樓道人體紅外感應(yīng)系統(tǒng)的研究

江 西 理 工 大 學(xué) 南 昌 校 區(qū) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文） 題 目： 樓道人體紅外感應(yīng) 系統(tǒng)的研究 系 ：信息工程系 專 業(yè)：應(yīng)用電子技術(shù) 班 級： 學(xué) 生： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 職稱：講 師 摘 要 本文介紹了紅外線感應(yīng)開關(guān)的原理，采用熱釋電紅外探頭（ PT8A2621）將接收到的微弱信號加以放大，然后驅(qū)動繼電器，制成紅外熱釋電感應(yīng)開關(guān)。本開關(guān)能探測來自移動人體的紅外輻射，只要人體進(jìn)入探測區(qū)域，開關(guān)會自 動開啟。該設(shè)計(jì)可作為企業(yè)、賓館、商場及住宅的走廊、樓梯、電梯間、衛(wèi)生間、庫房等處的自動開關(guān)，起到 “ 人來燈自亮，人走燈自滅 ” 的作用，既新穎方便，又節(jié)約用電，在某些場所還能起到威懾盜竊活動的防范作用。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，本身不發(fā)任何類型的輻射，器件功耗很小，價(jià)格低廉，隱蔽性好，應(yīng)用范圍廣，所以可以通過擴(kuò)展而達(dá)到實(shí)際的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞： 紅外線，感應(yīng)開關(guān)，紅外輻射，探測區(qū)域 作者： 指導(dǎo)老師： ABSTRACT This paper introduces the principle of the infrared sensor switch, the use of pyroelectric infrared sensor (PT8A2621) will receive the weak signal to be amplified, then drive the relay, made of pyroelectric infrared sensor switch. The switch can detect infrared radiation from the mobile body, as long as the human body into the detection area, switch on automatically. The design can be used as enterprises, hotels, shopping malls and residential corridors, stairs, elevators, bathrooms, warehouse, etc. The automatic switch, act as a people to light from the light, people take the light from the off role, both new and convenient and conservation of electricity, in some places but also play a preventive role in deterring theft. The design of simple structure, itself does not send any type of radiation, the device power consumption is very small, cheap, good for hiding, and wide application, it can be extended to achieve practical application. Key words: infrared, sensor switch, infrared radiation, detecting area Author : Guiding Teacher : 目 錄 第一章 前 言 . 1 1.1 課題的背景與目的 . 1 1.2 熱釋電紅外感應(yīng)開關(guān)簡述 . 1 第二章 照明系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) . 3 2.1 照明系統(tǒng)的構(gòu)成 . 3 2.2 人體紅外線樓道自動照明系統(tǒng)電路 . 3 第三章 熱釋電紅外感應(yīng)開關(guān)的組成 . 5 3.1 傳感器 . 5 3.1.1 人體熱釋電紅外線傳感器的基本結(jié)構(gòu)和原理 . 5 3.1.2 熱釋電紅外線傳感器的優(yōu)缺點(diǎn) . 9 3.1.3 CDS 傳感器 . 10 3.2 集成控制電路 . 10 3.2.1 概述 . 10 3.2.2 運(yùn)算放大器 . 12 3.2.3 集成運(yùn)放的性能指標(biāo) . 12 3.2.4 集成運(yùn)放的組成 . 12 3.2.5 振蕩器 . 12 3.2.6 電壓比較器 . 14 3.3 可控硅 . 17 3.3.1 單向可控硅簡介 . 17 3.3.2 雙向可控硅 . 18 第四章 電路制作 . 21 4.1 整體電路制作問題 . 21 4.1.1 元件的散熱問題 . 21 4.1.2 電子電路的靜電保護(hù) . 21 第五章 結(jié) 論 . 24 參 考 文 獻(xiàn) . 25 致 謝 . 26 江西理工大學(xué) 2011 屆本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第一章 前 言 1.1 課題的背景與目的 節(jié)能與環(huán)保已經(jīng)成為當(dāng)代產(chǎn)品開發(fā)的首要考慮因素和最大賣點(diǎn)。