展覽館櫥窗用LED光控電路的設(shè)計.doc

大學本科生畢業(yè)設(shè)計（報告）本科生畢業(yè)設(shè)計報告 課 題： 展覽館櫥窗用LED光控電路的設(shè)計 作 者： 2012 年03 月02 日展覽館櫥窗用LED光控電路的設(shè)計 摘 要設(shè)計了一種用于展覽館櫥窗的光控系統(tǒng)。系統(tǒng)由被動型熱釋電紅外傳感器、555時基電路、PT4115 LED恒流驅(qū)動電路組成。該設(shè)計具有造價低、重量輕、體積小、節(jié)省能源、延長燈具使用壽命、光強調(diào)整方便、便于維護的特點。關(guān)鍵詞：熱釋電紅外傳感器；BISS0001；PT4115；功率LED；555定時器The Design for Exhibition Hall Display Windows of the LED Electric CircuitAbstract:This design is for the exhibition hall windows of the electric system. The system is made up with passive pyroelectric infrared sensors, 555 and the LED constant flow drive circuit PT4115. This design has the characteristics of low cost, light weight, small size, save energy, prolong service life, easy to adjust the intensity of light and easy to maintain.Keywords: Pyroelectric Infrared Sensors; BISS0001; PT4115; Power LED; 555 Timer目 錄第一章 概述3一、本課題研究的主要內(nèi)容3二、本課題研究的意義3第二章 熱釋電紅外傳感器4一、熱釋電紅外傳感器的原理4二、熱釋電紅外傳感器的應用前景5第三章 熱釋電紅外傳感器調(diào)理電路6一、BISS00016二、BISS0001工作參數(shù)（Vss=0 V）6三、熱釋電紅外控制電路7第四章 功率LED驅(qū)動電路8一、恒流驅(qū)動PT4115芯片簡介8（一）PT4115概述8（二）PT4115特點10（三）PT4115工作原理10（四）PT4115參數(shù)11二、PT4115芯片使用的注意事項11第五章 低光亮調(diào)光電路12一、555定時器12二、555多諧振蕩器12第六章 硬件制作及調(diào)試14第七章設(shè)計中容易出現(xiàn)的問題14一、555引腳編號順序14二、二極管極性14三、三極管基極、集電極及發(fā)射極的位置14四、可調(diào)電阻的使用14五、PT4115芯片引腳14致謝15參考文獻15附錄16電路原理圖16第一章 概述一、本課題研究的主要內(nèi)容設(shè)計了一種用于展覽館櫥窗的光控系統(tǒng)。系統(tǒng)由被動型熱釋電紅外傳感器、555時基電路、PT4115 LED恒流驅(qū)動電路組成。該設(shè)計具有造價低、重量輕、體積小、節(jié)省能源、延長燈具使用壽命、光強調(diào)整方便、便于維護的特點。因為功能全部由硬件實現(xiàn)，無需編程，所以較之單片機控制調(diào)光的方案而言，構(gòu)造成本和維修成本都較低。主要設(shè)計思想是：當展位附近有參觀者到來時，利用紅外熱釋電傳感器D203S，將人體接近信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，通過專用集成電路BISS0001處理、放大，控制LED驅(qū)動電路使功率LED發(fā)出高亮光，便于觀展；當展位附近沒有參觀者時，由555定時器構(gòu)成占空比可調(diào)的多諧振蕩器，控制LED驅(qū)動電路使功率LED發(fā)出低亮光，以提示遠處的參觀者，此處有展品展示。系統(tǒng)框圖如圖1-1：圖1-1系統(tǒng)框圖二、本課題研究的意義隨著時代的不斷進步，LED照明成為全球節(jié)能的主流，而大功率LED照明更是今后世界的照明發(fā)光系統(tǒng)的主流趨勢。