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1、题 目 热释电远红外人体接近开关设计 摘 要红外线感应开关的原理，采用热释电红外探头（PT8A2621）将接收到的微弱信号加以放大，然后驱动继电器，制成红外热释电感应开关。本开关能探测来自移动人体的红外辐射，只要人体进入探测区域，开关会自动开启。该设计可作为企业、宾馆、商场及住宅的走廊、楼梯、电梯间、卫生间、库房等处的自动开关，起到“人来灯自亮，人走灯自灭”的作用，既新颖方便，又节约用电，在某些场所还能起到威慑盗窃活动的防范作用。本设计结构简单，本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，价格低廉，隐蔽性好，应用范围广，所以可以通过扩展而达到实际的应用。关键词：红外线；感应开关；红外辐射；探测区域
2、目 录1 设计目的11.1设计的背景与目的11.2热释电红外感应开关简述12 设计任务与要求22.1设计任务22.2设计要求23 设计步骤及原理分析33.1设计方法33.1.1人体热释电红外线传感器的基本结构和原理33.1.2热释电红外线传感器的优缺点53.2设计步骤63.2.1概述63.2.2运算放大器73.2.3集成运放的性能指标73.2.4集成运放的组成83.2.5集成电路芯片83.3设计原理分析103.3.1单向可控硅简介103.3.2双向可控硅114 总结体会：135 参 考 文 献14 设计目的1.1设计的背景与目的由于我国在新能源研发方面处于落后局面，目前市场上的普通船型开关、拉
3、线开关占据着灯具开关市场的主要位置。然而由于许多不可控因素的出现及人们日常习惯所限，造成了大量的电能的浪费。这种现象在我们的生活中随处可见。空无一人的教室十多盏日关灯依然亮着，非常安静的楼道内灯火通明，卫生间无人使用却不熄灭灯光全国每年因此而损耗的电能可以以亿度计量，同时因灯具使用时间的过长，也缩短了灯具的使用寿命，频繁的更换灯具也造成了人力，财力的大量浪费。近十年以来，我国建筑体系的不断发展，也对照明系统提出了更高的要求。随着大量采用电子技术的家用电器面市, 住宅电子化出现。近几年楼宇智能化又飞速发展起来，其中实现自动照明系统可以减少电能浪费成为实现现代化住宅的重要一笔。本课程设计从实际出发
4、，准备对红外线楼道自动照明系统进行探索，随着现代化的发展,工业,农业,商业,教育等等行业的用电量都大幅度增加,在这种情况下电能的浪费成为人们普遍关注的问题。1.2热释电红外感应开关简述普通人体会发射10um左右的特定波长红外线，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，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
5、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处理后，可以推动适当的负载，此乃人体红外自动开关。它要求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。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，无需改动市电线路。2系统设计任务与要求2.1设计任务照明控制系统是以照明配电
6、箱通过手动开关来控制照明灯具的通断，或通过回路中串入接触器，实现远距离控制。传统的照明电路只是为灯提供一定的电压使其发光,这种灯只是人为控制,具有很大弊端,特别是在一些集体工作地,比如说,工厂,公司,学校等.而今出现的建筑物自控(BA)系统，是以电气触点来实现区域控制、定时通断、中央监控等功能。2.2设计要求该电路的主要元件是热释电红外传感器，因其抗干扰性好、探测灵敏度高、工作温度范围宽等优点被广泛应用于防盗报警、自动门、感应灯、自动水阀、自动马达控制等工业和生产领域 。BISS0001是专为热释电红外传感器（PIR）配套设计的集成电路，采用 CMOS工艺制造，具有性能指标高、一致性好、功耗低
7、、外围电路简单、安装调试方便、工作可靠性高等优点（整体电路设计如图2-1所示）。图2-1 整体电路图的设计上图中，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。3 设计步骤及原理分析3.1设计方法传感器是将感受的物理量、化学量等信息
8、，按一定规律转换成便于测量和传输的电信号的装置。电信号易于传输和处理，所以大多数的传感器是将物理量等信息转换成电信号输出的。3.1.1人体热释电红外线传感器的基本结构和原理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。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，后续电路经检验处理后即可产生报警信号
9、。人体热释电红外线传感器（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。热释电传感器是对温度变化敏感的传感器。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
10、体或者动物的活动传感。当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度，图3-1表示了热释电效应形成的原理。能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件，其常用的材料有单晶(LiTaO3 等)、压电陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）悬浮电荷温度变化热平衡条件TK极化温度变化造成极化T+ TK热能图
11、3-1 热释电效应的形成原理热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当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会产生电荷Q，即在两电极之间产生一微弱电压V。由于它的输出阻抗极高，所以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会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，T=0，传感器无输出。当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生T，则有信号输出；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，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。传感器主要有外壳、滤光片、
12、热释电元件PZT、场效应管FET等组成。其中，滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。滤光片为6mm多层膜干涉滤光片，对太阳光和荧光灯光的短波长（约5mm以下）可很好滤除。热释电元件PZT将波长在8mm-12mm之间的红外信号的微弱变化转变为电信号，为了只对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅耳滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。3.1.2热释电红外线传感器的优缺点不同于主动式红外传感器，被动红外传感器本身不发任何类型的辐射，隐蔽性好，器件功耗很小，价格低廉。 但是，被 动式热释电传感器也有缺点，如：1）信号幅度小，容易受各种热源、光源干扰；2）被动红外穿透力差，人体的