由于我國在新能源研發(fā)方面處于 落后局面，目前市場上的普通船型開關(guān)、拉線開關(guān)占據(jù)著燈具開關(guān)市場的主要位置。然而由于許多不可控因素的出現(xiàn)及人們?nèi)粘Ａ?xí)慣所限，造成了大量的電能的浪費(fèi)。這種現(xiàn)象在我們的生活中隨處可見?？諢o一人的教室十多盞日關(guān)燈依然亮著，非常安靜的樓道內(nèi)燈火通明，衛(wèi)生間無人使用卻不熄滅燈光全國每年因此而損耗的電能可以以億度計(jì)量，同時因燈具使用時間的過長，也縮短了燈具的使用壽命，頻繁的更換燈具也造成了人力，財(cái)力的大量浪費(fèi)。所以通過這種直接和間接的損耗，每年電能的損失就達(dá)數(shù)億元。近十年以來，我國建筑體系的不斷發(fā)展，也對照明系統(tǒng)提出 了更高的要求。 隨著大量采用電子技術(shù)的家用電器面市 , 住宅電子化出現(xiàn) 。近幾年樓宇智能化（ 智能家居是以家為平臺，兼?zhèn)浣ㄖ?、網(wǎng)絡(luò)通訊、信息家電、網(wǎng)絡(luò)家電、自動化和智能化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理、控制于一體的高效、舒適、安全、便利、節(jié)能、健康、環(huán)保的家居環(huán)境。 ）又飛速發(fā)展起來，其中實(shí)現(xiàn)自動照明系統(tǒng)可以減少電能浪費(fèi)成為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化住宅的重要一筆。本課題從實(shí)際出發(fā)，準(zhǔn)備對紅外線樓道自動照明系統(tǒng)進(jìn)行探索， 隨著現(xiàn)代化的發(fā)展 ,工業(yè) ,農(nóng)業(yè) ,商業(yè) ,教育等等行業(yè)的用電量都大幅度增加 ,在這種情況下電能的浪費(fèi)成為人們普遍關(guān)注的問題 。 由此觀之，如何有效的減少照明用電的浪費(fèi)和更好的管理照明系統(tǒng)已成為一個不可忽視問題。 1.2 熱釋電紅外感應(yīng)開關(guān)簡述 普通人體會發(fā)射 10um左右的特定波長紅外線，用專門設(shè)計(jì)的傳感器就可以針對性的檢測這種紅外線的存在與否，當(dāng)人體紅外線照射到傳感器上后，因熱釋電效應(yīng)將向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生控制信號。這種專門設(shè)計(jì)的探頭只對波長為 10m 左右的紅外輻射敏感，所以除人體以外的其他物體不會引發(fā)探頭動作。探頭內(nèi)包含兩個互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元，而且制成的兩個電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對兩個熱釋元件幾 乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測器無信號輸出。一旦人侵入探測區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，于是輸出檢測信號。 人 體是一特定波長紅外線的發(fā)射體，由紅外傳感器檢測到這種紅外線的變化并予以放大選頻處理后，可以推動適當(dāng)?shù)呢?fù)載，此乃人體紅外自動開關(guān)。這一檢測技術(shù)較之超聲、啞聲、微江西理工大學(xué) 2011 屆本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 波方式更為靈敏與準(zhǔn)確。它要求 PIR熱釋電人體紅外傳感器的信號放大處理電路有很高的靈敏度并要能準(zhǔn)確鑒別生物體與非生物體的運(yùn)動，使誤動作率降到最低。且體積小，自耗電微少。采用熱釋電紅外傳感器及專用單片集成電路構(gòu)成的這種開關(guān)能成為人到燈亮、人走燈滅。它安裝方便，可直接替換面板式開關(guān)，無需改動市電線路。 江西理工大學(xué) 2011 屆本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 第二章 照明系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2.1 照明系統(tǒng)的構(gòu)成 傳統(tǒng)照明控制系統(tǒng)是以照明配電箱通過手動開關(guān)來控制照明燈具的通斷，或通過回路中串入接觸器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制。 傳統(tǒng)的照明電路只是為燈提供一定的電壓使其發(fā)光 ,這種燈只是人為控制 ,具有很大弊端 ,特別是在一些集體工作地 ,比如說 ,工廠 ,公司 ,學(xué)校等 .而今出現(xiàn)的建筑物自控 (BA)系統(tǒng)，是以電氣觸點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)區(qū)域控制、定時通斷、中央監(jiān)控等功能。 2.2 人體紅外線樓道自動照明系統(tǒng)電路 該電路的主要元件是熱釋電紅外傳感器，因其抗干擾性好、探測靈敏度高、工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于防盜報(bào)警、自動門、 感應(yīng)燈、自動水閥、自動馬達(dá)控制等工業(yè)和生產(chǎn)領(lǐng)域 。 