熱釋電人體探測燈控系統(tǒng)的設計

測控技術與儀器摘要紅外線、熱釋電和超聲波遙控電路由于其功耗低，可靠性高和互相干擾小等優(yōu)點，已經(jīng)在現(xiàn)實生活中得到了廣泛的應用，而熱釋電紅外控制在各類照明器件的控制和安全防護系統(tǒng)的檢測中更有著獨特的作用。該設計是以BISS0001紅外控制電路組成的熱釋電紅外控制照明燈的工作原理為依據(jù)。采用熱釋電紅外探頭將接收到的信號加以放大，放大的信號使電子開關VT導通而驅(qū)動固態(tài)繼電器SSR開通，控制照明燈具點亮發(fā)光。本設計的核心是通過熱釋電紅外探頭RE200B探測來自移動人體的紅外輻射，只要人們進入探測區(qū)域，以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構成被動式的熱釋電紅外開關能自動快速開啟，燈泡兩端有電壓而點亮。根據(jù)這一思想并且了解和掌握它們的工作原理和電路結構后設計電路。經(jīng)過仿真，焊板，調(diào)試。不斷的修改電路，直到能夠?qū)崿F(xiàn)電路所需實現(xiàn)的功能。該控制器能夠?qū)崿F(xiàn)有人進入探測區(qū)域燈亮，人走燈滅的控制。常用于許多公共場所，如辦公室、樓道和廁所及浴室、儲藏室、梳妝臺鏡前燈等的自動控制。關鍵詞：熱釋電紅外傳感器;紅外熱釋電處理芯片BISS0001;紅外輻射ABSTRACTInfrared,pyroelectricandultrasonicwaveremotecontrolelectriccircuit,becauseofitslowpowerloss,thehighreliabilityandslightlymutuallydisturbs.Itisalreadywidespreadinapplicationinthereallife,butthepyroelectricinfraredcontrolhastheuniquefunctionineachkindofsecuritywarningequipmentsandinsafetysystem'sexamination.Therefore,itisessentialtounderstandingandgraspingtheworkingprincipleandthecircuitstructure.Inthispaper,itwasdesignedawellhiddenpassiveinfraredalarmwhichwasbasedonthepyroelectricinfraredprocessingchipBISS0001.ThecoreofthedesignwasdetectinghumanintrusionwithPyroelectricinfraredsensorRE200B.PassivepyroelectricinfraredswitchiscombinewithPyroelectricinfraredsensorasmallnumberofexternalcomponents.Itwouldopenthesoundandlightalarm,whichcombinedwithlight-emittingdiodeandthebuzzerautomaticallyandquickly,andtimingcontrolledbytheMCU.Afterthetest,themeasuringrangeofalarmapparatusmayreach1m,thesurveyanglemayreach100°-120°,thesensitivityishigh,therateoffalsealarmissmall,antijammingability,hasservedthesafetyprotectionpurpose.Keywords:Pyroelectricinfraredsensor;PyroelectricinfraredprocessingchipBISS0001;Alarm目錄緒論 11.1 課題背景及來源 11.2 熱釋電紅外傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀 11.3 本課題所研究的內(nèi)容 22 熱釋電人體探測燈控系統(tǒng)的組成 42.1 人體熱釋電紅外傳感器 42.1.1 熱釋電人體紅外線傳感器的基本結構 42.1.2 熱釋電人體紅外線傳感器工作原理——熱釋電效應 62.1.3 菲涅爾透鏡的簡介 72.1.4 被動式紅外線熱釋電傳感器的優(yōu)缺點 82.2 傳感器信號處理集成電路 92.2.1 概述 92.2.2 BISS0001信號處理器芯片 102.3 固態(tài)繼電器簡介 142.4 三級管的開關作用 153 人體探測燈控電路的總體設計 173.1 設計思想 173.2 各模塊方案選擇和論證 173.3 總體電路的結構劃分 183.4 電路圖的設計 203.4.1 人體探測燈控電路框圖 203.4.2 電路中主要元器件選擇 213.4.3 人體探測電路工作原理 224 電路制作 234.1 整體電路制作問題 234.1.1 原件的散熱問題 234.1.2 電子電路的靜電保護 234.2 電路的焊接與調(diào)試 244.2.1 電路焊接與調(diào)試時注意事項 244.2.2 調(diào)試條件與步驟 244.3 仿真與試驗結果 254.3.1 電源電路的仿真與調(diào)試結果 254.3.2 紅外延時控制電路的仿真與調(diào)試結果分析 254.3.3 控制執(zhí)行電路的仿真與調(diào)試結果分析 26總結與展望 27致謝 28參考文獻 29東華理工大學畢業(yè)設計（論文） 熱釋電人體探測燈控系統(tǒng)的組成PAGE21緒論課題背景及來源隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，城市建設也隨著迅速發(fā)展，節(jié)能與環(huán)保已經(jīng)成為當代產(chǎn)品開發(fā)中的首要考慮因素和最大賣點。