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1、 继续教育学院毕业设计（论文）题目：自动扶梯安全检测系统设计院、系(站) ： 机电工程系 学 科 专 业： 机电一体化 学 生： 学 号： 指 导 教 师： 2013年6月自动扶梯安全检测系统摘 要随着社会的进步，世界经济的快速发展，自动扶梯已经广泛应用于我们的日常生活中。它们在为我们带来方便的同时，也带来了安全问题。深深的伤害着我们，扶梯伤人事件新闻上时有报道，尽管各大厂家对自己产品都做了相应的技术改进。但是伤害依然存在，因其工作特性是以机械运输为主，其工作环境主要是在商场等人流密集的公共场所，一旦出现意外肢体被夹，如果扶梯不能得到及时有效的控制，被夹着可能会面临残疾的危险，特别是在公共场所
2、人们在极度恐惧和危险下可能会做出不理智的判断，更加会引起次生危险的发生。给个人和家庭带来永远的伤害，更为国家和单位造成了许多不必要经济损失。另外，由于事故的频繁发生更加影响了社会发展和稳定也引起我们深深的反思。 因此，设计改造一种结构美观，电路新颖，安全节能，安装方便的自动扶梯安全检测系统显得相当有必要。来减少对家庭和个人的伤害，推动社会繁荣与稳定。使我们能真正的在科技的发展中快乐的生活。 能够实现远程控制，乘客无需触碰控制开关，危险时只需大声呼救，扶梯就会停止工作。安全检测系统分为三大部分；监测部分，处理部分，控制部分。监测部分有；红外线检测模块，声音检测模块，人体姿势识别系统三个模块。处理
3、部分；主要是PLC和单片机。控制部分；继电器和接触器。本文主要介绍检测部分的工作原理。检测部分中红外检测模块负责检测扶梯上有无乘客，有责运行，无责停止。声音检测模块和人体姿势识别模块负责扶梯运行全时间段内对乘客的时时检测。处理模块处理检测的信息。控制模块将负责控制电机的运行。 几大部分相互配合共同完成对扶梯的监测工作。更加的安全可靠和节能环保，体现了以人为本和谐发展道德思想，是我们现代公共生活不可或缺安全设施。关键词：隔音型钢化玻璃罩； 红外线感应开关；声控开关；人体姿势识别系统；目录1 绪论11.1综述11.2自动扶梯的发展方向概括21.3自动扶梯安全控制的必要性22 设计流程4 2.1自动
4、扶梯安全检测系统电路原理框图及监测部分原理图52.2人体红外线开关模块工作原理及电路图52.3声控开关模块电路原理框图及原理图72.4人体姿势识别系统83 检测系统的信号收集103.1热释电红外传感器的原理及应用103.2声音信号收集电路114 人体红外线集成控制电路详解134.1运算放大器144.2振荡器154.3电压比较器174.4集成电路芯片184.5可控硅205 声控开关控制电路详解245.1电源模块的设计245.2芯片TC4081BP的介绍245.3延时模块265.4被控制模块的电路设计及相关参数286控制系统结构设计326.1现场级控制网络326.2远程控制网络326.3控制系统功
5、能设计326.4控制系统可靠性设计337 结构改进187.1隔音型钢化玻璃罩347.2隔音型钢化玻璃罩加装的意义34结 论34致 谢36参考文献37西安工业大学继续教育学院毕业（设计）论文1 绪论1.1综述 自动扶梯的出现给人类的生活带来了极大的便利，它同时也成为现代文明的一个重要标志。从第一台自动扶梯诞生以来，自动扶梯的发展迄今为止大约经历了100多年。 我们回首历史不难发现，虽然自动扶梯给我们带来了很大的便利，但是因其工作特性和特殊的工作环境，自动扶梯在发明之处就伴随着事故的频繁发生，特别是近几年来自动扶梯伤人事件频频发生，给我们带来巨大的心理压力，也影响着社会的稳定和发展。虽然在扶梯的出
