热释电红外自动节能灯设计课程设计.doc

课程设计(论文)题 目 名 称 热释电红外自动节能灯设计 课 程 名 称 数字电路和模拟电路 学 生 姓 名 邓玲已 学 号 0941202065 系 、专 业 电气工程系、09自动化 指 导 教 师 李凯南 2011年12月20日摘要 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86型面板式开关，无需改动市电线路基于红外线技术的自动控制产品，当有人进入开关感应范围时，专用传感器探测到人体红外光谱的变化，开关自动接通负载，人不离开感应范围，开关将持续接通；人离开后，开关延时自动关闭负载。人到灯亮，人离灯熄，亲切方便，安全节能。关键词： 红外线、电子热视红外传感器、菲涅尔镜片 目录摘要I第1章 绪论1第2章 总体原理22.1红外线22.2红外传感器22.3热视电红外线传感器的原理3 2.4选择合适的接地点.第3章 电路分析53.1典型电路分析一53.2典型电路分析二5 3.3菲涅尔镜片.3.4调试7第4章 结果与分析及其应用8参考文献10邵阳学院课程设计（论文）任务书年级专业09电气工程及其自动化学生姓名邓玲已学 号0941202065题目名称热释电红外自动节能灯设计设计时间2011.11.28-12.26课程名称 电子技术课程设计课程编号121202306设计地点电气楼、电子实验分室408、409室一、课程设计（论文）目的电子技术基础课程设计是课堂教学的延伸和发展，是理论知识与工程实践之间的衔接。通过课程设计加深理解课堂教学的理论内容，学会综合运用专业基础知识，培养分析问题和解决问题的能力，在专业基础知识与工程实践方面为日后的毕业设计乃至毕业后的工作奠定良好的基础。 “热释电红外自动节能灯设计”是在系统学习模拟电子技术基础上，综合平衡模拟电子技术各方面的要求，通过设计安装和调试掌握模拟电路的一般设计方法。二、已知技术参数和条件（1）人在灯亮，人走灯灭；（2）采用热释电红外传感器，进行人员检测；（3）光源负载为白炽灯。 三、 任务和要求1.按学校规定的格式编写设计论文。2.论文主要内容有：课题名称。设计任务和要求。方案选择与论证。方案的原理框图，总体电路图、布线图，以及它们的说明；单元电路设计与计算说明；元器件选择和电路参数计算的说明等。用protuse或其它仿真软件对设计电路仿真调试。对调试中出现的问题进行分析，并说明解决的措施；测试、记录、整理与结果分析。收获体会、存在问题和进一步的改进意见等。注：1此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效；2此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份。四、参考资料和现有基础条件（包括实验室、主要仪器设备等）主编张克农 .数字电子技术. 高教出版社出版.第一版.2006年彭介华 主编.电子技术课程设计指导.高教出版社出版.第一版.2002年曾建唐 主编.电工电子基础实践教程.机械工业出版社.2002年康光华 主编.电子技术基础.高教出版社出版.第四版.1999年电子电工实验室可以提供的主要仪器设备：示波器型号规格VP-5220、电子学习机型号规格WL-V、万用表MF10；以及分立元件、或中规模集成芯片。五、进度安排2011年11月28日29日：收集和课程设计有关的资料，熟悉课题任务何要求；2011年12月1日-3日：总体方案设计，方案比较，选定方案的论证及整机电路的工作原；2011年12月4日-16日：单元电路设计，参数计算，元器件选择，电路图；2011年12月17日；整理书写设计说明书2011年12月18日：答辩六、教研室审批意见教研室主任（签字）： 年 月 日七、主管教学主任意见 主管主任（签字）： 年 月 日八、备注指导教师（签字）： 学生（签字）：邵阳学院课程设计（论文）评阅表学生姓名 邓玲已 学 号 0941202065 系 电气工程系 专业班级 09自动化 题目名称 热视电红外自动节能灯设计 课程名称 数字电路和模拟电路 一、学生自我总结这次设计让我学到了很多的知识，通过自己动手还有老师的指导我学到了很多课堂上学不到的东西，知道了只有把课堂上的东西用到实际我们才算是真真学好了这门课程，没有经过实际动手检验的知识学完就忘了，我想这次课程设计的过程会深深地印在我的脑海里，很难忘记了因为我在这次课程设计中遇到了难题，它一度让我想放弃但在老师和同学的鼓励之下我还是没有放弃，我在老师的指导下克服了一些困难，最终完成了这篇论文，实在是不容易，但是收获还是挺大的。这次课程设计也让我看到了自己学习上的不足，课堂上的一些知识虽然学会了但是要我独自决实际上的问题时还是感到力不从心，知道了自己知识面的短浅，以后在动手能力上要加倍练习。更加勤奋的学习，获得更大的收获。 学生签名： 邓玲已 2010年 1月 5 日二、指导教师评定评分项目平时成绩论文答辩综合成绩权 重304030单项成绩指导教师评语： 指导教师（签名）： 年 月 日注：1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书”页2、表中的“评分项目”及“权重”根据各系的考核细则和评分标准确定。