我國在新能源研發(fā)方面處于落后局面，加上傳統(tǒng)的人工操作和維護控制手段已不能適應現(xiàn)代化城市發(fā)展的需求。目前市場上的普通船型開關、拉線開關仍能占據(jù)著燈具開關市場的主要位置，由于人們的日常生活中許多不可控因素的出現(xiàn)及人們?nèi)粘Ａ晳T所限，造成了大量的電能的浪費。這種現(xiàn)象在我們的日常生活中隨處可見。比如說：非常安靜的樓道內(nèi)燈火通明，空無一人的教室每一盞日關燈都亮著，衛(wèi)生間里沒有人卻不熄滅燈光……一年中，全國因此而損耗的電能可以以億度計量，再加上因燈具常亮，縮短了燈具的使用壽命，頻繁的更換燈具不但造成了人力的大量浪費，也造成了財力的大量浪費。通過這種直接和間接的損失，所以每年電能的損耗就達數(shù)億元。當前，以人體發(fā)出的紅外光為控制源的控制電路，在探測到人體發(fā)出的紅外光時，直接使用熱釋電傳感器被動遠紅外探測功能，使被動探測變成主動探測，加快了智能照明系統(tǒng)的發(fā)展。由于該技術日漸成熟和完善，應用范圍和市場份額也在不斷擴大。目前，市場上已出現(xiàn)多種較為成熟的產(chǎn)品。可以說，智能照明系統(tǒng)已成為照明控制技術和產(chǎn)品發(fā)展的主流，同時也為樓宇智能化的做出了突出貢獻。采用智能照明系統(tǒng)不僅能提升照明效果、優(yōu)化照明控制方式，而且能減少照明用電、節(jié)省施工材料、提高工作效率等。本文介紹的人體探測燈控電路則同時采用熱釋電傳感器的被動探測與主動探測功能，人體無論活動與否，都能準確地檢測出人體信息，實現(xiàn)人來、人在開關接通，人離后延時數(shù)分鐘（可預設）斷開的自動控制作用。該控制器用途廣泛，節(jié)省電能，使用壽命長，具有普通船型開關、拉線開關無法相比的優(yōu)點和作用。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成為人們普遍關注的問題。本課題從實際出發(fā)，準備對紅外線樓道自動照明系統(tǒng)進行探索研究，部分解決電能的損耗問題。由此觀之，如何有效的減少照明用電的浪費和更好的管理照明系統(tǒng)已成為一個不可忽視問題。熱釋電紅外傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀熱釋電紅外傳感器是一種非常具有應用潛力的人造傳感器。它不僅能檢測到人所發(fā)射出的紅外光，而且某些動物發(fā)出的紅外光也能探測的到，并轉(zhuǎn)換成微弱的電信號輸出。早在十九世紀30年代末，就有人提出利用熱釋電效應原理制作一種探測器探測紅外輻射，但并未受到當時人們的重視。一直到六十年代，隨著紅外技術、激光的迅速發(fā)展，才又推動了對熱釋電效應的研究和對熱釋電探測器的應用開發(fā)。在國內(nèi)，20世紀80年代一種新型高靈敏度探測元件——熱釋電紅外傳感器發(fā)展起來了。這種熱釋電紅外傳感器能以非接觸形式探測出人體輻射的紅外熱量變化，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。將這個電壓信號加以調(diào)理之后便可驅(qū)動各種控制電路，如用于電源的開關控制、防盜防火報警、自動探測等。熱釋電紅外傳感器不僅適用于防盜報警場所，亦適用于對人體傷害極為嚴重的高壓電及x射線、r射線等場所的自動報警等。對熱釋電紅外傳感器的研究已達20幾年，但大多無法兼顧探測器探測的靈敏度和準確性，在寵物、熱氣流等干擾下，信號識別的準確率有所下降，誤報率較高。這使得熱釋電紅外探測器在智能住宅小區(qū)的安防應用中遇到了瓶頸。探測器之所以產(chǎn)生如此之高的誤報，主要原因是因為缺乏對PIR傳感器輸出的紅外信號進行充分有效的分析，對信號中所含有的特征信息沒有進行有效的數(shù)據(jù)挖掘。僅僅采用脈沖計數(shù)/定時、設定信號幅度閾值觸發(fā)等簡單方法，導致探測器的報警準確率不高，不利于產(chǎn)品在實際應用中的推廣。在國外，很多國家都很重視這方面的研究開發(fā)，隨著計算技術和微電子技術的快速發(fā)展，出現(xiàn)了智能化算法與先進的微處理技術結合進行實時信號處理判別的探測器。2006年韓國釜山國立大學研發(fā)了基于熱釋電紅外傳感器（PIR）陣列的室內(nèi)位置檢測系統(tǒng)。ADEMCOInternational、德國西門子安防、加拿大PARADOXSUCURITYSYSTEMSLTD等公司推出的智能PIR入侵探測器。這些智能化的PIR入侵探測器除了在物理結構上采用了獨具匠心且非常有效的設計來防止誤報、漏報外，更多的采用了先進的數(shù)字化信號處理技術與智能化算法相結合的方法，有效監(jiān)測其所監(jiān)測范圍內(nèi)的人體移動情況，具備良好的抗干擾誤報特性，且各方面性能穩(wěn)定可靠，在防誤報漏報方面已經(jīng)取得了很大進展。美國SUREN公司最近又推出一款高性能探測器，分別在透鏡，電路，信號處理方面做了改進，使其性能得到極大提高，并已經(jīng)申請兩項專利。這些國外產(chǎn)品無疑會對國內(nèi)防盜探測領域造成極大的沖擊。因此，進行探測器的智能化的研究，跟蹤國際先進探測器技術的發(fā)展，具有重要的意義。但都沒有進行人體識別方面的研究。