的降低了电能的损耗，我在电路中使用的是人体红外感应开关，这样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。

3、本电路设计简单，性能稳定，适合小区使用。【关键词】 热释电红外 放大 热敏电阻引言人体感应灯是一款利用红外线、热释电原理感应人体活动信息的新技术设计、研发而成的，专门用来检测和感应人体活动信息。 当人或有温度的物体进入模块感应范围内时，感应模块就会输出一个高电平脉冲信号、或高电平延时信号，输出的感应脉冲或延时信号可以直接驱动LED灯指示灯、LED照明灯，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,可以实现以下几个功能：（一）在生活智能化的现在，给人们的生活提供更舒适和便利的环境。(二）在电力日益紧张的现在节能已经放在人们生活的首位，本设计从实际出发，当行人从楼道经过

4、，自动点亮照明灯并延时一段时间后自动关闭，大大解决了，照明灯平时浪费电的问题。（三）现在建筑中的照明不仅要求能为人民的工作，学习，能为生活提供良好的视觉条件，人们对生活质量的追求越来越高。（四）能在分辨白天和夜晚，只要在夜晚的时候电路才动作，大大降低了电能的损耗。作为一个当代大学生设计一款楼道人体感应灯解决了在活动中的这一弊端。因此在这毕业之际设计楼道人体感应灯，不仅让我巩固了所学知识并应用于实践，同时也让我觉得所学知识能贡献于社会，所读的这几年书是没有白念的。让我有了一个质地的飞跃。一、设计基础介绍（一）热释电红外感应开关简述热释电红外感应开关的功能特点如下： 1.全自动感应：人进入其感应范

5、围则输出高电平（可制作集电极输出），人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。2.光敏控制（可选择，出厂时未安装）：可设置光敏控制，白天或光线强时不产生感应现象。3.触发方式：为重复触发方式，即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点）。 4.具有感应封锁时间（默认设置：无封锁时间）：感应模块在延时时间一结束（即停止输出），可以紧跟着设置一个封锁时间段，在此时间段内感应器不接受任何感应信号。此功能可以实现“

6、感应输出时间”和“封锁时间”两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。（此时间可设置在零点几秒几十秒钟）。 5.工作电压范围宽：默认工作电压DC3.3V-20V 。（二）、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0.620.76m；紫光的波长范围为0.380.46m。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10U

7、M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

8、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，T=0，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。由实验证明，传感器不加光学透镜(也称菲涅尔透镜)，其检测距离小于2m，而加上光学透镜后，其检测距离可大于7m。 （1) 热释电效应当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自

9、空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度，图9表示了热释电效应形成的原理。能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件，其常用的材料有单晶(LiTaO3 等)、压电陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等） 图9 热释电效应的形成原理热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当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会产生电荷Q，即在两电极之间产生一微弱电压V

10、。由于它的输出阻抗极高，所以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会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，T=0，传感器无输出。当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生T，则有信号输出；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，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。传感器主要有外壳、滤光片、热释电元件PZT、场效应管FET等组成。其中，滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。滤光片为6mm多层膜干涉滤光片，对太阳光和荧光灯光的短波长（约5mm以下）可很好滤除。热释电元件PZT将波长在8mm-12mm之间的红外信号的微弱变化转变为

11、电信号，为了只对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅耳滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。（2) 滤光窗 它是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的，滤光窗能有效地滤除7.014um波长以外的红外线。例如，SCA02-1对7.514um波长的红外线的穿透量为70%，在6.5um处时下降为65%，而在5.0um处时陡降为0.1%；P2288的响应波长为614um，中心波长为10um。物体发射出的红外线辐射能，最强波长和温度的关系满足m*T=2989（um.k）（其中m为最大波长，T为绝对温度）。人体的正常体温为3637.5。C ，即309310.5K，其辐射的最强的红外线的