6、入口处都有控制开关，厂家还特别加装了安全毛刷，在一定程度上减少了事故的发生，但是还是因为控制系统的滞后性，扶梯在发生危险的第一时间得不到有效的控制，不能及时关闭电梯，导致事故依然发生。所以设计和改进自动扶梯显得尤为重要，自动扶梯安全检测系统就是其中的一种。自动扶梯的结构改进是在扶梯上加装隔音型钢化玻璃罩将自动扶梯密封成只有上下两个出口的密闭空间，这样既可以防止扶梯在运行时人的攀爬和翻越，防止在楼层之间扶梯安装时形成的转换死角夹伤我们，防止高空坠物，更重要的是隔绝扶梯外的噪音，给扶梯内创造一个安静的环境，利于声音检测系统更好的工作。自动扶梯安全检测系统是利用红外线检测系统来检测扶梯上是否有乘客，
7、如果有乘客，扶梯正常运行，如果没有乘客，扶梯将自动关闭或减速行进。这样既节能又环保。利用声音检测系统检测求救信号，因为声音检测系统的检测模块的接收能力是可以调节的，我们正常的言语表达是不会被接收的，只有当我们肢体被夹发出高分贝的求救信号时，声音检测系统才会检测的到，系统处理会由继电器输出高电平给PLC主机等待处理；同时人体姿势识别系统扫描乘客情况，系统将变化后的信息处理后输出给PLC主机，但此时声音检测系统有高电平输出，两者信号同时存在，PLC主机将触发交流接触器动作，从而使电动机的立即停止运转。实现在人体发生危险是能够快速及时准确的自我救护，尽可能的减轻或减少对我们的伤害。自动扶梯安全检测系
8、统是集合了，光学，声学，智能识别系统，实现对自动扶梯全部工作时间的时时安全监测。更加的安全可靠和节能环保，体现了以人为本和谐发展道德思想，是我们现代公共生活不可或缺安全设施。12自动扶梯的发展方向概括 自动扶梯是由一台特种结构型式的链式运输机和两台特殊结构型式的胶带运输机所组成的，用以在建筑物的不同层高间运载人员上下的一种连续运输机器。它的出现给人类日常生活带来极大的便利，已经成为现代物质文明的一个重要标志。 1899年查尔斯希伯格与奥的斯公司携手制造出第一台阶梯式自动扶梯。1991年，三菱电机公司开发了带有中间水平的大提升高度自动扶梯。这种多坡度型自动扶梯，在大提升高度时可以降低乘客对高度的
9、恐惧感，并能与大楼楼梯结构协调配置。20世纪90年代末，富士达公司开发了变速式自动人行道，即自动人行道以分段速度运行，乘客从低速段进入，然后进入高速平稳运行段，再后进入低速段离开。这样提高了乘客上下自动扶梯的安全性，缩短了长行程时的乘梯时间。2002年4月17日到20日，三菱电机公司在第5届中国国际电梯展览会上展出了倾斜段高速运行的自动扶梯模型。可铰接伸缩的驱动齿调结构在运行时可使梯级的间隔发生变化，从而使电梯的速度发生变化。其倾斜段速度是出入口速度的15倍，这样既缩短了乘客的乘梯时间，也提高了乘客上下扶梯的安全性和平稳性。自动扶梯经过100多年的研究发展，已经成为一种比较成熟的产品，但是目前
10、世界上大型的电梯公司，如；奥的斯，日立，迅达，三菱等依然投入大量的人力物力对对自动扶梯和自动人行道进行研究开发，其研究重点主要集中于环保节能和安全。节能；采用自动调节电压法的原理，根据电机负载量的大小，利用新型的节能器自动及时的调节电动机工作电压，使之能耗降到最小。电机在Y型接法和三角型接法之间相互转换。采用变频驱动法，使用高性能变频器在交-直-交，之间转换，实现节能的目的。环保；采用无润滑型自动扶梯，避免润滑油的污染。无重金属污染扶梯。安全；强调安全性的扶梯以移动式裙板扶梯为代表。在扶梯上加装安全毛刷，在出入口设置紧急开关。今后各大电梯厂家除了在节能，环保和安全上研究外，还会向高速方面发展。
11、总之，自动扶梯作为现代文明的一个重要标志之一，其发展水平也体现了当代社会科技进步的方向。13自动扶梯安全控制的必要性 2012年1月29日，一名9岁男孩在北京西单新一代商城独自乘坐自动扶梯时把头探出了扶梯，被夹在扶手和楼板的夹角处身死。 2011年7月5日，北京地铁4号线动物园东南出口一台自动扶梯发生倒转，造成30人受伤1人死亡的惨剧。 2010年12月14日，深圳市地铁一号线国贸站上行5号自动扶梯突发事故，导致10名乘客受伤。 我国近年来频繁发生的自动扶梯事故虽然不是扶梯本身的质量问题，但是也暴露出扶梯存在着安全隐患。扶梯运行过程中，乘客面对的不仅有静止部件，也有运动部件，两者之间的相对运动