本課題所研究的內(nèi)容本課題主要是利用熱釋電紅外傳感器監(jiān)測人體發(fā)出的紅外線,輸出微弱的電信號后，經(jīng)過集成電路芯片BISS0001進行信息的后續(xù)處理，產(chǎn)生輸出控制信號驅(qū)動繼電器而完成燈具亮或滅的系統(tǒng),主要用于家居生活,探測有無人進入探測范圍.該系統(tǒng)方便、穩(wěn)定,十分適合樓道、廁所、辦公室等公共場所的照明。熱釋電紅外傳感器既可用于人體探測燈控裝置，也可以用于自動控制、接近開關、遙測等領域。用它制作的人體探測裝置與目前市場上銷售的許多人體探測器材相比，具有如下特點：不需要用紅外線或電磁波等發(fā)射源；靈敏度高、控制范圍大；蔽性好、可流動安裝。熱釋電人體探測燈控系統(tǒng)的組成人體熱釋電紅外傳感器熱釋電紅外傳感器主要是由一種高熱電系數(shù)的材料，如鋯鈦酸鉛系陶瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等制成尺寸為2*1mm的探測元件。在每個探測器內(nèi)裝入一個或兩個探測元件，并將兩個探測元件以反極性串聯(lián)，以抑制由于自身溫度升高而產(chǎn)生的干擾。由探測元件將探測并接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)變成微弱的電壓信號，經(jīng)裝在探頭內(nèi)的場效應管放大后向外輸出。為了提高探測器的探測靈敏度以增大探測距離，一般在探測器的前方裝設一個菲涅爾透鏡，利用菲涅爾透鏡的特殊光學原理，在探測器前方產(chǎn)生一個交替變化的“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”，以提高它的探測接收靈敏度。當有人從透鏡前走過時，人體發(fā)出的紅外線就不斷地交替從“盲區(qū)”進入“高靈敏區(qū)”，這樣就使接收到的紅外信號以忽強忽弱的脈沖形式輸入，從而加強其能量幅度。熱釋電人體紅外線傳感器的基本結構熱釋電人體紅外傳感器有多種型號，但結構、外形和電參數(shù)大致相同，一般可以互換，其典型外形如圖所示：圖2-1引腳功能圖圖2-2管腳排列圖其內(nèi)部原理圖見下圖：圖2-3內(nèi)部原理圖人體輻射的紅外線中心波長為9～10um，而探測元件的波長靈敏度0.2～20um范圍內(nèi)幾乎穩(wěn)定不變。在傳感器頂端開設了一個裝有濾光鏡片的窗口，這個濾光片可通過光的波長范圍為7～10um，正好適合于人體紅外輻射的探測，而對其它波長的紅外線由濾光片予以吸收，這樣便形成了一種專門用作探測人體輻射的紅外線傳感器。為提高傳感器的靈敏度，可在傳感器前1～5cm處放置菲涅爾透鏡，使探測距離從一般的2m提高到10至20m。在實驗室試驗時，可不加菲涅爾透鏡。在實際應用中，傳感器往往需要預熱，這是由傳感器本身決定的。一般被動紅外探測器需要一分鐘左右的預熱時間。圖2-4探測器視圖該傳感器由敏感元件、場效應管、阻抗變換器和濾光窗等構成，并在氮氣環(huán)境下封裝。敏感元件敏感元件，是用熱釋電人體紅外材料（通常是鋯鈦酸鋁）制成的，先把熱釋電材料制成很小的薄片，再在薄片兩面鍍上電極，構成兩個串聯(lián)的有極性的小電容器。將極性相反的兩個敏感元做在同一晶片上，是為了抑制由于環(huán)境與自身溫度變化而產(chǎn)生熱釋電信號的干擾。而熱釋電人體紅外傳感器在實際使用時，前面要安裝透鏡，通過透鏡的外來紅外輻射只會聚在一個敏感元上，以增強接收信號。熱釋電人體紅外傳感器的特點是它只在由于外界的輻射而引起它本身的溫度變化時，才給出一個相應的電信號，當溫度的變化趨于穩(wěn)定后就再沒有信號輸出，所以說熱釋電信號與它本身的溫度的變化率成正比，或者說熱釋電紅外傳感器只對運動的人體敏感，應用于當今探測人體移動報警電路中。場效應管和高阻值電阻RG通常敏感元件材料阻值高達。因此，要用場效應管進行阻抗變換，場效應管常用2sk303v3、2sk94x3等來構成源極跟隨器，高阻值電阻Rg的作用是釋放柵極電荷，使場效應管正常工作。一般在源極輸出接法下，源極電壓約為0.4～1.0v。通過場效應管，傳感器輸出信號就能用普通放大器進行處理。濾光窗熱釋電人體紅外傳感器中的敏感元件是一種廣譜材料，能探測各種波長輻射。為了使傳感器對人體最敏感，而對太陽、電燈光等有抗干擾性，傳感器采用了濾光片作窗口。濾光窗是由一塊薄玻璃片鍍上多層濾光層薄膜構成的。濾光片是在Ｓ基板上鍍多層膜做成的。每個物體都發(fā)出紅外輻射，其輻射最強的波長滿足維恩位移定律：λm?Ｔ＝2989（μm?K）式中λｍ—最大波長，Ｔ—絕對溫度。人體溫度為36～37℃，即309～310°K，其輻射的紅外波長λｍ＝2989／309～310≈9.67～9.64μｍ?？梢?，人體輻射的紅外線最強的波長正好在濾光片的響應波長7.5～14mm的中心處。故濾光窗能有效地讓人體輻射的紅外線通過，而阻止太陽光、燈光等可見光中的紅外線通過，免除干擾。所以，熱釋電人體紅外傳感器只對人體和近似人體體溫的動物有敏感作用。綜上所述，傳感器只對移動或運動的人體和體溫近似人體的物體起作用。熱釋電人體紅外線傳感器工作原理——熱釋電效應當一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產(chǎn)生數(shù)量相等而符號相反的電荷。這種由于熱變化而產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱為熱釋電效應。通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被空氣中附集在晶體外表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化電矩不能顯示出來。當溫度變化時，晶體結構中的正、負電荷重心產(chǎn)生相對位移，晶體自發(fā)極化的值就會發(fā)生變化，在晶體表面就會產(chǎn)生電荷耗盡。