12、波长为m=2989/（309310.5）=9.679.64um，中心波长为9.65um。因此，人体辐射的最强的红外线的波长正好落在滤光窗的响应波长（714um）的中心。所以，滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过，而最大限度地阻止阳光、灯光等可见光中的红外线的通过，以免引起干扰。综上所述，传感器只对移动或运动的人体和体温近似人体的物体起作用。（二）运算放大器有两个输入端a（反相输入端）,b(同相输入端)和一个输出端o，也分别被称为倒向输入端非倒向输入端和输出端。当电压加U-加在a端和公共端(公共端是电压为零的点，它相当于电路中的参考结点。)之间,且其实际方向从a 端高于公共端时，U实际方向则自公

13、共端指向o端,即两者的方向正好相反。当输入电压U+加在b端和公共端之间，U与U+两者的实际方向相对公共端恰好相同。为了区别起见,a端和b 端分别用"-"和"+"号标出，但不要将它们误认为电压参考方向的正负极性。电压的正负极性应另外标出或用箭头表示。反转放大器和非反转放大器如图1所示。 图1 运算放大器一般可将运放简单地视为：具有一个输出端口（Out）和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及。运放的供电方式分双供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零

14、。采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化。 运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。这种运放称为轨到轨（rail-to-rail）输入运算放大器。 运算放大器的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比，在段有：输出电压=A0（E1-E2），其中，A0是运放的低频开环增益（如 100，即100000倍），E1 是同相端的输入信号电压，E2 是反相端的输入信号电压。（三） 继电器是一种电子控制，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路

15、），通常应用于自动控制中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁继电器的工作原理和特性。式继电器一般由铁芯、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（）释放。这样吸合、，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：未通电时处于断开的静触点，称为“常

16、开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。 继电器线圈在电路中用一个长方框符号表示，如果继电器有两个线圈，就画两个并列的长方框。同时在长方框内或长方框旁标上继电器的文字符号“J”。继电器的触点有两种表示方法：一种是把它们直接画在长方框一侧，这种表示法较为直观。另一种是按照电路连接的需要，把各个触点分别画到各自的控制电路中，通常在同一继电器的触圈旁分别标注上相同的文字符号，并将触点组编上号码，以示区别。二、总体设计方案（一）设计思路人体感应智能节电开关由于触发的时候不需要人发出任何声音，而是人走过时身体向外界散发红外热量最终控制灯具的开启，当人离开后，经过一定时间的延时，自动熄灭。因为不同

17、于声光控灯，不需要声音和开关控制，从而避免了声控噪音的侵扰，同时因为它是感应人体热量控制开关，所以避免了无效电能的损耗，达到节能效果。此类设计的要点在于对红外线信号的放大及处理，尤其是从系统的稳定性上下功夫，运放用作放大电路已为电子设计师所常用，因为其放大倍数完全可以通过反馈量的大小来进行调节，同时外围电路非常简单，性能也较好，但是作为放大从传感器接收下来的人体红外信号时，由于传感器易受热噪声的影响，放大器放大倍数的选择是一大难点，也是本设计成功与否的关键所在，选大了，无法关断所控制的照明灯，选小了，又检测不到人体发出的红外线信号。另外，前级的放大倍数与干扰比较电路的参数选择应配合起来，如何区

18、分是热噪声信号还是有效的人体信号，另一方面还取决于对比较器参考电压的选择，至于延时部分的选择相对来说比较简单，只要前面部分的工作可靠了，一般后续电路就较为容易实现了。（二）设计方案 本设计传感器采用，热式红外传感器，具有性能稳定，误动作低的优点采用2级运算放大使性能更稳定，整体结构电路为图2所示。图2 整体结构电路（三）电路图设计楼道人体感应开关照明电路如图3所示。 图3 楼道人体感应开关照明电路（四） 系统工作原理当人体从A探测区走向B探测区，热释电元件的AB单元将先后感应到人体，通过特殊电路的处理可以分辨出来，然后在A输出端子上输出高电平信号；反之当人体从B探测区走向A探测区，在B输出端子

