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1、本科生毕业设计报告 课 题： 展览馆橱窗用LED光控电路的设计 作 者： 2012 年03 月02 日展览馆橱窗用LED光控电路的设计 摘 要设计了一种用于展览馆橱窗的光控系统。系统由被动型热释电红外传感器、555时基电路、PT4115 LED恒流驱动电路组成。该设计具有造价低、重量轻、体积小、节省能源、延长灯具使用寿命、光强调整方便、便于维护的特点。关键词：热释电红外传感器；BISS0001；PT4115；功率LED；555定时器The Design for Exhibition Hall Display Windows of the LED Electric CircuitAbstract
2、: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,
3、easy to adjust the intensity of light and easy to maintain.Keywords: Pyroelectric Infrared Sensors; BISS0001; PT4115; Power LED; 555 Timer目 录第一章 概述3一、本课题研究的主要内容3二、本课题研究的意义3第二章 热释电红外传感器4一、热释电红外传感器的原理4二、热释电红外传感器的应用前景5第三章 热释电红外传感器调理电路6一、BISS00016二、BISS0001工作参数（Vss=0 V）6三、热释电红外控制电路7第四章 功率LED驱动电路8一、恒流驱动P
4、T4115芯片简介8（一）PT4115概述8（二）PT4115特点10（三）PT4115工作原理10（四）PT4115参数11二、PT4115芯片使用的注意事项11第五章 低光亮调光电路12一、555定时器12二、555多谐振荡器12第六章 硬件制作及调试14第七章设计中容易出现的问题14一、555引脚编号顺序14二、二极管极性14三、三极管基极、集电极及发射极的位置14四、可调电阻的使用14五、PT4115芯片引脚14致谢15参考文献15附录16电路原理图16第一章 概述一、本课题研究的主要内容设计了一种用于展览馆橱窗的光控系统。系统由被动型热释电红外传感器、555时基电路、PT4115 L
5、ED恒流驱动电路组成。该设计具有造价低、重量轻、体积小、节省能源、延长灯具使用寿命、光强调整方便、便于维护的特点。因为功能全部由硬件实现，无需编程，所以较之单片机控制调光的方案而言，构造成本和维修成本都较低。主要设计思想是：当展位附近有参观者到来时，利用红外热释电传感器D203S，将人体接近信号转换成电压信号，通过专用集成电路BISS0001处理、放大，控制LED驱动电路使功率LED发出高亮光，便于观展；当展位附近没有参观者时，由555定时器构成占空比可调的多谐振荡器，控制LED驱动电路使功率LED发出低亮光，以提示远处的参观者，此处有展品展示。系统框图如图1-1：图1-1系统框图二、本课题研
6、究的意义随着时代的不断进步，LED照明成为全球节能的主流，而大功率LED照明更是今后世界的照明发光系统的主流趋势。大功率LED具有亮度高、节能环保、安全性和稳定性高等特点，比传统光源节电60%70%。传统的光控延时控制器能实现对灯的控制，在光线黑暗或晚上来临时，有效实现“人来灯亮，人去灯熄”，但由于其开关用的是继电器之类的机械控制器，所以在人流量多的地方由于频繁的开关，较容易损坏。本课题设计了可应用于展览馆橱窗等场所的智能照明系统。恒流驱动采用PT4115芯片，LED作为新一代的照明光源有着极其光明的发展前景，因此对LED驱动电路的研究有重要的理论意义和应用价值。此外，被动式热释电红外探测器也
7、以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎。这种热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号。用它制作的光控电路与目前市场上销售的相比，具有如下特点：（1）不需要用红外线或电磁波等发射源（2）灵敏度高、控制范围大（3）隐蔽性好，可流动安装。第二章 热释电红外传感器一、热释电红外传感器的原理热释电传感器的工作原理大致可以用以下三个部分来阐述：1) 将外界辐射转化为自身热能的吸收阶段。2) 将吸收的热能用以提升温度的升温阶段。3) 将热信号转化为电信号的测温阶段。对于特定的响应元的热释电电流，若辐射的角频率为定值，那么。热释电电流的大小仅与感受的辐