能產(chǎn)生熱釋電效應的晶體稱為熱釋電體，又稱為熱電元件。圖2-5表示了熱釋電效應形成的原理。熱電元件常用的材料有單晶(LiTaO3等)、壓電陶瓷(PZT等)及高分子薄膜(PVF2等)。如果在熱電元件兩端并聯(lián)上電阻，當元件受熱時，則電阻上就有電流流過，在電阻兩端也能得到電壓信號。圖2-5熱釋電效應原理圖菲涅爾透鏡的簡介菲涅爾透鏡(Fresnellens)（見圖2-6）是由聚烯烴材料制成的薄片，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，它的紋理是利用光的干涉和根據(jù)相對靈敏度和接收角度要求來設計的，透鏡的要求很高，一片優(yōu)質(zhì)的透鏡必須是表面光潔，紋理清晰，其厚度一般在1mm左右，特性為面積較大，厚度薄及偵測距離遠。圖2-6菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡作用有兩個：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號折射（反射）在PIR上，第二個作用是將探測區(qū)域內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入探測區(qū)域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。菲涅爾透鏡，簡單的說就是在透鏡的一側(cè)有等距的齒紋。通過這些齒紋，可以達到對指定光譜范圍的光帶通(反射或者折射)的作用。傳統(tǒng)的打磨光學器材的帶通光學濾鏡造價昂貴。菲涅爾透鏡可以極大的降低成本。典型的例子就是PIR（被動紅外線探測器）。PIR廣泛的用在警報器上。如果你拿一個看看，你會發(fā)現(xiàn)在每個PIR上都有個塑料的小帽子。這就是菲涅爾透鏡。小帽子的內(nèi)部都刻上了齒紋。這種菲涅爾透鏡可以將入射光的頻率峰值限制到10微米左右（人體紅外線輻射的峰值）。成本相當?shù)牡汀Ｄ壳霸趪鴥?nèi)市場上最常見的熱釋電紅外傳感器有日本尼賽拉公司生產(chǎn)的型號為RE200B、RE03B和德國海曼LHi778、LHi878、LHi968以及國內(nèi)自主品牌的產(chǎn)品等，其中日本尼賽拉公司的RE200B是市場上最常用的產(chǎn)品。圖2-7菲涅爾透鏡示意圖被動式紅外線熱釋電傳感器的優(yōu)缺點不同于主動式紅外傳感器，被動紅外傳感器本身不會發(fā)生任何類型的輻射能，隱蔽性好，器件功耗小，價格低廉。但是，被動式熱釋電傳感器也有不足之處，如：①產(chǎn)生的信號幅度小，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動方向為橫向運動方向，對徑向方向運動的物體檢測能力比較差。圖2-8傳感器敏感移動方向紅外線熱釋電傳感器對人體的敏感程度還和人的運動方向關系很大。紅外線熱釋電傳感器對于徑向移動反應最不敏感,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、求得最佳檢測靈敏度極為重要的一環(huán)。傳感器信號處理集成電路概述雖然被動式熱釋電紅外探頭有其不足之處，但是在利用特殊方法處理其信號后，仍然使它在某些領域具有立足之地，有著廣闊的應用前景。因此，國內(nèi)國外有很多生產(chǎn)廠家根據(jù)熱釋電傳感器的特性設計了專用信號處理器，比如HOLTEKHT761X、PTIPT8A26XXP、WELTREND、WT8072、BISS0001。由于熱釋電傳感器輸出的信號幅值小、變化緩慢，針對這些特點，專用信號處理器一般分為三步處理，具體處理步驟如下：濾波放大普通熱釋電傳感器輸出的微弱信號大約只在幾百微伏到幾毫伏之間，為了使后續(xù)電路能夠作出有效的信號處理，考慮到傳感器的信噪比及其它因素，通常取增益為72.5dB，通帶在0.3Hz～7Hz之間。同時，由于處理的是模擬小信號，所以為了保證放大器能夠工作的穩(wěn)定可靠，電路中特別設計用一個穩(wěn)壓器給傳感器、放大器和比較器供電。窗口比較器窗口比較器包括差分電路級和負載電路級。差分電路級根據(jù)輸入電壓生成一對差分電流，當輸入電壓為一參考電壓時，差分電流根據(jù)具有最大值和最小值的輸入電壓變化，負載電路級從參考電流和與從差分電流中選出的電流相對應的電流生成輸出電壓。通過產(chǎn)生參考電流和所述電流，按第二電流是否大于參考電流來確定一電壓范圍。由于窗口比較器的窗口按所述電流和參考電流形成，從而輸出電壓電平根據(jù)輸入電壓是否落入電壓范圍發(fā)生變化。熱釋電傳感器輸出信號經(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。噪聲抑制數(shù)字信號處理長期以來，根據(jù)各國專家對人體運動中的特點以及傳感器的特性的研究，用在一定時間內(nèi)計算脈沖個數(shù)及測量脈沖寬度的方法來甄別有人體發(fā)出的有效信號，這里由系統(tǒng)振蕩器提供時鐘源（16kHz）。經(jīng)過上述三步處理后就能準確、可靠地判斷人體發(fā)出的信號。根據(jù)具體的應用場合以實現(xiàn)既定控制，例如報警器自動報警，自動開啟某個設備等。BISS0001信號處理器芯片BISS0001是一款具有較高性能的傳感信號處理集成電路。它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構成被動式的熱釋電紅外開關。它能自動快速開啟各類白炙燈、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)。