19、上输出高电平信号。菲涅尔镜片是根据法国光物理学家FRESNEL发明的原理采用电镀模具工艺和PE(聚乙烯)材料压制而成，如图4为菲涅尔透镜。它上面的每个单元透镜一般都只有一个不大的视场，而相邻的两个单元透镜的视场既不连续也不重叠，都相隔一个盲区。菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，即将热释红外信号折射(反射)在PIR上；第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。当人进入感应范围，人体释放的红外光透过镜片被聚集在远距离A区或中距离B区或近距离C区的某个段的同心环上，同心环与红外线探头有一个适当的焦距，红外光正好被探头接收

20、，探头将光信号变成电信号送入电子电路驱动负载工作。整个接收人体红外光的方式也被称为被动式红外活动目标探测器。图4 菲涅尔透镜如果某人进入或离开探测器覆盖的一个或几个区域，探测器应可以探测到红外辐射能量的变化，AD转换器将感应器送出的信号数码化后，再用Visatec(基于快思逻辑基础上的全数码高智能信号分析技术)信号处理器进行分析。（五） 电路工作原理    电路采用LN074B作探头。当白天有人的时候RTT光敏电阻较小，使天TV1三极管c级与b级短路三极管截止，当黑夜来临，无阳光的时候电阻显大阻值，三管脚正常工作。当探头接收到人体释放的热释红外信号后，由控头内部转

21、换成一个频率约03Hz3Hz微弱的低频信号，经VTl、IC2两级放大器放大后输入电压比较器IC3。两级电压放大采用直流放大器，总增益约7075分贝。IC3等组成电压比较器，其中RP为参考电压调节电位器，用来调节电路灵敏度，也就是探测范围。平时，电阻参考电压(IC3的(2)脚电压)高于IC2的输入电压(IC3的(3)脚电压)，IC3输出低电平。当有人进入探测范围时，探头输出探测电压，经VTl和IC2放大后使信号输出电压高于参考电压，这时IC3的(6)脚输出高电平，三极管VT2导通，继电器儿能电吸合，接通开关。电路中VT3、C7、R8、R10组成开机延时电路。当开机时，开机人的感应会使IC3输出高

22、电平，造成误触发。开机延时电路在开机的瞬间，由电容C7的充电作用而使VT3导通，这样就使IC3输出的高电平经VT3通地，VAT2可以保持截状态，防止了开机误触发。开机延时时间由C7与R8的时间常数决定，约20秒。IC2、IC3选用高输入阻抗的运算放大器CA3140。该电路采用结型场效应管作差分输入级3，输人阻抗高达15*10(12)欧，输入失调电流仅05pA，频带宽达45MHz，转换速率为9Vus，是一种性能十分优良的运算放大器，很适合于作微弱信号的放大级。三、楼道人体感应开关照明电路设计制作（一）制作说明综上设计根据电路将元器件布置在已经制作好的PCB板上。可以先从体积较大的器件开始，如单片

23、机底座、电源稳压器。待体积较大的元器件布局好之后，小型的电子元器件就可以根据间隙面积灵活布置。二极管、阻容元件的装配方式一般有直立式、俯卧式和混合式三种。 1.直立式电阻、电容、二极管等都是竖直安装在PCB板上的。这种方式的特点是：在一定的单位面积内可以容纳较多的电子元件，同时元件的排列也比较紧凑。缺点是：元件的引线过长，在一个平面上，欠美观，元器件引脚弯曲，且密度较大，元器件之间容易引脚碰触，可靠性欠佳，且不太适合频率较高的电路采用。2.俯卧式电阻、电容、二极管等都是俯卧式安装在PCB板上的。这样可以明显地降低元件的排列高度，可实现薄形化，同时元器件的引脚也最短，适合于较高工作频率的电路采用，也是目前采用最广泛的一种安装方式。3.混合式为了适应各种不同条件的要求或某些位置受面积所限，在一块PCB电路板上，有的元器件则采用俯卧式。这受到电路结构各式以及机壳内尺寸的限制，同时灵活处理。4.元器件配置布局应考虑的因素（1）由于PCB是矩形，元件排列的长度方向一般应与PCB板的长边平行，这样不但可以提高元件的装配好的PCB板更美观。（2）应尽可能地缩短元件及元件之间的引线。尽量避免电路板上的导线的交叉，设法减小它们的分布电容和互相之