8、射功率大小成正比。同步变化于辐射功率。从结构上来看，热释电传感器是利用两个特征一致的热电元反向串联接成差动平衡电路，那它引入场效应管的目的就是为完成相应的阻抗变换。由于热电元输出的是电荷信号，所以要引入N沟道结型场效应管接成共漏形式，以完成阻抗变换。热释电红外传感器是基于热电效应原理的热电型红外传感器。热释电红外传感器的热电系数高，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰，该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化
9、，并将其转换为电信号输出。热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用，因而需要用电阻将其转换为电压形式，该电阻阻抗高达104 M，故引入的N沟道结型场效应管应接成共漏形式（即源极跟随器）来完成阻抗变换。热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电，对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。图2-1结构示意图图2-1是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。使用时D端接电源
10、正极，G端接电源负极，S端为信号输出。该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。对于辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号。制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为0.220m。为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。二、热释电红外传感
11、器的应用前景1) 尽量避免阳光盲射。2) 防止传感器周围冷或热气流的骤然变化。3) 避开热源。4) 在使用过程中，应该保持探测器工作表面的清洁。5) 在安装调试时，还应注意防止静电损坏传感器。6) 当输出信号线较长时，应使用屏蔽线。总而言之，由于热释电传感器的稳定性能，以及其十分容易改变的中心波长，在各种“开关型”器件开发中得到了广泛应用。但是，在定量的测量过程中，考虑到精度问题，热释电传感器又暴露出一定的不足。由于这种形式的测温系统具有灵敏度高，抗干扰能力强，不但有可能取代现有的热电堆式高温计和光学高温计，而且其测量的下限也拓展到常温。所以，在红外测温等方面，这种测温系统具有其它类型测温系统
12、无法比拟的优点，发展前景良好。第三章 热释电红外传感器调理电路一、BISS0001BISS0001是一款具有较高性能的传感器信号处理集成电路。它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。BISS0001是热释电红外控制专用集成电路，其内部由输入放大器、双向限幅器、状态控制器、延时定时器、锁存定时器和基准电源等电路组成，如图3-1所示：图3-1BISS0001内部电路二、BISS0001工作参
13、数（Vss=0 V）电源电压：-0.5 V 6 V输入电压范围：-0.5 V +6 V（VDD=6 V）各引出端的最大电流：10 mA（VDD=5 V）工作温度：-10 C +70 C存放温度：-65 C +150 C三、热释电红外控制电路该热释电红外控制开关电路由热释红外传感器 (PIR)、热释电红外控制电路、光控电路（本设计中未用）和控制执行电路组成，它在检测到人体发射的红外传感器信号后在输出端输出高电平。应用电路如图3-2所示：图3-2应用电路热释电红外传感器应与菲涅尔透镜配合使用，才能提高灵敏度。在热释电红外传感器未检测到人体红外线信号时，IC的2脚输出低电平，Vo处于截止状态（低电平
14、）。当有人在热释电红外传感器的有效检测区域内活动时，热释电红外传感器将接收到人体发出的红外信号，并将其转变成微弱的脉冲电压信号，此电压信号经IC内电路二级放大、鉴幅处理及定时控制后，从2脚输出控制高电平。在电路的工作场所，当有参观者陆续到达展位时，灯光应保持高亮，所以应该允许重复触发，即1脚开关置高电平。输出延时时间设计：由公式TX49152R1C1，取R1为1 K，C为0.47 uF，则Tx为23 S左右。不需要触发封锁时间，可直接将5、6脚连接。第四章 功率LED驱动电路大功率LED是低电压、大电流的发光器件，其发光强度由流过LED的电流决定。电流过强会引起LED光强的衰减，从而降低寿命；