12、是产生危险的重要原因。虽然自动扶梯也有很多安全保护开关，但是，这些开关更多的是对设备自身的保护，如扶手带入口开关，梳齿板保护开关，梯级下陷保护开关等，都要人受伤或物损伤坏到一定程度时才能动作，从而使自动扶梯停止。如果能设计一种保护系统，在事故即将发生或已经发生时，将扶梯关闭，尽可能避免或减少伤害。将事故的危害降到最低，也就不会出现将人夹死或夹残或集体受伤的恶性事故。因此设计一种自动扶梯安全检测系统是非常必要的。2 设计流程 此设计是为了实现自动扶梯发生事故时急时有效停止的功能，在有乘客时扶梯自动运行，无乘客时扶梯自动关闭。因为利用双项监测技术乘客在扶梯上的正常交际不会影响扶梯的正常运行。当发生
13、危险时 乘客只需大声呼救，声音检测系统和人体姿势识别系统将信息处理，实现在事故发生后1秒内停止自动扶梯。 所设计的安全检测系统分为三大部分；监测部分，处理部分，控制部分。监测部分有；红外线检测模块，声音检测模块，人体姿势识别模块三个检测模块。处理部分；主要是PLC和单片机。控制部分；继电器和接触器。红外检测模块负责检测扶梯上有无乘客，有责运行，无责停止。声音检测模块和人体姿势识别模块负责扶梯运行全时间段内对乘客的时时检测。处理模块处理检测的信息。控制模块将负责控制电机的运行。几大模块的相互配合共同工作下，达到设计的目的。 模 拟 量 输 入 模 块P L C主 机 信 号 处 理21 自动扶梯
14、安全检测系统原理框图及监测部分原理图检测高分贝求救声音识别乘客危险姿势红 外 检 测 有 无 乘 客继 电 器 断开 无 乘 客 继 电 器 吸 合 有 乘 客 控制输出报警输出复位控制 数 字 量 输 出 模 块 图2.1自动扶梯安全监测系统原理框图 图2.2 监测部分原理图监测部分原理图介绍； 人体红外感应开关SB1 声控开关SB2 人体姿势识别检测开关SB3 控制开关SB4 中间继电器KM1 KM2 交流接触器KM3 语音提示B1 信号灯H1 H2 22人体红外开关模块工作原理及电路图 用热释电红外探头并对探头接收到的微弱信号加以放大，然后驱动继电器，可以制成热释电人体感应开关。它可应用
15、于电灯的节能自动开关、自动门、安全防护、防盗等设备中。人体会发射特定波长红外线. 用专门设计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。这种专门设计的探头只对波长为10m左右的红外辐射敏感，人体都有恒定的体温，一般在37度，会发射10um左右的特定波长红外线，所以除人体以外的其他物体不会引发探头动作。探头内包含两个互相串联或并联的热释电元，而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。一旦人侵入探测区域内，人体红外
16、辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，于是输出检测信号。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，可直接替换面板式开关，无需改动市电线路。图2.3人体红外感应开关外围
17、电路元件说明；PIR感应信号经滤波进入芯片内部进行放大，与基准电压比较,如果判断有触发，运放输出高电平。这时候计时检测电路开始计时，计满一定内部时钟周期，跳变为高（可避免误触发）。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。上图中，R3为光敏电阻，用来检测环境照度。当作为照明控制时，若环境较明亮，R3的电阻值会降低，使9脚的输入保持为低电平，从而封锁触发信号Vs。SW1是工作方