BISS0001 是專為熱釋電紅外傳感器（ PIR）配套設(shè)計(jì)的集成電路，采用 CMOS工藝制造，具有性能指標(biāo)高、一致性好、功耗低、外圍電路簡單、安裝調(diào)試方便、工作可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。外圍電路元件說明： PIR感應(yīng)信號經(jīng) 濾波進(jìn)入芯片 內(nèi)部 進(jìn)行 放 大，與基準(zhǔn)電壓比較 ,如果判斷有觸發(fā)，運(yùn)放輸出高電平。這時候計(jì)時檢測電路開始計(jì)時，計(jì)滿一定內(nèi)部時鐘周期，跳變?yōu)楦撸杀苊庹`觸發(fā)）。 上圖中，運(yùn)算放大器 OP1將熱釋電紅外傳感器的輸出信號作第一級放大，然后由 C3耦合給運(yùn)算放大器 OP2進(jìn)行第二級放大，再經(jīng)由電壓比較器 COP1 和 COP2構(gòu)成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號 Vs去圖 2-1 紅外感應(yīng)開關(guān)電路 江西理工大學(xué) 2011 屆本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 啟動延遲時間定時器，輸出信號 Vo經(jīng)晶體管 T1放大驅(qū)動繼電器去接通負(fù)載。 上圖中， R3為光敏電阻，用來檢測環(huán)境照度。當(dāng)作為照明控制時，若環(huán)境較明亮， R3的電阻值會降低，使 9腳的輸入保持為 低電平，從而封鎖觸發(fā)信號Vs。 SW1是工作方式選擇開關(guān)，當(dāng) SW1與 1 端連通時，芯片處于可重復(fù)觸發(fā)工作方式；當(dāng) SW1與 2端連通時，芯片則處于不可重復(fù)觸發(fā)工作方式。輸出延遲時間Tx由外部的 R9和 C7的大小調(diào)整，值為 Tx24576xR9C7 ；觸發(fā)封鎖時間 Ti由外部的 R10和 C6的大小調(diào)整，值為 Ti24xR10C6 。 江西理工大學(xué) 2011 屆本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第三章 熱釋電紅外感應(yīng)開關(guān)的組成 3.1 傳感器 傳感器是將感受的物理量、化學(xué)量等信息，按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于測量 和傳輸?shù)?電 信號的裝置。電信號易于傳輸和處理，所 以大多數(shù)的傳感器是將物理量等信息轉(zhuǎn)換成電信號輸出的 。 3.1.1 人體熱釋電紅外線傳感器的基本結(jié)構(gòu)和原理 人的眼睛能看到的可見光按波長從長到短排列，依次為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。其中紅光的波長范圍為 0.62 0.76m ；紫光的波長范圍為 0.380.46m 。比紫光光波長更短的光叫紫外線，比紅光波長更長的光叫紅外線 。 熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器。 一般人體都有恒定的體溫，一般在 37度，所以會發(fā)出特定波長 10UM左右的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射 的 10UM左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的 10UM 左右的紅外線通過菲尼爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢驗(yàn)處理后即可產(chǎn)生報(bào)警信號。 人體熱釋電紅外線傳感器（以下簡稱：傳感器）由敏感單元、阻抗變換器和濾光窗等三大部分組成 。熱釋電傳感器是對溫度 變化 敏感的傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，在元件兩個表面做成電極，在傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)溫度有 T 的變化時，熱釋電效應(yīng)會在兩個電極上產(chǎn)生電荷 Q ，即 在兩電極之間產(chǎn)生一微弱的電壓 V 。由于它的輸出阻抗極高，在傳感器中有一個場效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷 Q 會被空氣中的離子所結(jié)合而消失，即當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時， T=0 ，則傳感器無輸出。當(dāng)人體進(jìn)入檢測區(qū)，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生 T ，則有 T 輸出；若人體進(jìn)入檢測區(qū)后不動，則溫度沒 有變化，傳感器也沒有輸出了。所以這種傳感器檢測人體或者動物的活動傳感。 由實(shí)驗(yàn)證明，傳感器不加光學(xué)透鏡 (也稱菲涅爾透鏡 )，其檢測距離小于 2m，而加上光學(xué)透鏡后，其檢測距離可大于 7m。 1) 熱釋電效應(yīng) 當(dāng) 一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產(chǎn)生數(shù)量相等而符號相反的電荷，這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象，被稱為熱釋電效應(yīng)。