見圖2-9。圖2-9BISS0001芯片BISS0001芯片功能敘述如下：CMOS數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐?。具有獨立的高輸入阻抗運算放大器，可與多種傳感器匹配，進行信號與處理。雙向鑒幅器，可有效抑制干擾。內(nèi)設延遲時間定時器和封鎖時間定時器，結構新穎，穩(wěn)定可靠，調(diào)解范圍寬。內(nèi)置參考電壓。工作電壓范圍2V～6V，采用16腳DIP和SOP封裝。其管腳圖見圖2-10。各個引腳的說明見表2-1，芯片的工作電壓和電流見表2-2，芯片性能見表2-3。圖2-10BISS0001管腳圖表2-1BISS0001各個引腳的說明引腳名稱I/O功能說明1AI可重復觸發(fā)和不可重復觸發(fā)選擇端。當A為“1”時，允許重復觸發(fā)；反之，不可重復觸發(fā)2VOO控制信號輸出端。由VS的上跳前沿觸發(fā)，使Vo輸出從低電平跳變到高電平時視為有效觸發(fā)。在輸出延遲時間Tx之外和無VS的上跳變時，Vo保持低電平狀態(tài)。3RR1--輸出延遲時間Tx的調(diào)節(jié)端4RC1--輸出延遲時間Tx的調(diào)節(jié)端5RC2--觸發(fā)封鎖時間Ti的調(diào)節(jié)端6RR2--觸發(fā)封鎖時間Ti的調(diào)節(jié)端7VSS--工作電源負端8VRFI參考電壓及復位輸入端。通常接VDD，當接“0”時可使定時器復位9VCI觸發(fā)禁止端。當VcVR時允許觸發(fā)(VR≈0.2VDD)10IB--運算放大器偏置電流設置端11VDD--工作電源正端122OUTO第二級運算放大器的輸出端132IN-I第二級運算放大器的反相輸入端141IN+I第一級運算放大器的同相輸入端151IN-I第一級運算放大器的反相輸入端161OUTO第一級運算放大器的輸出端表2-2BISS0001芯片的工作電壓和電流符號參數(shù)測試條件參數(shù)范圍單位V0電源電壓0.3~6.0VVi/Vo輸入/輸出電壓--VSS-0.3~VDDZ=0.3VIout最大輸出電流V0=5.0v10mATopr工作溫度20~+20℃Tstg貯存溫度40~+125℃表2-3BISS0001芯片性能符號參數(shù)測試條件最小值最大值單位Vco工作電壓范圍--35VIco工作電流無負載50uA100uAVos輸入失調(diào)電壓5V50mAIos輸入失調(diào)電流5V50nAAyo開環(huán)電壓增益5V,Rl=1.5M60dBCMRR共模抑制比5V,Rl=1.5M60dBVyh運放輸出高電平5V,R=500K4.25vVVyl運放輸出低電平5V0.75VVrhVc端輸入高電平5V,0.5mA1.1VVrlVc端輸入低電平5V,0.1mA0.9VVohVo端輸出高電平5V4VVolVo端輸出高電平5V0.4VVahA端輸入高電平3.5VValA端輸入低電平1.5VBISS0001是由運算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構成的數(shù)模混合專用集成電路。內(nèi)部框圖見圖2-11。圖2-11BISS0001內(nèi)部框圖圖2-12所示的不可重復觸發(fā)工作方式下的波形，來說明其工作過程。不可重復觸發(fā)工作方式下的波形。圖2-12不可重復觸發(fā)工作方式下的波形首先，根據(jù)實際需要，利用運算放大器OP1組成傳感信號預處理電路，將信號放大。然后耦合給運算放大器OP2，再進行第二級放大，同時將直流電位抬高為VM(≈0.5VDD)后，將輸出信號V2送到由比較器COP1和COP2組成的雙向鑒幅器，檢出有效觸發(fā)信號Vs。由于VH≈0.7VDD、VL≈0.3VDD，所以，當VDD=5V時，可有效抑制±1V的噪聲干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。COP3是一個條件比較器。當輸入電壓Vc=VR時，COP3輸出為高電平，進入延時周期。當A端接“0”電平時，在Tx時間內(nèi)任何V2的變化都被忽略，直至Tx時間結束，即所謂不可重復觸發(fā)工作方式。當Tx時間結束時，Vo下跳回低電平，同時啟動封鎖時間定時器而進入封鎖周期Ti。在Ti時間內(nèi)，任何V2的變化都不能使Vo跳變?yōu)橛行顟B(tài)（高電平）,可有效抑制負載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾。圖2-13所示的可重復觸發(fā)工作方式下的波形，來說明其工作過程?？芍貜陀|發(fā)工作方式下的波形在Vc=“0”、A=“0”期間，信號Vs不能觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)。在Vc=“1”、A=“1”時，Vs可重復觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)，并可促使Vo在Tx周期內(nèi)一直保持有效狀態(tài)。在Tx時間內(nèi)，只要Vs發(fā)生上跳變，則Vo將從Vs上跳變時刻起繼續(xù)延長一個Tx周期；若Vs保持為“1”狀態(tài)，則Vo一直保持有效狀態(tài)；若Vs保持為“0”狀態(tài)，則在Tx周期結束后Vo恢復為無效狀態(tài)，并且，同樣在封鎖時間Ti時間內(nèi)，任何Vs的變化都不能觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)。圖2-13可重復觸發(fā)工作方式下的波形固態(tài)繼電器簡介固態(tài)繼電器（亦稱固體繼電器）英文名稱為SolidStateRelay，簡稱SSR。