18、式选择开关，当SW1与1端连通时，芯片处于可重复触发工作方式；当SW1与2端连通时，芯片则处于不可重复触发工作方式。输出延迟时间Tx由外部的R9和C7的大小调整，值为Tx24576xR9C7；触发封锁时间Ti由外部的R10和C6的大小调整，值为Ti24xR10C6。23声控开关模块电路原理框图及原理图图2.4声控开关电路图声音信号RC控制门D1延时R8,C3二级整形D3,D4继电器TPLC整形D2 图2.5声控开关原理图24人体姿势识别系统 基于计算机视觉的人体行为分析与识别是一个非常活跃的研究领域，人体行为识别目的在于，在成功实现人体捕捉、特征提取的基础上，通过分析获得的人体行为的特征参数，
19、自动识别人体行为类型。人体行为识别 技术在智能监控、高级人机交互、运动分析等方面都具有重要的意义和广 阔的应用前景2。(1)智能监控 智能监控系统主要应用于那些对安全要求敏感的场合，如银行、商店、停车场等。目前监控摄像机在商业应用中已经普遍存在，但其仅仅是被动的记录下已发生的情况，智能化程度还有待提高。智能的监控系统不仅能够在一定程度感知环境中敏感事件的发生，并且能够做出正确的理解，如能够辨别出犯罪事件或危险分子，在第一时间内向有关机构发出警告。在访问控制(Access Control)场合，也可以利用人脸或者步态的跟踪识别技术以便确定来人是否有进入该安全领域的权利。除了安全方面的应用外，智能
20、监控还可用来测试公共场所人群的拥塞，购物场所消费者的人口统计等。具体到本课题基于人体姿势分析的智能监控系统研究，智能监控系统可以监控人体的身体姿势，在人体摔倒时，可以自动向值班人员报警，提示医护人员及时处理。该系统一方面降低了医护人员的工作负担，另一方面也为病人的及时救护提供了宝贵的时间。 (2)运动分析 人体运动分析的高级阶段是运动识别，也是不可缺少的一部分。对人体运动进行分析识别，可以应用到很多方面。在体育方面，体育运动识别可以用于创建个性化训练系统，用于体育运动视频的自动分析、评判，提供科学直观的辅助分析手段，加速数字化体育运动训练进程。 在医学方面，可以作为一种辅助的诊断手段。如医学步
21、态分析旨在提供诊断和治疗支持，通过将病人的步态与对正常步态比较、分析，可为病人提供诊断的依据。 (3)高级人机交互 在未来的人机交互中，我们希望机器能像人一样，将视觉信息作为语音和自然语言的有效补充来完成更加智能化的人机交互。这就需要计算机除了传统的键盘鼠标外，还具备独立感知外部环境的能力，提取环境中的有效信息(如检测到人的存在)，并进一步进行人体姿势的识别和行为理解6,7。如我们现在通过鼠标和键盘完成和计算机的交互工作，微软公司展示了智能化的计算机操作系统，不再需要鼠标和键盘，使用者只需要通过语音和身体的运动姿势(如手势、面部表情和眼球的运动方式)就能完成人机交流。 3 检测系统的信号收集3
22、1热释电红外传传感器原理及应用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。红外线简介，其波长比可见光长的电磁波，波长在1毫米到770纳米之间，在光谱上位于红色光外侧。具有很强热效应，并易于被物体吸收，通常被作为热源。透过云雾能力比可见光强。在通讯、探测、医疗等方面有广泛的用途。 俗称红外光。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。早在1938年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直
23、到六十年代，随着激光、红外技术的迅速发展，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器，它可以作为红外激光的一种较理想的探测器。它正在被广泛的应用到各种自动化控制装置中。除了在我们熟知的搂道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域应用前景看好。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机。电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的机构。开启监视器或自动门铃上的应用。结合摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等等最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件，红外传感器就是其中的一种。随着现代科学技