15、电流过弱会影响LED的发光强度。因此功率LED需要恒流驱动，选择好的LED驱动IC至关重要，没有好的驱动IC匹配，功率LED照明的优势将无法体现。一、恒流驱动PT4115芯片简介（一）PT4115概述PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，用于驱动一颗或多颗串联LED。PT4115输入电压范同从8 V30 V，输出电流可调，最大可达1.2 A。根据不同的输入电压和外部器件，PT4115可以驱动高达数十瓦的LED。PT4115内置功率开关，采用高端电流采样设置LED平均电流，并通过DIM引脚可以接受模拟调光和很宽范围的PWM调光。当DIM的电压低于0.3 V时，功率开关关断，PT41
16、15进入极低工作电流的待机状态。目前，市场上已经有多种型号的LED驱动IC，如Zetexl350、谱诚CPTC6903等。本电路设计中选取了PT4115，它相比于其它LED驱动IC有三大优势：一是DIM调光由高向低调光，安全可靠；二是内部设置了过温保护功能(TSD)以保证系统稳定可靠工作；三是采用频率抖动技术有效降低EMI，从而减小电磁干扰。部分电路如图4-1所示：图4-1基本电路PT4115有SOT89-5封装和ESOP8封装，本设计使用SOT89-5。封装的引脚图如图4-2所示： 图4-2封装引脚图内部电路图如图4-3：图4-3内部电路图LED的最大平均电流由连接在VIN和CSN两端的电阻
17、决定的，通过在DIM管脚加入PWM信号调小输出电流以实现调光。IOUT =0.1/Rs(Rs即VIN和CSN两端的电阻)。PT4115芯片的DIM引脚可用PWM调光实现输出电流从0%100%的调整，根据此特点，设计了光控的智能调光模块。LED的亮度由PWM信号的占空比决定的。为保证最大的效率及性能，二极管选择快速恢复、低正向压降、低寄生电容、低漏电的肖特基二极管。本设计中调光的信号来自二路：一路是由555定时器构成占空比可调的多谐振荡器，控制低光光亮；另一路来自BISS0001，控制高光光亮。二路信号为或的关系。采用1 W的功率LED，其额定电流是300 mA，额定电压是3 V，用了三颗LED
18、，所以用串联接入方式，直流电源需要10 V以上（不超过30 V），由此计算出Rs值为0.33，实际取三支功率为1 W的1 电阻并联。（二）PT4115特点1) 极少的外部元器件2) 很宽的输入电压范围：从8 V 到30 V3) 最大输出1.2 A的电流4) 复用DIM引脚进行LED开关、模拟调光和PWM调光5) 5%的输出电流精度6) LED开路自然保护7) 高达97%的效率8) 输出可调的恒流控制方法9) 内部含有抖频特性，极大的改善EMI（三）PT4115工作原理PT4115和电感（L）、电流采样电阻（RS）形成一个自振荡的连续电感电流模式的降压恒流LED控制器。VIN上电时，电感和电流采
19、样电阻的初始电流为零，LED输出电流也为零。这时候，CS比较器的输出为高，内部功率开关导通，SW的电位为低。电流通过电感、电流采样电阻、LED和内部功率开关从VIN流到地，电流上升的斜率由VIN、电感和LED压降决定，在RS上产生一个压差VCSN，当(VIN-VCSN) 115 mV时，CS比较器的输出变低，内部功率开关关断，电流以另一个斜率流过电感、电流采样电阻、LED和肖特基二极管，当(VIN-VCSN) 85 mV时，功率开关重新打开，这样使得在LED上的平均电流为IOUT =（0.085+0.115）/2*Rs=0.1/Rs。高端电流采样结构使得外部元器件数量很少，采用1% 精度的采样
20、电阻，LED输出电流控制在5%的精度。PT4115可以在DIM管脚加PWM信号进行调光，DIM管脚电压低于0.3 V关断LED电流，高于2.5 V全部打开LED电流，PWM调光的频率范围从100 Hz到20 KHz以上。当高电平在0.5 V到2.5 V之间，也可以调光。（四）PT4115参数极限参数（略）电气参数（略）这些参数在设计驱动电路时有重要参考作用，但是篇幅较大，请参见参考资料 7。二、PT4115芯片使用的注意事项1、系统在输入电压低于VUVLO时IC内部的功率开关管处于关断状态，直到输入电压高于（VUVLO500 mV）系统才会正常启动。但是有一种特殊情况即输入电压虽然高于（VUV