通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被來自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化電矩不能表現(xiàn)出來。當(dāng)溫度變化時，晶體結(jié)構(gòu)中的正負(fù)電荷重心相對移位，自發(fā)極化發(fā)江西理工大學(xué) 2011 屆本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 生變化，晶體表面就會產(chǎn)生電荷耗盡，電荷耗盡的狀況正比于極化程度，圖 3-1表示了熱釋電效應(yīng)形成的原理。能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱之為熱釋電體或熱釋電元件，其常用的材料有單晶 (LiTaO3 等 )、壓電陶瓷（ PZT等）及高分子薄膜（ PVFZ等）熱釋電傳感器利用的正是熱釋電效應(yīng)，是一種溫度敏感傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，元件兩個表面做成電極，當(dāng)傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)溫度有T 的變化時，熱釋電效應(yīng)會在兩個電極上會產(chǎn)生電荷 Q ，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱電壓 V 。由于它的輸出阻抗極高，所以傳感器中有一個場效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷 Q 會跟空氣中的離子所結(jié)合而消失，當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時， T=0 ，傳感器無輸出。當(dāng)人體進(jìn)入檢測區(qū)時，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生 T ，則有信號輸 出；若人體進(jìn)入檢測區(qū)后不動，則溫度沒有變化，傳感器也沒有輸出，所以這種傳感器能檢測人體或者動物的活動。傳感器主要有外殼、濾光片、熱釋電元件 PZT、場效應(yīng)管 FET等組成。其中，濾光片設(shè)置在窗口處，組成紅外線通過的窗口。濾光片為 6mm多層膜干涉濾光片，對太陽光和熒光燈光的短波長（約 5mm以下）可很好濾除。熱釋電元件 PZT將波長在 8mm-12mm之間的紅外信號的微弱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，為了只對人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲涅耳濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的抑制作用。 對不同的傳感器來說，敏感單 元的制造材料有所不同。如， SD02 的敏感單元由鋯鈦酸鉛制成； P2288由 LiTaO3 制成。這些材料再做成很薄的薄片，每一片薄片相對的兩面各引出一根電極，在電極兩端則形成一個等效的小電容 ，例P1、 P2。因?yàn)檫@兩個小電容是做在同一硅晶片上的，而它們形成的等效小電容能自身產(chǎn)生極化，極化的結(jié)果是，在電容的兩端產(chǎn)生極性相反的正、負(fù)電荷。但這懸浮電荷 溫度變化 熱平衡條件 TK 極化 溫度變化造成極化 T+ TK 熱能 圖 3-1 熱釋電效應(yīng)的形成原理 江西理工大學(xué) 2011 屆本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 兩個電容的極性是相反串聯(lián)的。這正是傳感器的獨(dú)特設(shè)計(jì)之處，因而使得它具有獨(dú)特的抗干擾性。 當(dāng)傳感器沒有檢測到人體輻射出的紅外線信號時， 由于 P1、P2自身產(chǎn)生極化，在電容的兩端產(chǎn) 生極性相反、電量相等的正、負(fù)電荷，而這兩個電容的極性是相反串聯(lián)的，所以，正、負(fù)電荷相互抵消，回路中無電流，傳感器無輸出。當(dāng)人體靜止在傳感器的檢測區(qū)域內(nèi)時，照射到 P1、 P2 上的紅外線光能能量相等，且達(dá)到平衡，極性相反、能量相等的光電流在回路中相互抵消。傳感器仍然沒有信號輸出。同理，在燈光或陽光下，因陽光移動的速度非常緩慢，P1、 P2上的紅外線光能能量仍然可以看作是相等的，且在回路中相互抵消；再加上傳感器的響應(yīng)頻率很低（一般為 0.110Hz），即傳感器對紅外光的波長的敏感范圍很窄（一般為 515um），因此， 傳感器對它們不敏感。 當(dāng)環(huán)境溫度變化而引起傳感器本身的溫度發(fā)生變化時，因 P1、 P2做在同一硅晶片上的，它所產(chǎn)生的極性相反、能量相等的光電流在回路中仍然相互抵消，傳感器無輸出。從原理上講，任何發(fā)熱體都會產(chǎn)生紅外線，熱釋電人體紅外線傳感器對紅外線的敏感程度主要表現(xiàn)在傳感器敏感單元的溫度所發(fā)生的變化，而溫度的變化導(dǎo)致電信號的產(chǎn)生。環(huán)境與自身的溫度變化由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了它不向外輸出信號；而傳感器的低頻響應(yīng)（一般為 0.110Hz）和對特定波長紅外線（一般為 515um）的響應(yīng)決定了傳感器只對外界的紅外線的輻射而引起 傳感器的溫度的變化而敏感，而這種變化對人體而言就是移動。所以，傳感器對人體的移動或運(yùn)動敏感，對靜止或移動很緩慢的人體不敏感；它可以抵抗可見光和大部分紅外線的干擾。 