它是具有隔離功能的無觸點電子開關器件，單相SSR為四端有源器件，其中兩個輸入控制端，兩個輸出端，輸入輸出間為光隔離，輸入端加上直流或脈沖信號到一定電流值后，輸出端就能從斷態(tài)轉(zhuǎn)變成通態(tài)。固態(tài)繼電器工作可靠，壽命長，無噪聲，無火花，無電磁干擾，開關速度快，抗干擾能力強，且體積小，耐沖擊，耐振蕩、防爆、防潮、防腐蝕、能與TTL、DTL、HTL等邏輯電路兼容，以微小的控制信號達到直接驅(qū)動大電流負載。圖2-14固態(tài)繼電器圖2-15固態(tài)繼電器的等效電路三級管的開關作用如圖2-16所示，三級管工作在飽和導通狀態(tài)（發(fā)射結和集電結都是正偏置）時，其c-e極間電壓很小，比PN結的導通電壓還要?。ü韫茉?.5V以下），c-e極間相當于“短路”，即呈“開”的狀態(tài)。圖2-16飽和態(tài)如同通路如圖2-17所示，三極管在截止狀態(tài)（發(fā)射結和集電結都是反偏置）時，其c-e極間電流很小（硅管基本上量不到），相當于“斷開（即‘關’）”的狀態(tài)。圖2-17截止態(tài)如同斷路線圖三極管開關電路的特點是開關速度極快，遠遠比機械開關快，沒有機械接點，不產(chǎn)生電火花。開關的控制靈敏，對控制信號的要求低，導通時開關的電壓降比機械開關大，關斷時開關的漏電流比機械開關大。不宜直接用于高電壓、強電流的控制。東華理工大學畢業(yè)設計（論文） 人體探測燈控電路的總體設計PAGE35人體探測燈控電路的總體設計設計思想人體探測燈控電路由于觸發(fā)的時候不需要人發(fā)出任何聲音，而是人走過時身體向外界散發(fā)紅外熱量最終控制燈具的開啟，當人離開后，經(jīng)過一定時間的延時，自動熄滅。因為不同于聲光控燈，不需要聲音和開關控制，從而避免了聲控噪音的侵擾，同時因為它是感應人體熱量控制開關，所以避免了無效電能的損耗，達到節(jié)能效果。此類設計的要點在于對紅外線信號的放大及處理，尤其是從系統(tǒng)的穩(wěn)定性上下功夫，運放用作放大電路已為電子設計師所常用，因為其放大倍數(shù)完全可以通過反饋量的大小來進行調(diào)節(jié)，同時外圍電路非常簡單，性能也較好，但是作為放大從傳感器接收下來的人體紅外信號時，由于傳感器易受熱噪聲的影響，放大器放大倍數(shù)的選擇是一大難點，也是本設計成功與否的關鍵所在，選大了，無法關斷所控制的照明燈，選小了，又檢測不到人體發(fā)出的紅外線信號。另外，前級的放大倍數(shù)與干擾比較電路的參數(shù)選擇應配合起來，如何區(qū)分是熱噪聲信號還是有效的人體信號，另一方面還取決于對比較器參考電壓的選擇，至于延時部分的選擇相對來說比較簡單，只要前面部分的工作可靠了，一般后續(xù)電路就較為容易實現(xiàn)了。各模塊方案選擇和論證探測器模塊的設計方案一：采用BISS0001芯片組成的探測電路穩(wěn)定性一般，電路設計簡單，檢測到人體的距離也比較的遠。方案二：采用LM324芯片組成的探測電路的穩(wěn)定性一般，但電路較復雜。調(diào)試比較困難。方案三：采用紅外對管收發(fā)電路，但是紅外對管不單檢測到人，而且物體經(jīng)過也會檢測到，由于題目所要求的是只是檢測到人經(jīng)過，所以排除本方案。綜合以上三種方案，選擇方案一來做探測電路?？刂茍?zhí)行模塊的設計方案一：采用固態(tài)繼電器SSR作為燈控開關。固態(tài)繼電器只是相當于一個開關,不能調(diào)節(jié)電流。但固態(tài)繼電器動作電壓與控制電壓通過內(nèi)部電路例如光耦進行分離的。造成的誤差小。方案二：采用可控硅作為燈控開關。由于可控硅只有導通和關斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開關特性，這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化。綜合以上兩種方案，選擇方案一來做控制執(zhí)行電路?？傮w電路的結構劃分設計的電路主要由三部分組成：電源電路：電源變壓器T、整流二極管VD1～VD4、濾波電容C7、C9、旁路電容C8、三端穩(wěn)壓集成電路IC2組成。圖3-1電源電路電源電路設計的目的是把220V交流電通過降壓、整流、濾波和穩(wěn)壓后形成穩(wěn)定的＋5V直流電壓給整個控制電路供電。紅外延時控制電路：由熱釋電紅外傳感器PIR、靈敏度電位器RP1、熱釋電紅外傳感信號處理集成電路BISS00O1（IC1）及延時元件R1、C2、電位器RP2、光敏電阻RG等外圍元件組成。圖3-2紅外延時電路紅外延時控制電路能可靠地將運動的人體與運動的物體加以區(qū)別，可避免誤動作。延時時間由延時元件R1與C2的時間常數(shù)決定，圖所示時間為15s。由于芯片第1腳接高電平，電路處于允許重復觸發(fā)狀態(tài)，即在延時時間（15s）內(nèi)，只要人稍微移動一下，電路就重新被觸發(fā)，第2腳再輸出一個脈寬為15s的高電平信號。所以只要有人在浴室內(nèi)，照明燈具H將始終被點亮。只有人離開后，延時15s后，電路復位，照明燈具H自動熄滅。控制執(zhí)行電路：由電子開關VT、固態(tài)繼電器SSR和照明燈具H組成。圖3-3控制執(zhí)行電路電子開關VT在控制信號輸出端為低電平時處于截止狀態(tài)，固態(tài)繼電器SSR關斷，照明燈具不亮。反之，則亮。電路圖的設計總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)點被廣泛應用于防盜報警、自動門、感應燈、自動水閥、自動馬達控制等工業(yè)和生產(chǎn)領域。