24、术的发展，红外线传感器的应用已经非常广泛，下面结合几个实例，简单介绍一下红外线传感器的应用。人体热释电红外传感器和应用介绍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10UM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，电后续电路经检验处理后即可产生报警信号。热释电人体红外线传感器（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。热释电效应同压电效应类似，是
25、指由于温度的变化而引起晶体表面荷电的现象。热释电传感器是对温度敏感的传感器。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
26、(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。32声音信号收集电路顾名思义，声控延时开关就是用声音来控制开关的“开启，若干分钟后延时开关“自动关闭。因此，整个电路整个电路的功能就是将声音信号处理后，变为电子开关的开动作。明确了电路的信号流程方向后，即可依据主要元器件将电路划分为若干个单元。仿真电路原理如图3.1所示。在仿真当中，由于仿真软件的不熟，声音输入部分我们用开关代替，同样电容C2具有通交流阻直流的作用，由于声音输入相当于一个正弦信号输入。所以在仿真中，我们把麦克风用导线代替，电容也用开关代替。当外界有声音发出时，开关闭合，可使三极管VT瞬间截止，集成电
27、路A的2脚便通过电阻器R4连接12V电压正极，又因A的一脚在晚上也是高电压，便相继使A的3脚输出低电压，5脚和6脚也为低电压，4脚则输出高电压。该电压经二极管VD1正偏导通，向电容器C2充电，又使A的8脚和9脚为高电压，继续控制A的10脚输出低电压，12脚和13脚为低电压，11脚输出高电压。使三极管导通，便使继电器工作，开关闭合。 当外界没有声音发出时，开关断开，三极管输入到集成电路A的2脚一个低电平。又因A的一脚在晚上也是高电压，便相继使A的3脚输出高电压，5脚和6脚也为高电压，4脚则输出低电压。该电压经二极管VD1正偏导通，又使A的8脚和9脚为低电压，继续控制A的10脚输出高电压，12脚和
28、13脚为高电压，11脚输出低电压。三极管不工作，继电器无法产生电流，继而无法导通开关，图3.1声控开关信号收集电路4 人体红外集成控制电路详解虽然被动式热释电红外探头有些缺点，但是利用特殊信号处理方法后，仍然使它在某些领域具有广阔的应用前景。因此，有很多生产商根据PIR传感器的特性设计了专用信号处理器，比如HOLTEK HT761X、PTI PT8A26XXP、WELTREND WT8072,BISS0001。图3.4阴影部分是PIR信号处理部分，有两个运算放大器、一个窗口比较器、一个稳压器、一个系统振荡器和一个逻辑控制器。其它是依赖处理结果的控制部分，这里重点介绍PIR信号处理部分，控制部分
29、就简单略过。 由于PIR 信号变化缓慢、幅值小，针对该特点，专用信号处理器一般分为三步。a）滤波放大普通PIR传感器输出信号幅值一般都很小，大约几百微伏到几毫伏，为了后续电路能作有效的处理，考虑到传感器的信噪比，通常取增益72.5dB，通带0.3Hz7Hz。同时，由于是处理模拟小信号，所以为了保证放大器的工作稳定可靠，电路中特别集成了一个稳压器用于给传感器、放大器和比较器供电。b）窗口比较器经过放大后的信号通过窗口比较器后检出满足幅值要求的信号后，再转换成一系列数字脉冲信号。c）噪声抑制数字信号处理根据对人体运动特点以及传感器的特性的长期研究，用固定时间内计脉冲个数和测脉冲宽度的方法来甄别有效