2) 濾光窗 它是由一塊薄玻璃片鍍上多層濾光層薄膜而成的，濾光窗能有效地濾除7.014um波長以外的紅外線。例如， SCA02-1對 7.514um波長的紅外線的穿透量為 70%，在 6.5um 處時下降為 65%，而在 5.0um處時陡降為 0.1%； P2288的響應(yīng)波長為 614um，中心波長為 10um。 物體發(fā)射出的紅外線輻射能，最強(qiáng)波長和溫度 的關(guān)系滿足 m*T=2989（ um.k）（其中 m為最大波長， T為絕對溫度）。人體的正常體溫為 3637.5。 C ，即309310.5K，其輻射的最強(qiáng)的紅外線的波長為 m=2989/（ 309310.5）=9.679.64um，中心波長為 9.65um。因此，人體輻射的最強(qiáng)的紅外線的波長正好落在濾光窗的響應(yīng)波長（ 714um）的中心。所以，濾光窗能有效地讓人體輻射的紅外線通過，而最大限度地阻止陽光、燈光等可見光中的紅外線的通過，以免引起干擾。 綜上所述，傳感器只對移動或運(yùn)動的人體和體溫近似人體的物體起作用 。 菲涅爾透鏡 根據(jù)菲涅耳原理制成，把紅外光線分成可見區(qū)和盲區(qū)，同時又有聚焦的作用，使熱釋電人體紅外傳感器 (PIR) 靈敏度大大增加。菲涅耳透鏡江西理工大學(xué) 2011 屆本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 折射式和反射式兩種形式，其作用一是聚焦作用，將熱釋的紅外信號折射（反射）在 PIR上；二是將檢測區(qū)內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入檢測區(qū)的移動物體能以溫度變化的形式在 PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號，這樣 PIR就能產(chǎn)生變化電信號。 不使用菲涅爾透鏡時傳感器的探測半徑不足 2米，只有配合菲涅爾透鏡使用才能發(fā)揮最大作用。配上菲涅爾透鏡時傳感器的探測半徑可達(dá)到 10 米。例如，一些傳 感器對遠(yuǎn)在 20米處快速行駛的汽車?yán)锏娜梭w也能可靠地檢測到。菲涅爾透鏡采用塑料片制作而成。圖 2為它的平面圖。從圖中可以看出，透鏡在水平方向上分寸成 3個部分，每一部分在豎直方向上又等分成若干不同的區(qū)域。最上面部分的每一等份為一個透鏡單元，它們由一個個同心圓構(gòu)成，同心圓圓心在透鏡單元內(nèi)。中間和下半部分的每一等份也為分別一個透鏡單元，同樣由同心圓構(gòu)成，但同心圓圓心不在透鏡單元內(nèi)。當(dāng)光線通過這些透鏡單元后，就會形成明暗相間的可見區(qū)和盲區(qū)。由于每一個透鏡單元只有一個很小的視角，視角內(nèi)為可見區(qū)，視角外為盲區(qū)。任何兩個相鄰 透鏡單元之間均以一個盲區(qū)和可見區(qū)相間隔，它們斷續(xù)而不重疊和交叉，如圖 3.1.3這樣，當(dāng)把透鏡放在傳感器正前方的適當(dāng)位置時，運(yùn)動的人體一旦出現(xiàn)在透鏡的前方，人體輻射出的紅外線通過透鏡后在傳感器上形成不斷交替變化的陰影區(qū)（盲區(qū)）和明亮區(qū)（可見區(qū)），使傳感器表面的溫度不斷發(fā)生變化，從而輸出電信號。也可以這樣理解，人體在檢測區(qū)內(nèi)活動時，一離開一個透鏡單元的視場，又會立即進(jìn)入另一個透鏡單元的視場，（因?yàn)橄噜復(fù)哥R單元之間相隔很近），傳感器上就出現(xiàn)隨人體移動的盲區(qū)和可見區(qū)，導(dǎo)致傳感器的溫度變化，而輸出電信號。 菲涅爾透鏡 不僅可以形成可見區(qū)和盲區(qū)，還有聚焦作用，其焦點(diǎn)一般為 5厘米左右，實(shí)際應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況或資料提供的說明調(diào)整菲涅爾透鏡與傳感器之間的距離，一般把透鏡固定在傳感器正前方 15厘米的地方。 菲涅爾透鏡一般采用聚乙烯塑料片制成，顏色為乳白色或黑色，呈半透明狀，但對波長為 10um左右的紅外線來說卻是透明的。 江西理工大學(xué) 2011 屆本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 表 3-1熱釋電人體紅外線傳感器 SCA02-1的主要電參數(shù)。 項(xiàng) 目 參 數(shù) 條 件 電源電壓 2.210.0V 源極電壓 0.32.0V 25 C 源極阻抗 47K Id=643uA 電 平 衡 10%Max） 頻率響應(yīng) 0.330Hz 12db（ Max） 響應(yīng)波長 7.514um 平均大于 70% 工作溫度 -10+50。 C 3.1.2 熱釋電紅外線傳感器的 優(yōu)缺點(diǎn) 不同于主動式紅外傳感器，被動紅外傳感器本身不發(fā)任何類型的輻射，隱蔽性好，器件功耗很小，價(jià)格低廉。 但是，被 動式熱釋電傳感器也有缺點(diǎn)，如：1） 信號幅度小，容易受各種熱源、光源干擾； 2） 被動紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收； 3） 易受射頻輻射的干擾； 4） 環(huán)境溫度和人體溫度接近時，探測和靈敏度明顯下降，有時造成短時失靈； 5） 被動紅外探測器的主要檢測的運(yùn)動方向?yàn)闄M向運(yùn)動方向，對徑向方向運(yùn)動的 物體檢測能力比較差 抗干擾性能： 1） 防小動物干擾 探測器安裝在推薦地使用高度，對探測范圍內(nèi)地面上地小動物，一般不產(chǎn)生報(bào)警。 2） 抗電磁干擾 探測器的抗電磁波干擾性能符合 GB10408 中 4.6.1 要求，一般手機(jī)電磁干擾不會引起誤報(bào)。 