BISS0001是專門為熱釋電紅外傳感器（PIR）配套設計的集成電路，采用CMOS工藝制造，具有性能指標高、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。圖3-4利用BISS0001構成的熱釋電紅外延時照明控制器電路人體探測燈控電路框圖人體紅外線熱釋電紅外探頭熱釋電紅外處理芯片人體紅外線熱釋電紅外探頭熱釋電紅外處理芯片控制執(zhí)行電路燈具電源電路圖3-5人體探測燈控電路結構框圖電路中主要元器件選擇由圖3-1可知，該熱釋電紅外延時照明控制器由電源電路、紅外延時控制電路和控制執(zhí)行電路組成。其中，電源電路由電源變壓器T、整流二極管VD1～VD4、濾波電容C7、C9、旁路電容C8、三端穩(wěn)壓集成電路IC2組成。實際應用時，T常選用220V/9V、5VA小型優(yōu)質(zhì)電源變壓器；VD1～VD4選用IN4001型整流二極管；IC2選用LM7805型三端穩(wěn)壓集成電路。220V交流電通過降壓、整流、濾波和穩(wěn)壓后形成穩(wěn)定的+5V直流電壓給整個控制電路供電。紅外延時控制電路由熱釋電紅外傳感器PIR、靈敏度電位器RP1、熱釋電紅外傳感信號處理集成電路BISS0001（IC1）及延時元件R1、C2、電位器RP2、光敏電阻RG等外圍元件組成。實際應用時，PIR常選用P2288、PH5324、LH1956型等熱釋電紅外傳感器，為了提高PIR傳感器感受紅外線的靈敏度，在傳感器前應加裝配套的拋物面形或半球形的菲涅耳透鏡；RG選用MG45型等光敏電阻，且要求亮電阻與暗電阻相差倍數(shù)越大越好；RP1、RP2選用WSW型有機實心微調(diào)電位器?？刂茍?zhí)行電路由電子開關VT、固態(tài)繼電器SSR和照明燈具H組成。實際應用時，VT常選用9013型NPN三極管，要求β≥100；SSR選用JCX－2F－DC5V型過零緊湊型固態(tài)繼電器；H可根據(jù)需要選用100W以下的白熾燈泡。人體探測電路工作原理電路通電后，當無人進人熱釋電傳感器PIR監(jiān)控范圍時，熱釋電紅外傳感信號處理集成電路BISS0001處于復位狀態(tài)，控制信號輸出端（第2腳）Vo輸出為低電平，電子開關VT處于截止狀態(tài)，固態(tài)繼電器SSR關斷，照明燈具H不亮，控制器處于監(jiān)控狀態(tài)。當有人進人熱釋電傳感器PIR監(jiān)控范圍并移動時，PIR可將人體散發(fā)出的紅外線變化轉(zhuǎn)換為電信號輸出，輸出信號頻率為0.1～10Hz。RP2與RG組成光控電路，白天光敏電阻RG受自然光照射呈現(xiàn)低電阻，當BISS0001第9腳電平Vo＜02VDD時，觸發(fā)禁止，BISS0001等后級電路不工作，照明燈具H不亮。晚上或環(huán)境光線較暗時，RG阻值增大，當BISS0001第9腳電平玩＞0.2Vpp時，BISS0001處于監(jiān)控狀態(tài)，輸出端％仍為低電平。如果此時有人在PIR監(jiān)控范圍內(nèi)移動，PIR便輸出隨人體移動而變化的電信號，通過RP1送人BISS0001芯片內(nèi)部獨立高輸人阻抗運算放大器OP1的輸入端11N+（第14腳），經(jīng)OP1前置放大后，由第16腳輸出，經(jīng)C4耦合到第13腳2IN-端，再經(jīng)芯片內(nèi)部第2級運算放大器OP2進行放大，然后經(jīng)芯片內(nèi)部雙向鑒幅器處理，輸出有效觸發(fā)信號啟動芯片內(nèi)部的延時定時器TX，最后由狀態(tài)控制器從BISS0001第2腳輸出高電平控制信號，使電子開關VT導通驅(qū)動固態(tài)繼電器SSR開通，照明燈具H點亮發(fā)光。BISS0001第2腳輸出高電平控制信號時間等于電路的延時時間，它由延時元件R1與C2的時間常數(shù)決定，圖所示時間為15s。由于芯片第1腳接高電平，電路處于允許重復觸發(fā)狀態(tài)，即在延時時間（15s）內(nèi)，只要人稍微移動一下，電路就重新被觸發(fā)，第2腳再輸出一個脈寬為15s的高電平信號。所以只要有人在浴室內(nèi)，照明燈具H將始終被點亮。只有人離開后，延時15s后，電路復位，照明燈具H自動熄滅。東華理工大學畢業(yè)設計（論文） 電路制作電路制作整體電路制作問題原件的散熱問題電子設備的內(nèi)部熱源主要是一些發(fā)熱的電子元器件，如功率管、集成電路、變壓器、功率損耗大的電阻等，為了不使元器件和電子設備的溫度過高，必須采取措施將發(fā)熱元件所產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去。不同的元器件，其散熱處理方法也不同。阻容散熱電阻的散熱電阻的溫升與功率損耗、電阻結構與尺寸、表面狀態(tài)、與其他元件的距離、安裝位置及周圍環(huán)境有關。電容的散熱電容的參數(shù)包括額定電壓（耐壓）、電容量、絕緣電阻、損耗因數(shù)（損耗角正切值）等，它們的大小都直接與溫度有關，溫度升高，對所有參數(shù)都有害。要使電容處于正常工作狀態(tài)，應將電容與高溫元件隔離。變壓器和扼流圈的散熱變壓器的熱源是鐵芯和線包，其自然散熱的途徑對變壓器本身而言主要是熱傳導，外部散熱主要是熱對流、熱傳導，其次是熱輻射。為了提高對流散熱效果，可將變壓器墊起一定高度，并在底板上開設通風孔。集成電路的散熱集成電路及復合固態(tài)器件的散熱與小功率晶體管相似，其引線數(shù)比較多，可供自然對流的面積大，功耗較大的集成電路常利用導熱條進行傳導散熱。電子電路的靜電保護兩種物體相互摩擦時，由于電子與離子的親和性不同，會在兩物體間引起電子與離子的移動，形成一面帶正電荷，另一面帶負電荷。當兩物體離開后，在各物體上產(chǎn)生額外的電荷，當積累的電荷達到一定量后，電荷會向相反極性的一方遷移，這時就發(fā)生放電現(xiàn)象。