21、LO500 mV），但是过于接近输出电压，会导致系统长时间工作在高占空比的状态，特别是低输入电压(比如小于10 V )，功率耗散也会增大。长时间工作的情况下，有可能导致IC过热保护（过热保护详见后续说明）。在实际应用中，适当的保持输入输出电压的压差是非常必要的。在工作状态下，输入电压降至VUVLO以下时，内部开关管会关闭，系统停止输出。需要注意的是输入电压过低通常会导致较多的功率耗散，因而会降低整个系统的效率。2、当系统工作的环境温度较高时，以及驱动大电流负载时，必须要注意避免系统达到功率极限。需要注意的是选择了不恰当的电感，以及开关转换点存在过大的寄生电容会导致系统效率的降低。当由于器件发热
22、限制驱动功率时，推荐选用ESOP8封装，因为在同等条件下ESOP8封装具有更好的散热能力。3、PT4115内部设置了过温保护功能 (TSD)，以保证系统稳定可靠的工作。当IC芯片温度超出160C，IC即会进入TSD保护状态并停止电流输出，而当温度低于140C时，IC即会重新恢复至工作状态。第五章 低光亮调光电路一、555定时器555定时器是一种常用的双极型中规模集成电路，用它能够方便简单地实现定时、波形变换、自动报警。这里用到的是555构成的无稳态电路，也就是多谐振荡器。它被广泛应用于脉冲的产生、整形、定时和延迟等电路中。555的电路结构及逻辑符号如图5-1及图5-2所示： 图5-1555的电
23、路结构 图5-2555的逻辑符号 二、555多谐振荡器用555定时器可方便地组成多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器等脉冲产生和整形电路。这些电路在工业控制、定时、仿声、电子乐器、防盗报警等方面有着广泛的应用。多谐振荡器是555应用的基本电路，是指电路没有稳定状态(即方波发生器)，只有两个暂稳态，其功能是产生一定频率和幅度的矩形波信号，其输出状态不断在“l”和“0”之间变换。如图5-3所示，在加电状态下，由于电容C上电压不能突变，故555芯片处于置位状态，UO =l，放电管Tp截止(7脚与地断开)，VCC通过R1，R2对电容C进行充电，当Uc上升到2/3的Vcc时，UO=0，TD导通，电容C
24、端电压通过R2和放电管TD对地进行放电，Uc下降。当Uc下降到1/3的Vcc时，UO又由0变为l，Tp截止，Vcc又经R1和R2对C充电。如此重复上述过程，在输出端UO产生了连续的矩形脉冲，如图5-4所示。其中，R1，R2和C是定时元件，它们决定了电路的充放电时间。其中，T1=0.7(R1+R2)C，T2=(0.7C)R2。 图5-3 多谐振荡器 图5-4输出波形为使LED发光不产生闪烁，T1+T2 应该小于20 mS，实际取T2为3 mS，T1在4 mS到9 mS之间连续可调（便于根据实际环境设置低光亮度），由此计算出R1、R2和C的值为：R1=71.42 K ，R2=35.71 K ，C=
25、0.1 uF 。实际取值为：R1=68 K ，R2=47 K ，C=0.1 uF 。实际T1是：8.05 mS，T2是：3.29 mS。T1+T2 =11.34 mS 20 mS。满足要求。第六章 硬件制作及调试 按照电路图准备好元件，先在万能板上合理排布好元件，再认真焊接。电路应该分部调试，在电路初始通电时，要测量相关电路的电流，与由原理计算的电流应该基本相当。首先制作调试热释电红外传感器单元，调试方法：用手在传感器前挥动时，有高电平输出，并保持一定的时间。第二步制作调试多谐振荡器。用示波器观察振荡波形和频率。调整R1，可调整输出方波的占空比。第三步制作调试LED驱动器电路。当不加控制信号时
26、，LED应该不亮；控制端加高电平时，LED高亮。再将控制端接到多谐振荡器的输出端，LED降低亮度，调整多谐振荡器的占空比，可以使LED的亮度发生变化。最后接上热释电红外传感器单元，当用手在传感器前挥动时，LED发出高亮光，并保持设定的时间。第七章设计中容易出现的问题一、555引脚编号顺序注意555插入的方向，标好引脚号。二、二极管极性普通二极管黑线处以及肖特基二极管银线处为负极。三、三极管基极、集电极及发射极的位置面向有字的一面，中间为基极，左边为发射极，右边为集电极。四、可调电阻的使用将中间的引脚与任意一边的引脚相连，相当于两个引脚。五、PT4115芯片引脚根据引脚图以及实际的形状，注意好每个引脚的名称和连接方式。致谢参考文献 1袁希光.传感技术手册M.北京：国防工业出版社,1986. 2周志敏，周纪海，纪爱华LED驱动电路设计与应用M北京：人民邮电出版社,2006. 3何希才.传感器及其应用电路M.北京：电子工业出版社,2001. 4阎石.数字电子技术基础(第四版) M.北京：高等教育出版社,1998. 5徐泽善.传感器与压电器件M.北京：国防工业出版社,1999. 6江磊，江程，陈部阳等LED恒流驱动电路效率研究J.光源与照明,2008,(1). 7PT4115、BISS0001、555定时器等资料的PDF文件.附录电路原理图