3） 抗燈光干擾 江西理工大學(xué) 2011 屆本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 探測器在正常靈敏度的范圍內(nèi)，受 3米外 H4鹵素?zé)敉高^玻璃照射，不產(chǎn)生報(bào)警。 紅外線 熱釋電傳感器的安裝要求： 紅外線熱釋電人體傳感器只能安裝在室內(nèi)，其誤報(bào)率與安裝的位置和方式有極大的關(guān)系 .。正確的安裝應(yīng)滿足下列條件： 1） 紅外線熱釋電傳感器應(yīng)離地面 2.0-2.2 米。 2） 紅外線熱釋電傳感器遠(yuǎn)離空調(diào) , 冰箱，火爐等空氣溫度變化敏感的地方。 3） 紅外線熱釋電傳感器探測范圍內(nèi)不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔離物。 4） 紅外線熱釋電傳感器不要直對窗口，否則窗外的熱氣流擾動和人員走動會引 起誤報(bào)，有條件的最好把窗簾拉上。紅外線熱釋電傳感器也不要安裝在有強(qiáng) 氣流活動的地方。 紅 外線熱釋電傳感器對人體的敏感程度還和人的運(yùn)動方向關(guān)系很大。紅外線熱釋電傳感器對于徑向移動反應(yīng)最不敏感 , 而對于橫切方向 (即與半徑垂直的方向 )移動則最為敏感 . 在現(xiàn)場選擇合適的安裝位置是避免紅外探頭誤報(bào)、求得最佳檢測靈敏度極為重要的一環(huán)。 3.1.3 CDS 傳感器 硫化鎘（ Cds） 即 光敏電阻器，這是目前最常見的光敏電阻器。光敏電阻器是利用半導(dǎo)體光致導(dǎo)電的原理制造的。這種光敏電阻器的基座是陶瓷片，上面涂有硫化鎘多晶體，再經(jīng)燒結(jié)制成。光敏電阻器的表面還涂有防潮樹脂。光敏電阻器的光譜特性曲線與人眼對可見光的響應(yīng)曲 線比較接近。光敏電阻器的電阻值隨光照強(qiáng)度而變化。在暗光條件下它的電阻值可達(dá) 10M ，在強(qiáng)光下它的電阻值僅為數(shù)百歐姆或數(shù)千歐姆。光敏電阻器的光照特性在多數(shù)情況下是非線性的，只有在微小區(qū)域內(nèi)呈線性。光敏電阻器的電阻值有較大的離散性。光敏電阻器的靈敏度是指光敏電阻器不受光照時的電阻值 (暗阻 )和受光照時的電阻值 (亮阻 )的相對變化值。在一般情況下，照度越低，單位照度改變時的電阻值變化越大。即在低照度下光敏電阻器的靈敏度較高。 光敏電阻器是電路的關(guān)鍵元件，它對光線的強(qiáng)弱有敏感的反應(yīng)，在本電路中要求光敏電阻器受到 光照時的阻值應(yīng)小于 5k ，在暗光情況下阻值應(yīng)大于 1M ，可選符合要求的 MG41-22光敏電阻器。 3.2 集成控制電路 3.2.1 概述 雖然被動式熱釋電紅外探頭有些缺點(diǎn)，但是利用特殊信號處理方法后，仍然使它在某些領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，有很多生產(chǎn)商根據(jù) PIR 傳感器的特性設(shè)計(jì)了專用信號處理器，比如 HOLTEK HT761X、 PTI PT8A26XXP、 WELTREND 江西理工大學(xué) 2011 屆本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 WT8072,BISS0001。圖 3.2.1陰影部分是 PIR 信號處理部分，有兩個運(yùn)算放大器、一個窗口比較器、一個穩(wěn)壓器、一個系統(tǒng)振蕩器和一 個邏輯控制器。其它是依賴處理結(jié)果的控制部分，這里重點(diǎn)介紹 PIR信號處理部分，控制部分就簡單略過。 由于 PIR 信號變化緩慢、幅值小，針對該特點(diǎn)，專用信號處理器一般分為三步處理，具體處理步驟如下： a） 濾波放大 普通 PIR傳感器輸出信號幅值一般都很小，大約幾百微伏到幾毫伏，為了后續(xù)電路能作有效的處理，考慮到傳感器的信噪比，通常取增益 72.5dB，通帶0.3Hz7Hz。同時，由于是處理模擬小信號，所以為了保證放大器的工作穩(wěn)定可靠，電路中特別集成了一個穩(wěn)壓器用于給傳感器、放大器和比較器供電。 b） 窗口比較器 經(jīng)過放大后的信號通過窗口比較器后檢出滿足幅值要求的信號后，再轉(zhuǎn)換成一系列數(shù)字脈沖信號。 c） 噪聲抑制數(shù)字信號處理 根據(jù)對人體運(yùn)動特點(diǎn)以及傳感器的特性的長期研究，用固定時間內(nèi)計(jì)脈沖個數(shù)和測脈沖寬度的方法來甄別有效的人體信號，這里由系統(tǒng)振蕩器提供時鐘源（ 16kHz）。 圖 3-2 人體感應(yīng)開關(guān)方框圖 比較器 分壓電路 隱壓器 系統(tǒng)振蕩 器 定時 振蕩器 噪聲抑制 控制電路 鎖定電路 模式及 CDS控制電路 輸出驅(qū)動 上電復(fù)位 過零觸發(fā) OP2O OP2N OP2P OP1P OP1N OP1O VEE SOCS OSCD CDS MODE OUT REST ZC 江西理工大學(xué) 2011 屆本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 3.2.2 運(yùn)算放大器 集成運(yùn)算放大器（簡稱運(yùn)放）是一種高電壓放大倍數(shù)的直接耦合放大器。它工作在放大區(qū)時，輸入和輸出呈線性關(guān)系，所以它又被稱為線性 集成電路 。 集成運(yùn)放是一種高放大倍數(shù)、高輸入電阻、低輸出電阻的直接耦合放大電路 。 