大功率LED具有亮度高、節(jié)能環(huán)保、安全性和穩(wěn)定性高等特點，比傳統(tǒng)光源節(jié)電60%70%。傳統(tǒng)的光控延時控制器能實現(xiàn)對燈的控制，在光線黑暗或晚上來臨時，有效實現(xiàn)“人來燈亮，人去燈熄”，但由于其開關(guān)用的是繼電器之類的機械控制器，所以在人流量多的地方由于頻繁的開關(guān)，較容易損壞。本課題設(shè)計了可應用于展覽館櫥窗等場所的智能照明系統(tǒng)。恒流驅(qū)動采用PT4115芯片，LED作為新一代的照明光源有著極其光明的發(fā)展前景，因此對LED驅(qū)動電路的研究有重要的理論意義和應用價值。此外，被動式熱釋電紅外探測器也以其價格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定等特點而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎。這種熱釋電紅外傳感器能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?。用它制作的光控電路與目前市場上銷售的相比，具有如下特點：（1）不需要用紅外線或電磁波等發(fā)射源（2）靈敏度高、控制范圍大（3）隱蔽性好，可流動安裝。第二章 熱釋電紅外傳感器一、熱釋電紅外傳感器的原理熱釋電傳感器的工作原理大致可以用以下三個部分來闡述：1) 將外界輻射轉(zhuǎn)化為自身熱能的吸收階段。2) 將吸收的熱能用以提升溫度的升溫階段。3) 將熱信號轉(zhuǎn)化為電信號的測溫階段。對于特定的響應元的熱釋電電流，若輻射的角頻率為定值，那么。熱釋電電流的大小僅與感受的輻射功率大小成正比。同步變化于輻射功率。從結(jié)構(gòu)上來看，熱釋電傳感器是利用兩個特征一致的熱電元反向串聯(lián)接成差動平衡電路，那它引入場效應管的目的就是為完成相應的阻抗變換。由于熱電元輸出的是電荷信號，所以要引入N溝道結(jié)型場效應管接成共漏形式，以完成阻抗變換。熱釋電紅外傳感器是基于熱電效應原理的熱電型紅外傳感器。熱釋電紅外傳感器的熱電系數(shù)高，其內(nèi)部的熱電元由高熱電系數(shù)的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成，其極化隨溫度的變化而變化。為了抑制因自身溫度變化而產(chǎn)生的干擾，該傳感器在工藝上將兩個特征一致的熱電元反向串聯(lián)或接成差動平衡電路方式，因而能以非接觸式檢測出物體放出的紅外線能量變化，并將其轉(zhuǎn)換為電信號輸出。熱釋電紅外傳感器在結(jié)構(gòu)上引入場效應管的目的在于完成阻抗變換。由于熱電元輸出的是電荷信號，并不能直接使用，因而需要用電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓形式，該電阻阻抗高達104 M，故引入的N溝道結(jié)型場效應管應接成共漏形式（即源極跟隨器）來完成阻抗變換。熱釋電紅外傳感器由傳感探測元、干涉濾光片和場效應管匹配器三部分組成。設(shè)計時應將高熱電材料制成一定厚度的薄片，并在它的兩面鍍上金屬電極，然后加電，對其進行極化，這樣便制成了熱釋電探測元。由于加電極化的電壓是有極性的，因此極化后的探測元也是有正、負極性的。圖2-1結(jié)構(gòu)示意圖圖2-1是一個雙探測元熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。使用時D端接電源正極，G端接電源負極，S端為信號輸出。該傳感器將兩個極性相反、特性一致的探測元串接在一起，目的是消除因環(huán)境和自身變化引起的干擾。它利用兩個極性相反、大小相等的干擾信號在內(nèi)部相互抵消的原理來使傳感器得到補償。對于輻射至傳感器的紅外輻射，熱釋電傳感器通過安裝在傳感器前面的菲涅爾透鏡將其聚焦后加至兩個探測元上，從而使傳感器輸出電壓信號。制造熱釋電紅外探測元的高熱電材料是一種廣譜材料，它的探測波長范圍為0.220m。為了對某一波長范圍的紅外輻射有較高的敏感度，該傳感器在窗口上加裝了一塊干涉濾波片。