13、红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收；3）易受射频辐射的干扰；4）环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵；5）被动红外探测器的主要检测的运动方向为横向运动方向，对径向方向运动的物体检测能力比较差抗干扰性能： 1）防小动物干扰 探测器安装在推荐地使用高度，对探测范围内地面上地小动物，一般不产生报警。 2）抗电磁干扰 探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408中4.6.1要求，一般手机电磁干扰不会引起误报。 3）抗灯光干扰 探测器在正常灵敏度的范围内，受3米外H4卤素灯透过玻璃照射，不产生报警。 红外线热释电传感器的安装要求：红外线热释电人体传感器只能安装在室内，其误报率与
14、安装的位置和方式有极大的关系.。正确的安装应满足下列条件： 1）红外线热释电传感器应离地面2.0-2.2米。 2）红外线热释电传感器远离空调, 冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。 3）红外线热释电传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。 4）红外线热释电传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引 起误报，有条件的最好把窗帘拉上。红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方。 3.2设计步骤3.2.1概述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，
15、比如HOLTEK HT761X、PTI PT8A26XXP、WELTREND WT8072,BISS0001。图3.2.1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，控制部分就简单略过。图3.2.1PIR信号处理部分电路图由于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处理，具体处理步骤如下：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0.3Hz7
16、Hz。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的人体信号，这里由系统振荡器提供时钟源（16kHz）。 比较器分压电路隐压器系统振荡器定时振荡器噪声抑制控制电路锁定电路模式及CDS控制电路输出驱动上电复位过零触发OP2OOP2NOP2POP1POP1NOP1O VEESOCSOSCDCDSMODEO
17、UTRESTZC图3-2 人体感应开关方框图 3.2.2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。3.2.3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。要求它愈大愈好。4）输出电阻 r它的大小反映了
18、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3.2.4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。 3.2.5 集成电路芯片BISS0001热释电红外控制集成电路采用标准的 DIP
19、16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
20、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3-5 管脚图表3-2管脚说明引脚名称I/O功能说明1AI可重复触发和不可重复触发选择端。当A为“1”时，允许重复触发；反之，不可重复触发2VOO控制信号输出端。由VS的上跳前沿触发，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3RR1-输出延迟时间Tx的调节端4RC1-输出延迟时间Tx的调节端5RC2-触发封锁时间Ti
21、的调节端6RR2-触发封锁时间Ti的调节端7VSS-工作电源负端8VRFI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9VCI触发禁止端。当VcVR时允许触发(VR0.2VDD)10IB-运算放大器偏置电流设置端11VDD-工作电源正端122OUTO第二级运算放大器的输出端132IN-I第二级运算放大器的反相输入端141IN+I第一级运算放大器的同相输入端151IN-I第一级运算放大器的反相输入端161OUTO第一级运算放大器的输出端工作原理: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
22、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3-6 不可重复触发方式3.3设计原理分析3.3.1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,调温,调速,调频中都有广泛应用.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
23、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
24、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。 3.3.2双向可控硅 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
25、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。 导通：和闸流管不同，双向可控硅可以用门极和MT1 间的正向或负向电流触发。（VGT，IGT 和IL 的选择原则和闸流管相同，见规则1）因而能在四个“象限”触发，如图3-7 所示。图3-7 双向可控硅触发象限在负载电流过零时，门极用直流或单极脉冲触发，优先采用负的门极电流，理由如下。若运行在3+象限，由于双向可控硅的内部结构，门极离主载流区域较远，导致下列后果：1）高IGT - 需要高峰值IG。2）由IG 触发到负载电流开始流动，两者之间迟后时间较长 要求IG 维持较长时间。3）低得多的dIT/dt
26、 承受能力 若控制负载具有高dI/dt 值（例如白炽灯的冷灯丝），门极可能发生强烈退化。4）高IL 值（1-工况亦如此）对于很小的负载，若在电源半周起始点导通，可能需要较长时间的IG，才能让负载电流达到较高的IL。在标准的AC 相位控制电路中，如灯具调光器和家用电器转速控制，门极和MT2 的极性始终不变。这表明，工况总是在1+和3-象限，这里双向可控硅的切换参数相同。这导致对称的双向可控硅切换，门极此时最灵敏。这是从双向可控硅的V/I 特性图导出的代号。正的MT2相应正电流进入MT2，相反也是（见图3-8）。实际上，工作只能存在1 和3 象限中。上标+和-分别表示门极输入或输出电流。图3-8
27、双向可控硅V/I特性曲线（象限1、3导通）本为零时，V1才截止。当电源为负半周时，重复上述过程。如此循环，电热毯的温度就逐渐升高。调节RP，改变C3充电快慢，即可改变V1的导通角，也即改变了RL的通电时间，因而实现了调温。（ND指示灯、LC1高频滤波、R2C2保护电路）。总结体会这次设计涉及到许多模拟,数字电路和电子线路的知识，相当为自己做了次复习.也学到了许多课本上学不到的知识，将自己学到的理论知识与实际相结合。由于是初次做课程设计,在整个过程中也存不少问题,碰到问题是件麻烦的事,但解决问题本身又是充满乐趣的.参 考 文 献1. 赵保经，中国集成电路大全M.北京：国防工业出版社，1985。2. 高吉祥，电子技术基础实验与课程设计M.西安：电子工业出版社，2002。3.杨宝清、宋文贤 .实用电路手册M.南京：机械工业出版,2002 4. 杨文龙编.单片机原理及应用M.西安:西安电子科技大学出版社,2005 5.彭介华.电子技术课程设计M.北京：高等教育出版社,2003.