3.2.3 集成運(yùn)放的性能指標(biāo) 1） 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù) Aod 它是指集成運(yùn)放在無外加反饋回路的情況下的差模電壓的放大倍數(shù)。 2） 最大輸出電壓 Uop-p 它是指一定電壓下，集成運(yùn)放的最大不失真輸出電壓的峰 -峰值。 3） 差模輸入電阻 rid 它的大小反映了集成運(yùn)放輸入端向差模輸入信號源索取電流的大小。要求它愈大愈好。 4） 輸出電阻 rO 它的大小反映了集成運(yùn)放在小信號輸出時的負(fù)載能力。 5） 共模抑制比 CMRR 它放映了集成運(yùn)放 對共模輸入信號的抑制能力，其定義同差動放大電路。 CMRR 越大越好 3.2.4 集成運(yùn)放的組成 它有四部分組成： 1） 偏置電路 :偏置電路是提供各級靜態(tài)工作電流的 ; 2） 輸入級： 其作用是提供與輸出端成同相關(guān)系和反相關(guān)系的兩個輸入端 ,為了抑制零漂，采用差動放大電路 3） 中間級： 其作用是提供較高的電壓放大倍數(shù) ;為了提高放大倍數(shù)，一般采用有源負(fù)載的共射放大電路。 4） 輸出級： 其作用是提供一定的電壓變化和電流變化 ;為了提高電路驅(qū)動負(fù)載的能力，一般采用互補(bǔ)對稱輸出級電路 3.2.5 振蕩器 振蕩 電路在測量 ,自動控制 ,通信 ,無線電廣播和遙控等許多領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用 ,甚至在收音機(jī) 電視機(jī) 和電子表等日常生活用品中也離不開它 。 振蕩電路包括正弦波振蕩電路和非正弦波振蕩電路 ,它們不需要輸入信號便能產(chǎn)生各種周期性的波形 ,如 :正弦波 ,方波 ,三角波和鋸齒波等 .因?yàn)楸菊n題涉及到系統(tǒng)時鐘和定時電路 ,所以現(xiàn)介紹一下非正弦波振蕩電路 :矩形波振蕩電路 。 江西理工大學(xué) 2011 屆本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 矩形波有兩種 ,一種是輸出電壓處于高電平時時間 TH和輸出電壓處于低電平的時間 TL不相等 ,另一種是二者相等 .人們常把 TH= TL的矩形波稱為方波 .下面介紹方波發(fā)生電路 。 方波 發(fā)生電路的構(gòu)成 ： 我們可選擇滯回比較器作為開關(guān)，用電阻與電容相串聯(lián)的 RC電路作為具有延遲作用的反饋網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成圖如下所示。它的右邊是滯回比較器，起開關(guān)作用；他的左邊是 RC電路，起反饋和延時作用。 圖 3-3 方波發(fā)生電路 滯回比較器的輸出只有高電平和低電平兩個穩(wěn)定的狀態(tài)。設(shè)接通電源時刻電容兩端的電壓 UC=0，滯回比較器的輸出電壓 U0=+UZ，則集成運(yùn)放同相輸入端此時的電位為 U+ =R2/R2+R3（ +UZ）而 U0=+UZ時電容充電，使集成運(yùn)放反向輸入端的電位 U-（它等于 UC）由零逐漸上升。在 U-低于 U+以前， U0=+UZ不變。當(dāng) U-上升到略高于 U+時， U0從高電平跳變?yōu)榈碗娖?，即變?yōu)?-UZ。 當(dāng) U0=-UZ時， U+=R2/R2+R3（ -UZ），同時電容經(jīng) R1放電，使 U-逐漸下降。在U-高于 U+以前， U0=-UZ不變，當(dāng) U-下降到略低于 U+時， U0從 -UZ跳變?yōu)?+UZ，又回到初始狀態(tài)。如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩，輸出方波。 振蕩周期由圖可知， UC的值從 T1時刻的 R2/R2+R3（ UZ）下降到 T2時刻的 -R2/R2+R3（ UZ）所需要的時間就是振蕩周期的一半，即而 UC的變化規(guī)律就是簡單的 RC充放電規(guī)律。不 難看出這里 RC充放電的三要素是： 1）時間常數(shù) =R1C 2）在 T1時刻 UC的初始值是 R2/R2+R3（ UZ） 3）若 T= ， UC的終了值是 -UZ。 江西理工大學(xué) 2011 屆本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 根據(jù)一階 RC電路的三要素法可得 UC=（ -UZ-R2/R2+R3（ UZ）（ 1-e（ - t/R1C） ） +R2/R2+R3（ UZ） 其中 T=T-T1，且 T1 T T2。 當(dāng) T=T/2時， UC=-R2/R2+R3（ UZ），將這些條件代如上面的式，得 -R2/R2+R3（ UZ=（ -UZ-R2/R2+R3（ UZ）（ 1-e（ - t/R1C） ） +R2/R2+R3（ UZ）解之可得： T=2R1Cln(1+2R2/R3) 通常將矩形波為高電平的時間與周期時間之比稱為占空比。方波的占空比為50%。如果需要產(chǎn)生占空比小于或大于 50%的矩形波，可以利用電容充電的時間常數(shù)與放電的時間常數(shù)不相等。利用二極管的單向?qū)щ娦钥梢允闺娙莩潆娕c放電回路不同，因而可使電容充電與放電的時間常數(shù)不同。 內(nèi)部振蕩器外接振蕩電阻器引腳，個別需外接 RC振蕩元件，此時外接的電阻器或電容器便可作為 時間的 調(diào)整元件。也有的集成電路將振蕩元件全部集成在芯片內(nèi)部，不需要外接元器件，這時振蕩頻率就無法外調(diào)節(jié)。 3.2.6 電壓比較器 電壓比較器的功能：比較兩個電壓的大小 (用輸出電壓的高或低電平，表示兩個輸入電壓的大小關(guān)系 )。 電壓比較器的作用：它可用作模擬電路和數(shù)字電路的接口，還可以用作波形產(chǎn)生和變換電路等。 