人體的轉(zhuǎn)動引起衣服間的相互摩擦，或人在地毯(非防靜電地毯)上行走，都會使人體帶靜電，其電壓可達2kV～15kV。一個良好的電子系統(tǒng)設備應該在電路設計的最初階段就考慮瞬態(tài)保護要求。保護電路的基本原理是，使用電壓箝位電路阻止高壓進入柵極，同時提供大電流分流通道。有多種電路設計可以達到ESD保護的目的，但選用時必須考慮以下原則，并在性能和成本之間加以權衡：速度要快，這是ESD干擾的特點決定的；能應付大的電流通過；考慮瞬態(tài)電壓會在正、負極性兩個方向發(fā)生；對信號增加的電容效應和電阻效應控制在允許范圍內(nèi)；電路的焊接與調(diào)試電路焊接與調(diào)試時注意事項在進行焊接前要判斷好各管子的管腳，以免發(fā)生錯誤最終導致實驗失??；電路中有電解電容存在，因此在焊接前應注意其正負極性；在焊接時注意安全，防止被燙傷；由于電路板較小，在焊接后注意檢查，防止焊點相接觸；由于此開關電路的輸入電壓是220V交流電，因此在做調(diào)試時應注意不要用手接觸電路，以免發(fā)生觸電危險。調(diào)試條件與步驟本次調(diào)試是在實驗室的試驗桌上測試的，而且電路板沒有任何的屏蔽措施，實驗室的電磁干擾也比較的大。所以在調(diào)試過程中應該注意的事情很多，在調(diào)試前應根據(jù)IC1的大小，在無孔開關蓋板上開一個適當大小的孔，將IC1的傳感面朝外，與蓋板外表面平齊，用502膠水粘牢。其余元件焊在一塊電路板上，用軟線與IC1連接。光敏電阻最好和IC1同樣安裝，以便受光，整個裝置置于開關盒內(nèi)。由于人進出樓道時身體離紅外感應開關很近，所以該開關一般均能可靠工作。如欲增大探測距離，可在傳感器前面配上相應的菲涅爾透鏡。調(diào)試時，首先斷開光敏電阻，調(diào)整RP1，讓人通過傳感器旁邊時燈泡點亮。接著焊上光敏電阻，遮住光線再細調(diào)一次便可。然后調(diào)整RP2讓燈泡發(fā)光時間長短適當即可。做好如上準備后，電路的調(diào)試的具體步驟大致如下：通電觀察：通電后不要急于測量電氣指標，而要觀察電路有無異?，F(xiàn)象，例如有無冒煙現(xiàn)象，有無異常氣味，手摸集成電路外封裝，是否發(fā)燙等。如果出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，應立即關斷電源，待排除故障后再通電。靜態(tài)調(diào)試：靜態(tài)調(diào)試一般是指在不加輸入信號，或只輸入固定的電平信號的條件下所進行的直流測試，可用萬用表測出電路中各點的電位，通過和理論估算值比較，結合電路原理的分析，判斷電路直流工作狀態(tài)是否正常，及時發(fā)現(xiàn)電路中已損壞或處于臨界工作狀態(tài)的元器件。通過更換器件或調(diào)整電路參數(shù)，使電路直流工作狀態(tài)符合設計要求。動態(tài)調(diào)試：動態(tài)調(diào)試是在靜態(tài)調(diào)試的基礎上進行的，在電路的輸入端輸入合適的信號，按信號的流向，順序檢測各測試點的輸出信號，若發(fā)現(xiàn)不正?，F(xiàn)象，應分析其原因，并排除故障，再進行調(diào)試，直到滿足要求。仿真與試驗結果電源電路的仿真與調(diào)試結果電路中紅外延時控制電路的仿真與調(diào)試結果分析電路中設計紅外延時控制電路的目的是為了將熱釋電傳感器發(fā)出的微弱信號進行放大，提高工作電壓，保證開光電路正常工作。圖4-1為集成芯片構成的紅外延時電路的仿真電路圖。圖4-1紅外延時控制模塊在Multision10.0環(huán)境下設計集成芯片BISSOOO1構成的比較放大電路仿真電路圖。由信號發(fā)生器產(chǎn)生峰值為5mv，頻率為50HZ的矩形波，用示波器觀察輸入、輸出波形和電壓由圖4-2可以看出，仿真開始波形穩(wěn)定后，輸出波形峰值為4V左右。能觸發(fā)開關電路中的三級管導通，從而驅(qū)動繼電器導通，電路正常工作。圖4-2示波器仿真波形控制執(zhí)行電路的仿真與調(diào)試結果分析東華理工大學畢業(yè)設計（論文） 總結與展望PAGE37總結與展望通過本次實習，不僅讓我溫故了以前所學的知識，也讓我更深的體會“溫故而知新”這句話的意思。以前總在感覺，大學四年自己幾乎是學一門丟一門。大家都在討論說，曾經(jīng)學到的東西在考試完之后不久就已經(jīng)全部歸還給老師了。但是經(jīng)過這次實習之后，我發(fā)現(xiàn)，其實我們學到的知識并沒有丟給老師，只是因為所學的知識沒有應用的空間，所以暫時的存儲在大腦中。這也使我認識到，測控技術與儀器專業(yè)是一個注重理論與實踐相結合的專業(yè)。記不住，只是因為缺少實踐的機會。因而，為了能讓我們學有所用，學有所得，我們應積極參加實踐，同時也肯定了我們其實我們的未來的學習與生活是美好的。至少我們有著我們的發(fā)展空間?；蛟S對我們這些對未來畏懼，對未來未知的畏懼的大學生有著不同的意義。本次設計的主要芯片是紅外熱釋電處理芯片BISS0001，它是一款兼具多重功能的集成芯片，由熱釋電傳感器輸出的信號，經(jīng)芯片處理后輸出觸發(fā)信號使電子開關VT導通從而通過固態(tài)繼電器SSR控制燈具亮。其精確度高，探測范圍大，分辨力強，抗干擾能力強等。這實習的幾十天，很短，但是卻給予了我們綜合大學四年所學知識，應用所學知識的機會，也成為了我們這些還迷茫于人生路口至關重要的轉(zhuǎn)折點?，F(xiàn)代化的生活離不開電能的使用,但目前電能的浪費已成為人們普遍關注的問題,隨著電子技術和自動化水平的不斷提高,以及各種高準確度,高性能傳感器的應用,自動節(jié)能燈具成為人們理想的