第一章绪论 人体感应模块是根据人体能够发出红外线这一机能而设计出来的一种新型产品，它由红外感应器（PIR）和两级放大电路组成，如图1所示。其中被动式红外目标探测头（PIR）是人体感应模块的核心部件，其表面有一个用PE塑料电铸而成的菲涅尔镜片，能够将感应范围内的红外光谱收集到探测头。当感应到人体时，PIR探测头透过镜片聚焦的红外光谱转换成电信号，送到IC1第10脚进行放大，调节WI，可改变感应距离。IC1内部将此信号进行比较处理，滤除噪声干扰，送入IC2第1脚进行真伪信号鉴别、删除杂波干扰信号，将人体信号放大值输出到第11脚，调节W2，可改变感应时间，适应生产需要。 第二章总体原理2.1红外线 红外线是一种电磁波,在电磁波谱中的位置是处于红外端,波长范围大致是0.76um1000um。红外线与可见光、紫外线、射线、射线及无线电波一起,构成了无限连续的电磁波。理论分析和实验研究表明,不仅阳光中有红外线,而且任何物体,只要温度高于绝对零度,就在不停地辐射红外线。因此,红外线普遍存在于自然界中。我们人体也是一个红外辐射源，它与室内其它背景物体不但在红外辐射能量方面有所不同，而且各自辐射的红外线的峰值波长也不相同，人体辐射的红外峰值波长约在10um处. 红外人体感应带继电器控制的控制板 任何发热体都会产生红外线，辐射的红外线波长跟物体温度有关。表面温度越高,辐射能量越强。最强波长和温度的关系满足m*T=2989（um.k）人体的正常体温为3637.5。C ，其辐射的最强的红外线的波长为9.679.64um，中心波长为9.65um。2.2红外传感器PIR红外传感器（又称红外热释电传感器），这种材料具有热释电效应。所谓热释电效应是指该种材料中自发极化的强度随温度的变化而变化的效应。电介质在外加电场的作用下会产生电极化的现象，即会使电介质的一个表面带有正电荷，而另一个表面带有负电荷。对于热释电材料来说，在外加电压去掉后，仍可自行保持着这种电极化状态的现象就称为是“自发极化”现象。这种自发极化的强度与温度有关。温度升高，极化强度降低，即单位面积上的电荷减少。用热释电材料制成厚度极薄的片，并使之形成自发极化。当它受到红外辐射源的照射时，薄片的温度将升高，极化强度减弱，表面电荷将减少。通常将释放掉的这部分电荷就称为热释电电荷。由于热释电电荷的多少可以反映出材料温度的变化，所以由热释电电荷经电路所转变成的输出电压也同样可以反映材料温度的变化，从而探测出红外辐射能量的变化。红外传感器的光学系统可以将来自多个方向的红外辐射能量经反射或特殊的透镜透射后全都集中在红外传器上。这样，红外探测器就可以探测到某一个立体防范空间内辐射的变化。当防范区域内没有移动的人体等目标时，由于所有的背景物体在室温下红外辐射的能量比较小，而且基本上是稳定的，所以不能触发摄像头，即摄像头不工作。当有人体在探测区域内走动时，就会造成红外热辐射能量的变化。红外传感器将接收到的活动人体与背景物体之间的红外热辐射能量的变化转换为相应的电信号，经适当的处理后，送至摄像头，进而拍摄图像。PIR红外传感器的探测波长范围是814um，由于人体的红外辐射波长正好在此探测波长范围之内，因此能较好地探测到活动的人体。2.3热释电红外线感应器的原理由外壳和菲涅耳透镜、PIR红外传感器、专用IC（WT8072）等电路组成热释电红外线感应器，已经做好PCB板并调试成功。原理图如下所示：热释电红外线感应器在图像监控系统的应用 由图4中可以看出，监控系统是由多画面处理器、摄像头、监视器、延时录像机以及传感器等部分组成的。多个摄像头可以用于同时监看多个场所，操作员可以远程控制云台来调整每个摄像头的位置以对准所关心的目标。根据实际需要，可以为系统配备不同数目的监视器。例如普通的监控系统一般都配备两台监视器，主监视器主要用来显示多画面，另外一台则用来单独监看某一路图像或者各路的顺序切换图像。对于某些极其重要的监控点应该专门配备一台监视器。延时录像机是每个监控系统必不可少的重要部分，其功能是每隔一定的时间在磁带上记录一段各路的图像信号，它所录制的信息在很多时候能为案件的侦破提供重要的线索和证据。由于监控系统一般都是24小时连续工作的，录像机不可能记下每一时刻的图像信息，所以一般都会根据实际情况调整延时录像机的采样间隔时间。大多数监控系统都会配备报警传感器，这些传感器一般都安装在监控现场的某些敏感区域，如果现场出现例如火灾、特殊气味等情况，传感器就会立即给监控中心发出报警信号。以上几个部分都属于监控系统的外设，不同的系统会根据实际需要进行不同的配置，而多画面处理器却是所有监控系统的核心。它相当于整个系统的大脑，所有从外界进来的图像以及报警信息经过多画面处理器的加工后，才能变成有用的信息以供系统管理员观察和处理。图像监控系统是用来把被监视场所的图像记录下来，为日后对某些事件的处理提供方便条件和重要依据。由于监控系统一般都是24小时连续工作的，如果画面没有任何变化，即没有目标对象的出现时，而摄像头却一直在工作并记录，这将产生大量的冗余信息，势必对存储器产生更大的要求。