這種濾波片除了允許某些波長范圍的紅外輻射通過外，還能將燈光、陽光和其它紅外輻射拒之門外。二、熱釋電紅外傳感器的應用前景1) 盡量避免陽光盲射。2) 防止傳感器周圍冷或熱氣流的驟然變化。3) 避開熱源。4) 在使用過程中，應該保持探測器工作表面的清潔。5) 在安裝調(diào)試時，還應注意防止靜電損壞傳感器。6) 當輸出信號線較長時，應使用屏蔽線?？偠灾捎跓後岆妭鞲衅鞯姆€(wěn)定性能，以及其十分容易改變的中心波長，在各種“開關(guān)型”器件開發(fā)中得到了廣泛應用。但是，在定量的測量過程中，考慮到精度問題，熱釋電傳感器又暴露出一定的不足。由于這種形式的測溫系統(tǒng)具有靈敏度高，抗干擾能力強，不但有可能取代現(xiàn)有的熱電堆式高溫計和光學高溫計，而且其測量的下限也拓展到常溫。所以，在紅外測溫等方面，這種測溫系統(tǒng)具有其它類型測溫系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點，發(fā)展前景良好。第三章 熱釋電紅外傳感器調(diào)理電路一、BISS0001BISS0001是一款具有較高性能的傳感器信號處理集成電路。它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構(gòu)成被動式的熱釋電紅外開關(guān)。它能自動快速開啟各類白熾燈、熒光燈、蜂鳴器、自動門、電風扇、烘干機和自動洗手池等裝置，特別適用于企業(yè)、賓館、商場、庫房及家庭的過道等敏感區(qū)域，或用于安全區(qū)域的自動燈光、照明和報警系統(tǒng)。BISS0001是熱釋電紅外控制專用集成電路，其內(nèi)部由輸入放大器、雙向限幅器、狀態(tài)控制器、延時定時器、鎖存定時器和基準電源等電路組成，如圖3-1所示：圖3-1BISS0001內(nèi)部電路二、BISS0001工作參數(shù)（Vss=0 V）電源電壓：-0.5 V 6 V輸入電壓范圍：-0.5 V +6 V（VDD=6 V）各引出端的最大電流：10 mA（VDD=5 V）工作溫度：-10 C +70 C存放溫度：-65 C +150 C三、熱釋電紅外控制電路該熱釋電紅外控制開關(guān)電路由熱釋紅外傳感器 (PIR)、熱釋電紅外控制電路、光控電路（本設(shè)計中未用）和控制執(zhí)行電路組成，它在檢測到人體發(fā)射的紅外傳感器信號后在輸出端輸出高電平。應用電路如圖3-2所示：圖3-2應用電路熱釋電紅外傳感器應與菲涅爾透鏡配合使用，才能提高靈敏度。在熱釋電紅外傳感器未檢測到人體紅外線信號時，IC的2腳輸出低電平，Vo處于截止狀態(tài)（低電平）。當有人在熱釋電紅外傳感器的有效檢測區(qū)域內(nèi)活動時，熱釋電紅外傳感器將接收到人體發(fā)出的紅外信號，并將其轉(zhuǎn)變成微弱的脈沖電壓信號，此電壓信號經(jīng)IC內(nèi)電路二級放大、鑒幅處理及定時控制后，從2腳輸出控制高電平。在電路的工作場所，當有參觀者陸續(xù)到達展位時，燈光應保持高亮，所以應該允許重復觸發(fā)，即1腳開關(guān)置高電平。輸出延時時間設(shè)計：由公式TX49152R1C1，取R1為1 K，C為0.47 uF，則Tx為23 S左右。不需要觸發(fā)封鎖時間，可直接將5、6腳連接。第四章 功率LED驅(qū)動電路大功率LED是低電壓、大電流的發(fā)光器件，其發(fā)光強度由流過LED的電流決定。電流過強會引起LED光強的衰減，從而降低壽命；電流過弱會影響LED的發(fā)光強度。因此功率LED需要恒流驅(qū)動，選擇好的LED驅(qū)動IC至關(guān)重要，沒有好的驅(qū)動IC匹配，功率LED照明的優(yōu)勢將無法體現(xiàn)。一、恒流驅(qū)動PT4115芯片簡介（一）PT4115概述PT4115是一款連續(xù)電感電流導通模式的降壓恒流源，用于驅(qū)動一顆或多顆串聯(lián)LED。PT4115輸入電壓范同從8 V30 V，輸出電流可調(diào)，最大可達1.2 A。根據(jù)不同的輸入電壓和外部器件，PT4115可以驅(qū)動高達數(shù)十瓦的LED。