30、的人体信号，这里由系统振荡器提供时钟源（16kHz）。 图4.1 人体感应开关方框图图4.2热释电红外探头4 .1运算放大器集成运算放大器（简称运放）是一种高电压放大倍数的直接耦合放大器。它工作在放大区时，输入和输出呈线性关系，所以它又被称为线性集成电路集成运放是一种高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大电路1集成运放的性能指标1）开环差模电压放大倍数 Aod它是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压的放大倍数。2）最大输出电压 Uop-p它是指一定电压下，集成运放的最大不失真输出电压的峰-峰值。3）差模输入电阻rid它的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流的大小。
31、要求它愈大愈好。4）输出电阻 rO它的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力。5）共模抑制比 CMRR它放映了集成运放对共模输入信号的抑制能力，其定义同差动放大电路。CMRR越大越好。2集成运放的组成它有四部分组成：1）偏置电路:偏置电路是提供各级静态工作电流的;2）输入级：其作用是提供与输出端成同相关系和反相关系的两个输入端,为了抑制零漂，采用差动放大电路3）中间级：其作用是提供较高的电压放大倍数;为了提高放大倍数，一般采用有源负载的共射放大电路。4）输出级：其作用是提供一定的电压变化和电流变化;为了提高电路驱动负载的能力，一般采用互补对称输出级电路。4 .2振荡器 振荡电路在测量,自动
32、控制,通信,无线电广播和遥控等许多领域中有着广泛的应用,甚至在收音机 电视机 和电子表等日常生活用品中也离不开它.振荡电路包括正弦波振荡电路和非正弦波振荡电路,它们不需要输入信号便能产生各种周期性的波形,如:正弦波,方波,三角波和锯齿波等.因为本课题涉及到系统时钟和定时电路,所以现介绍一下非正弦波振荡电路:矩形波振荡电路矩形波有两种,一种是输出电压处于高电平时时间TH和输出电压处于低电平的时间TL不相等,另一种是二者相等.人们常把TH= TL的矩形波称为方波.下面介绍方波发生电路.方波发生电路的构成我们可选择滞回比较器作为开关，用电阻与电容相串联的RC电路作为具有延迟作用的反馈网络，构成如图4
33、.3所示。它的右边是滞回比较器，起开关作用；他的左边是RC电路，起反馈和延时作用。图4.3滞回比较器滞回比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定的状态。设接通电源时刻电容两端的电压UC=0，滞回比较器的输出电压U0=+UZ，则集成运放同相输入端此时的电位为 U+ =R2/R2+R3（+UZ）而U0=+UZ时电容充电，使集成运放反向输入端的电位U-（它等于UC）由零逐渐上升。在U-低于U+以前，U0=+UZ不变。当U-上升到略高于U+时，U0从高电平跳变为低电平，即变为-UZ。 当U0=-UZ时，U+=R2/R2+R3（-UZ），同时电容经R1放电，使U-逐渐下降。在U-高于U+以前，U0=-UZ
34、不变，当U-下降到略低于U+时，U0从-UZ跳变为+UZ，又回到初始状态。如此周而复始，产生振荡，输出方波。振荡周期。由图可知，UC的值从T1时刻的R2/R2+R3（UZ）下降到T2时刻的-R2/R2+R3（UZ）所需要的时间就是振荡周期的一半，即而UC的变化规律就是简单的RC充放电规律。不难看出这里RC充放电的三要素是：1）时间常数=R1C2）在T1时刻UC的初始值是R2/R2+R3（UZ）3）若T=，UC的终了值是-UZ。根据一阶RC电路的三要素法可得UC=（-UZ-R2/R2+R3（UZ）（1-e（-t/R1C）+R2/R2+R3（UZ）其中T=T-T1，且T1TT2。当T=T/2时，U