注：電壓比較器中的集成運(yùn)放通常工作在非線性區(qū)。及滿足如下關(guān)系： U-U+ 時 UO=UOL U- 需要高峰值 IG。 2）由 IG 觸發(fā)到負(fù)載電流開始流動，兩者之間遲后時間較長 要求 IG 維持較長時間。 3）低得多的 dIT/dt 承受能力 若控制負(fù)載具有高 dI/dt 值（ 例如白熾燈的冷燈絲），門極可能發(fā)生強(qiáng)烈退化。 4）高 IL 值（ 1-工況亦如此） 對于很小的負(fù)載，若在電源半周起始點(diǎn)導(dǎo)通，可能需要較長時間的 IG，才能讓負(fù)載電流達(dá)到較高的 IL。在標(biāo)準(zhǔn)的 AC 相位控制電路中，如燈具調(diào)光器和家用電器轉(zhuǎn)速控制，門極和 MT2 的極性始終不變。這表明，工況總是在 1+和 3-象限，這里雙向可控硅的切換參數(shù)相同。這導(dǎo)致對稱的雙向可控硅切換，門極此時最靈敏。 這是從雙向可控硅的 V/I 特性圖導(dǎo)出的代號。正的 MT2相應(yīng)正電流進(jìn)入 MT2，相反也是（見圖 3-8）。實(shí)際上，工作只能存在 1 和 3 象限 中。上標(biāo) +和 -分別表示門極輸入或輸出電流。 江西理工大學(xué) 2011 屆本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 圖 3-8 雙向 可控硅 V/I特性曲線 （象限 1、 3導(dǎo)通） 本為零時， V1 才截止。當(dāng)電源為負(fù)半周時，重復(fù)上述過程。如此循環(huán)，電熱毯的溫度就逐漸升高。調(diào)節(jié) RP，改變 C3 充電快慢，即可改變 V1 的導(dǎo)通角，也即改變了 RL的通電時間，因而實(shí)現(xiàn)了調(diào)溫。（ ND指示燈、 LC1高頻濾波、 R2C2保護(hù)電路）。 江西理工大學(xué) 2011 屆本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 第四章 電路制作 4.1 整體電路制作問題 4.1.1 元件的散熱問題 熱阻 Rth 是限制熱流自結(jié)散出的熱阻。熱阻和電阻是相似的概念。如同電阻公 式 R=V/I，有相應(yīng)的熱阻公式 Rth =T/P，這里 T 是溫升，以 K（ Kelvin）為單位； P 是功率耗散，以 W 為單位；因此 Rth 的單位為 K/W。對于垂直安裝在大氣中的器件，熱阻決定于結(jié)至環(huán)境熱阻 Rth j-a 。 散熱器尺寸計(jì)算 對給定的雙向可控硅和負(fù)載電流，要計(jì)算需要的散熱器熱阻，首先要根據(jù)下列公式確定雙向可控硅的功率耗散： P=Vo IT(AVE) + RS IT(RMS)2 拐點(diǎn)電壓 Vo 和斜率電阻 RS 可從 SC03 手冊的 VT 圖取得。若數(shù)據(jù)沒有直接列出，可通過作圖取得。對最大 VT 曲線作 一切線，切線和 VT 軸線的交點(diǎn)給出 Vo 值，切線斜率（ VT/IT）給出 RS。應(yīng)用前面的熱阻公式： Rth j-a=T/P在最高環(huán)境溫度下，結(jié)溫 Tj 升至最高允許結(jié)溫 Tjmax，由此得出結(jié)溫最大允許提升值。這提供溫升 T。根據(jù)選定的安裝方法， SC03 手冊提供 Rth j-mb 和 Rth mb-h 數(shù)據(jù)。應(yīng)用前面的熱阻公式 Rth j-a= Rth j-mb + Rthmb-h+ Rth h-a ，可最后求得散熱器熱阻 Rth h-a 。 熱阻抗 前面的熱阻計(jì)算只適用于穩(wěn)定狀態(tài)，即過程時間大于 1 秒。這條件下，熱量才 有足夠的時間從結(jié)傳送到散熱器。對持續(xù)時間短于 1 秒的電流脈沖或瞬間過程，散熱器的效果大為減弱。熱量只在器件內(nèi)部擴(kuò)散，很少傳到散熱器。對于這種瞬間過程，結(jié)的溫升決定于結(jié)至安裝基面的熱阻抗 Zth j-mb 。隨著電流脈沖持續(xù)時間減小， Zth j-mb 下降，因?yàn)樾酒訜釡p少。假如持續(xù)時間增大，接近 1 秒， Zth j-mb 增大至穩(wěn)定狀態(tài)的熱阻值 Rth j-mb。手冊 SC03 提供每種器件的 Zth j-mb 曲線，適用于持續(xù)時間低至 10 s 的雙向或單向的電流。 4.1.2 電子電路的靜電保護(hù) 靜電放電 (ESD)是大 家熟知的電磁兼容問題 ,它可引起電子設(shè)備失靈或使其損壞 .當(dāng)半導(dǎo)體器件單獨(dú)放置或裝入電路模塊時 ,即使沒有加電 ,也可能找成這些器件的永久性損壞 .對靜電放電敏感的元件被稱為靜電放電敏感元件 (ESDS). 如果一個元件的兩個針腳或更多針腳之間的電壓超過元件介質(zhì)的擊穿強(qiáng)度 ,就會對元件造成損壞 .這是 MOS 器件出現(xiàn)故障的最主要的原因 .氧化層越薄 ,則元件對靜電放電的敏感性也越大 .故障通常表現(xiàn)為元件本身對電源有一定阻值的短江西理工大學(xué) 2011 屆本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 路現(xiàn)象 .對雙極性元件 ,損壞一般發(fā)生在薄氧化層隔開的已進(jìn)行金屬噴鍍的有源半導(dǎo)體區(qū)域 ,因此會產(chǎn)生泄露嚴(yán)重的路徑 . 另一種故障是由于節(jié)點(diǎn)的溫度超過半導(dǎo)體硅的熔點(diǎn) (1415 度 )時所引起的 .靜電放電脈沖的能量可以產(chǎn)生局部地方發(fā)熱 ,因此出現(xiàn)這種機(jī)理的故障 .即使電壓低于介質(zhì)的擊穿電壓 ,也會發(fā)生這種故障 .一個典型的例子是