PT4115內(nèi)置功率開關(guān)，采用高端電流采樣設(shè)置LED平均電流，并通過DIM引腳可以接受模擬調(diào)光和很寬范圍的PWM調(diào)光。當DIM的電壓低于0.3 V時，功率開關(guān)關(guān)斷，PT4115進入極低工作電流的待機狀態(tài)。目前，市場上已經(jīng)有多種型號的LED驅(qū)動IC，如Zetexl350、譜誠CPTC6903等。本電路設(shè)計中選取了PT4115，它相比于其它LED驅(qū)動IC有三大優(yōu)勢：一是DIM調(diào)光由高向低調(diào)光，安全可靠；二是內(nèi)部設(shè)置了過溫保護功能(TSD)以保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作；三是采用頻率抖動技術(shù)有效降低EMI，從而減小電磁干擾。部分電路如圖4-1所示：圖4-1基本電路PT4115有SOT89-5封裝和ESOP8封裝，本設(shè)計使用SOT89-5。封裝的引腳圖如圖4-2所示： 圖4-2封裝引腳圖內(nèi)部電路圖如圖4-3：圖4-3內(nèi)部電路圖LED的最大平均電流由連接在VIN和CSN兩端的電阻決定的，通過在DIM管腳加入PWM信號調(diào)小輸出電流以實現(xiàn)調(diào)光。IOUT =0.1/Rs(Rs即VIN和CSN兩端的電阻)。PT4115芯片的DIM引腳可用PWM調(diào)光實現(xiàn)輸出電流從0%100%的調(diào)整，根據(jù)此特點，設(shè)計了光控的智能調(diào)光模塊。LED的亮度由PWM信號的占空比決定的。為保證最大的效率及性能，二極管選擇快速恢復、低正向壓降、低寄生電容、低漏電的肖特基二極管。本設(shè)計中調(diào)光的信號來自二路：一路是由555定時器構(gòu)成占空比可調(diào)的多諧振蕩器，控制低光光亮；另一路來自BISS0001，控制高光光亮。二路信號為或的關(guān)系。采用1 W的功率LED，其額定電流是300 mA，額定電壓是3 V，用了三顆LED，所以用串聯(lián)接入方式，直流電源需要10 V以上（不超過30 V），由此計算出Rs值為0.33，實際取三支功率為1 W的1 電阻并聯(lián)。（二）PT4115特點1) 極少的外部元器件2) 很寬的輸入電壓范圍：從8 V 到30 V3) 最大輸出1.2 A的電流4) 復用DIM引腳進行LED開關(guān)、模擬調(diào)光和PWM調(diào)光5) 5%的輸出電流精度6) LED開路自然保護7) 高達97%的效率8) 輸出可調(diào)的恒流控制方法9) 內(nèi)部含有抖頻特性，極大的改善EMI（三）PT4115工作原理PT4115和電感（L）、電流采樣電阻（RS）形成一個自振蕩的連續(xù)電感電流模式的降壓恒流LED控制器。VIN上電時，電感和電流采樣電阻的初始電流為零，LED輸出電流也為零。這時候，CS比較器的輸出為高，內(nèi)部功率開關(guān)導通，SW的電位為低。電流通過電感、電流采樣電阻、LED和內(nèi)部功率開關(guān)從VIN流到地，電流上升的斜率由VIN、電感和LED壓降決定，在RS上產(chǎn)生一個壓差VCSN，當(VIN-VCSN) 115 mV時，CS比較器的輸出變低，內(nèi)部功率開關(guān)關(guān)斷，電流以另一個斜率流過電感、電流采樣電阻、LED和肖特基二極管，當(VIN-VCSN) 85 mV時，功率開關(guān)重新打開，這樣使得在LED上的平均電流為IOUT =（0.085+0.115）/2*Rs=0.1/Rs。高端電流采樣結(jié)構(gòu)使得外部元器件數(shù)量很少，采用1% 精度的采樣電阻，LED輸出電流控制在5%的精度。PT4115可以在DIM管腳加PWM信號進行調(diào)光，DIM管腳電壓低于0.3 V關(guān)斷LED電流，高于2.5 V全部打開LED電流，PWM調(diào)光的頻率范圍從100 Hz到20 KHz以上。當高電平在0.5 V到2.5 V之間，也可以調(diào)光。（四）PT4115參數(shù)極限參數(shù)（略）電氣參數(shù)（略）這些參數(shù)在設(shè)計驅(qū)動電路時有重要參考作用，但是篇幅較大，請參見參考資料 7。