35、C=-R2/R2+R3（UZ），将这些条件代如上面的式，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)通常将矩形波为高电平的时间与周期时间之比称为占空比。方波的占空比为50%。如果需要产生占空比小于或大于50%的矩形波，可以利用电容充电的时间常数与放电的时间常数不相等。利用二极管的单向导电性可以使电容充电与放电回路不同，因而可使电容充电与放电的时间常数不同。 内部振荡器外接振荡电阻器引脚，个别需外接RC振荡元件，此时外接的电阻器或电容器便可作为时间的调整元件。也有的集成电路将振荡元件
36、全部集成在芯片内部，不需要外接元器件，这时振荡频率就无法外调节。4 .3电压比较器电压比较器的功能：比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系)。电压比较器的作用：它可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形产生和变换电路等。注：电压比较器中的集成运放通常工作在非线性区。及满足如下关系：U-U+ 时 UO=UOL U-U+ 时 UO=UOH简单电压比较器： 我们把参考电压和输入信号分别接至集成运放的同相和反相输入端，就组成了简单的电压比较器。 图4.4 电压比较器及输出特性它的传输特性分析：它表明：输入电压从低逐渐升高经过UR时，uo将从高电平变为低电平。相反，
37、当输入电压从高逐渐到低时，uo将从低电平变为高电平。阈值电压：我们将比较器的输出电压从一个电平跳变到另一个电平时对应的输入电压的值。它还被称为门限电压。简称为：阈值。用符号UTH表示简单的电压比较器结构简单，灵敏多高，但是抗干能力差，因此我们就要对它进行改进。改进后的电压比较器有：滞回比较器和窗口比较器。简单比较器和回滞比较器有一个共同的特点,即U1单方向变化时,U0只跳变一次,因而只能检查一个电平.如果要判断U1是否在某两个电平之间,则应采用窗口比较器.电路构成 窗口比较器的主要特点是输入信号单方向变化(例如从足够低单调升高到足够高)可使输出电压跳边两次。他形似窗口,故具有这种传输特性的比较
38、器,成为窗口比较器.将他与反相简单电压比较器,同相简单电压比较器比较,我们发现,可用两个阀值不同的简单比较器构成窗口比较器,阀值小的简单比较器采用反相输入接法,阀值大的简单比较器采用同相输入接法,再用具有单向导电性的二极管将两个简单比较器的输出引到同一点,作为窗口比较器的输出端.。4 .4集成电路芯片BISS0001热释电红外控制集成电路采用标准的 DIP16脚塑封结构，内部由系统时钟、两级运放、电压比较器、检测器、计时器、过零检测器及输出控制电路等组成。BISS0001是一款高性能的传感信号处理集成电路。静态电流极小，配以热释电红外传感器和少量外围元器件即可构成被动式的热释电红外传感器。广泛
39、用于安防、自控等领域能。特点:a）灵敏度高，内置两级增益可调运放电路及温度补偿电路，这种电路能抑制如热气团流所产生的红外干扰，误报率低，探测距离达10以上。b）控制时间可调。c）有两种输出信号，可驱动双向可控硅或继电器。d）内置稳压器输出 3.1基准电压直接驱动PIR。e）外接CDS传感器，白天抑制输出。f）工作电压4.0-5.5V，工作电流1。g）对于交流供电的控制电路设计有过零检测控制，使被控负载的接通与断开均处于交流电的过零点，这不仅可以减弱对负载的电流冲击，同时也消除了开关器件对电源的干扰，降低对电源的污染。h）外接RC振荡元件，便于调整输出控制的时间长短。图4.5管脚图引脚 名称 I