2.4选择合理的接地点 在各级放大电路中，如果接地点安排不当，也会造成严重的干扰。例如，在附图 4 3 中，同一台电子设备的放大器， 由前置放大级和功率放大级组成。当接地点如图中实线所示时，功率级的输出电流是比较大的，此电流通过导线产生的压降，与电源电压一起，作用于前置级，引起扰动，甚至产生振荡。还因负载电流流回电源时，造成机壳（地）与电源负端之间电压波动，而前置放大级的输入端接到这个不稳定的“地”上，会引起更为严重的干扰。如将接地点改成图中虚线所示，则可克服上述弊端。 附图 4 3第三章电路分析3.1典型电路分析一具体电路应用设计分析(一)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，VT2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。探头接收到人体释放的热释红外信号,经VT1、IC2两级放大,输入电压比较器IC3。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，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VT1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J1能通电吸合，接通开关。3.2典型电路分析二上图中，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。 3.3菲涅尔镜片菲涅尔镜片是红外线探头的“眼镜”，它就象人的眼镜一样，配用得当与否直接影响到使用的功效，配用不当产生误动作和漏动作，致使用户或者开发者对其失去信心。配用得当充分发挥人体感应的作用，使其应用领域不断菲涅尔透镜的作用有两个： 一是聚焦作用，即将探测空间的红外线有效地集中到传感器上。不使用菲涅尔透镜时传感器的探测半径不足2米，只有配合菲涅尔透镜使用才能发挥最大作用。配上菲涅尔透镜时传感器的探测半径可达到10米。 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上产生变化的热释红外信号。 3.4调试自激振荡的消除 检查放大器是否发生自激振荡，可以把输入端短路，用示波器（或毫伏表）接在放大器的输出端进行观察， 如附图 4 4 所示波形。自激振荡和噪声的区别是，自激振荡的频率一般为比较高的或极低的数值，而且频率随着放大器元件参数不同而改变（甚至拨动一下放大器内部导线的位置，频率也会改变），振荡波形一般是比较规则的，幅度也较大，往往使三极管处于饱和和截止状态。 附图 4 4高频振荡主要是由于安装、布线不合理引起的。例如输入和输出线靠的太近，产生正反馈作用。对此应从安装工艺方面解决，如元件布置紧凑，接线要短等。也可以用一个小电容（例如 1000PF 左右）一端接地，另一端逐级接触管子的输入端，或电路中合适部位，找到抑制振荡的最灵敏的一点（即电容接此点时，自激振荡消失），在此处外接一个合适的电阻电容或单一电容（一般 100PF 0.1 F ，由试验决定）， 进行高频滤波或负反馈，以压低放大电路对高频信号的放大倍数或移动高频电压的相位，从而抑制高频振荡（如附图 4 5 所示）。 (a) (b) 附图 4 5 低频振荡是由于各级放大电路共用一个直流电源所引起。如附图 4-6 所示，因为电源总有一定的内阻 R O ，特别是电池用得时间过长或稳压电源质量不高，使得内阻 R O 比较大时，则会引起 处电位的波动， 的波动作用到前级，使前级输出电压相应变化，经放大后，使波动更历害，如此循环，就会造成振荡现象。最常用的消除办法是在放大电路各级之间加上“去耦电路”如图中的 R 和 C ，从电源方面使前后级减小相互影响。去耦电路 R 的值一般为几百欧，电容 C 选几十微法或更大一些。 电路调试主要是调节电位器RB，选择合适的参考电压，以达到最佳灵敏度。 第四章结果与分析及其应用1.“有电，危险”安全警示电路 用于有电的场合，当有人进入这些场合时，通过发出语音和声光提醒人们注意安全。2.自动门 主要用于银行、宾馆。当有人来到时，大门自动打开，人离开后又自动关闭。3.红外线防盗报警器 用于银行、办公楼、家庭等场合的防盗报警。4.高速公路车辆车流计数器 5.自动开、关的照明灯，人体接近自动开关等。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，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。参考文献主编张克农 .数字电子技术. 高教出版社出版.第一版.2006年彭介华主编电子技术课程设计指导.高教出版社出版.第一版.2002年曾建唐 主编.电工电子基础实践教程.机械工业出版社.2002年康光华 主编.电子技术基础.高教出版社出版.第四版.1999年电子电工实验室可以提供的主要仪器设备：