二、PT4115芯片使用的注意事項1、系統(tǒng)在輸入電壓低于VUVLO時IC內(nèi)部的功率開關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)，直到輸入電壓高于（VUVLO500 mV）系統(tǒng)才會正常啟動。但是有一種特殊情況即輸入電壓雖然高于（VUVLO500 mV），但是過于接近輸出電壓，會導致系統(tǒng)長時間工作在高占空比的狀態(tài)，特別是低輸入電壓(比如小于10 V )，功率耗散也會增大。長時間工作的情況下，有可能導致IC過熱保護（過熱保護詳見后續(xù)說明）。在實際應用中，適當?shù)谋３州斎胼敵鲭妷旱膲翰钍欠浅１匾摹Ｔ诠ぷ鳡顟B(tài)下，輸入電壓降至VUVLO以下時，內(nèi)部開關(guān)管會關(guān)閉，系統(tǒng)停止輸出。需要注意的是輸入電壓過低通常會導致較多的功率耗散，因而會降低整個系統(tǒng)的效率。2、當系統(tǒng)工作的環(huán)境溫度較高時，以及驅(qū)動大電流負載時，必須要注意避免系統(tǒng)達到功率極限。需要注意的是選擇了不恰當?shù)碾姼?，以及開關(guān)轉(zhuǎn)換點存在過大的寄生電容會導致系統(tǒng)效率的降低。當由于器件發(fā)熱限制驅(qū)動功率時，推薦選用ESOP8封裝，因為在同等條件下ESOP8封裝具有更好的散熱能力。3、PT4115內(nèi)部設(shè)置了過溫保護功能 (TSD)，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作。當IC芯片溫度超出160C，IC即會進入TSD保護狀態(tài)并停止電流輸出，而當溫度低于140C時，IC即會重新恢復至工作狀態(tài)。第五章 低光亮調(diào)光電路一、555定時器555定時器是一種常用的雙極型中規(guī)模集成電路，用它能夠方便簡單地實現(xiàn)定時、波形變換、自動報警。這里用到的是555構(gòu)成的無穩(wěn)態(tài)電路，也就是多諧振蕩器。它被廣泛應用于脈沖的產(chǎn)生、整形、定時和延遲等電路中。555的電路結(jié)構(gòu)及邏輯符號如圖5-1及圖5-2所示： 圖5-1555的電路結(jié)構(gòu) 圖5-2555的邏輯符號 二、555多諧振蕩器用555定時器可方便地組成多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生和整形電路。這些電路在工業(yè)控制、定時、仿聲、電子樂器、防盜報警等方面有著廣泛的應用。多諧振蕩器是555應用的基本電路，是指電路沒有穩(wěn)定狀態(tài)(即方波發(fā)生器)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，其功能是產(chǎn)生一定頻率和幅度的矩形波信號，其輸出狀態(tài)不斷在“l(fā)”和“0”之間變換。如圖5-3所示，在加電狀態(tài)下，由于電容C上電壓不能突變，故555芯片處于置位狀態(tài)，UO =l，放電管Tp截止(7腳與地斷開)，VCC通過R1，R2對電容C進行充電，當Uc上升到2/3的Vcc時，UO=0，TD導通，電容C端電壓通過R2和放電管TD對地進行放電，Uc下降。當Uc下降到1/3的Vcc時，UO又由0變?yōu)閘，Tp截止，Vcc又經(jīng)R1和R2對C充電。如此重復上述過程，在輸出端UO產(chǎn)生了連續(xù)的矩形脈沖，如圖5-4所示。其中，R1，R2和C是定時元件，它們決定了電路的充放電時間。其中，T1=0.7(R1+R2)C，T2=(0.7C)R2。 圖5-3 多諧振蕩器 圖5-4輸出波形為使LED發(fā)光不產(chǎn)生閃爍，T1+T2 應該小于20 mS，實際取T2為3 mS，T1在4 mS到9 mS之間連續(xù)可調(diào)（便于根據(jù)實際環(huán)境設(shè)置低光亮度），由此計算出R1、R2和C的值為：R1=71.42 K ，R2=35.71 K ，C=0.1 uF 。實際取值為：R1=68 K ，R2=47 K ，C=0.1 uF 。實際T1是：8.05 mS，T2是：3.29 mS。