40、/O 功能说明 可重复触发和不可重复触发选择端。当A为“1”时1 A I 允许重复触发；反之，不可重复触发2 V0 O 控制信号输出端。由VS的上跳前前沿触发，使Vo输出从 低电平跳变到高电平时视为有效触发。在输出延迟时间 Tx之外和无VS的上跳变时，Vo保持低电平状态3 RR1 - 输出延迟时间Tx的调节端4 RC1 - 输出延迟时间Tx的调节端5 RC2 - 触发封锁时间Ti的调节端6 RR2 - 触发封锁时间Ti的调节端7 VSS - 工作电源负端8 VRF I 参考电压及复位输入端。通常接VDD，当接“0”时可使定 时器复位 9 VC I 触发禁止端。当VcVR时允许触发(VR0.2V
41、DD10 IB - 运算放大器偏置电流设置端11 VDD - 工作电源正端12 2OUT O 第二级运算放大器的输出端13 2IN- I 第二级运算放大器的反相输入端14 1IN+ I 第一级运算放大器的同相输入端图4.6管脚说明工作原理:BISS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。以下图所示的不可重复触发工作方式下的波形，来说明其工作过程。 不可重复触发工作方式下的波形。图4.7不可重复触发方式4.5可控硅1单向可控硅简介可控硅是一种无触点可控开关,它将半导体器件的应用从弱电领域扩展到强电领域,在自动控制电路如调光,调
42、温,调速,调频中都有广泛应用.可控硅是硅晶体闸流管的俗称,简称晶闸管.可控硅常用的类型有:单向型,双向型.单向可控硅由P型和N型半导体四层交替叠合而成.他有三个电极:阳极A(从外层P型半导体引出),阴极K(从外层N型半导体引出),门级G(从内层P型半导体引出)导通。让门极相对阴极成正极性，使产生门极电流，闸流管立即导通。当门极电压达到阀值电压VGT，并导致门极电流达到阀值IGT，经过很短时间tgt（称作门极控制导通时间）负载电流从正极流向阴极。假如门极电流由很窄的脉冲构成，比方说1s，它的峰值应增大，以保证触发。当负载电流达到闸流管的闩锁电流值IL 时，即使断开门极电流，负载电流将维持不变。只
43、要有足够的电流继续流动，闸流管将继续在没有门极电流的条件下导通。这种状态称作闩锁状态。注意，VGT，IGT 和IL 参数的值都是25下的数据。在低温下这些值将增大，所以驱动电路必须提供足够的电压、电流振幅和持续时间，按可能遇到的、最低的运行温度考虑。灵敏的门极控制闸流管，如BT150，容易在高温下因阳极至阴极的漏电而导通。假如结温Tj 高于Tjmax ,将达到一种状态，此时漏电流足以触发灵敏的闸流管门极。闸流管将丧失维持截止状态的能力，没有门极电流触发已处于导通。要避免这种自发导通，可采用下列解决办法中的一种或几种：1）确保温度不超过Tjmax。2）采用门极灵敏度较低的闸流管，如BT151，或
44、在门极和阴极间串入1k或阻值更小的电阻，降低已有闸流管的灵敏度。3）若由于电路要求，不能选用低灵敏度的闸流管，可在截止周期采用较小的门极反向偏流。这措施能增大IL。应用负门极电流时，特别要注意降低门极的功率耗散。要断开闸流管的电流，需把负载电流降到维持电流IH 之下，并历经必要时间，让所有的载流子撤出结。在直流电路中可用“强迫换向”，而在交流电路中则在导通半周终点实现。（负载电路使负载电流降到零，导致闸流管断开，称作强迫换向。）然后，闸流管将回复至完全截止的状态。假如负载电流不能维持在IH 之下足够长的时间，在阳极和阴极之间电压再度上升之前，闸流管不能回复至完全截止的状态。它可能在没有外部门极电流作用的情况下，回到导通状态。注意，IH 亦在室温下定义，和IL 一样，温度高时其值减小。所以，为保证成功的切换，电路应充许有足够时间，让负载电流降到IH 之下，并考虑可能遇到的最高运行温度。2 双向可控硅 结构如图4.5由NPNPN五层半导体叠合而成。它实质上也可看成是由一个控制极的两只反向并联的单向可控硅构成。它有三个电极：控制极G、主电极T1 和T2 ，T1 和T2 无阴阳极之分。 工作特点：双向可控硅的主电极T1 、T2 无论加正向还是反向电压，其控制极G的触发信号无论是正向还是反向，它都能被触发导通。 图4.8
