北邮红外感应照明灯自动控制电路实验报告

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1、北邮红外感应照明灯自动控制电路实验报告电子测量与电子电路综合设计型实验实验名称:红外感应照明灯白动控制电路实验名称:红外感应照明灯白动控制电路实验学生学号：_所属班级:_班序号:班序号:_所属学院:_20_年4月【摘要】：p 】：当今社会，随着人类消费活动的愈发频繁，能问题越来越严重，生态环 境遭到破坏，节能环保成为当今社会一大重要主题。为了节能环保的目的公共场 所的走廊过道都尽量使用自动控制照明灯，实现“人来灯亮，人走灯灭”，既能很 好的节约能，也能给人们的生活带来方便。实现控制的方法可以是声控，光控, 红外感应，触摸或遥控等，根据使用的环境可以选用适当的方法。此题选用热释 电红外感应控制。

2、【关键词】：p 】：热释红外感应；自动控制；光敏；延时目录TOC o “1-5” h z 引言4第一章实验设计要求1.1设计概述41.2设计任务要求4第二章电路设计2.1系统组成框图4系统整体设计思路 52.3模块电路设计思路2.3.1第一级放大电路设计 52.3.2第二级放大电路设计 62.3.3电压比拟器模块设计 7555定时器模块设计 8第三章电路仿真3.1前2级放大电路仿真103.2电压比拟模块仿真 11电路整体仿真 11第四章电路搭建与调试4.1组合调试中的故障与问题分析p 124.2系统最终演示效果和所实现的功能 12第五章实验总结与结论5.15.2实验总结搭建与调测 155.3实

3、验结论155.4心得体会 15第六章实验元件和仪器资料6.1实验元件6.1.1热释红外传感器PIR156.1.2集成运放芯片 LM358 16o “Current Document” 6.1.3光敏电阻 17NE555 定时器 196.2实验仪器 19第 七 章参 考 书 籍 及 资 料19引言：随着社会的进步， 节能环保已经深化人心，成为当今社会重要主题之一。通过红外感应来实现自动控制的功能电器已经悄悄影响着人们的生活，生活中处处可以看到红外感应自动控制设备的影子。本实验设计利用热释电红外传感器PIR获得电压，然后通过 LM358来实现两级电压放大，然后经过电压比拟器，二极管D1导通，使55

4、5构成的单稳态触发器反转进入暂稳态，3脚输出高电平，将 LED灯点亮，实现红外感应自动控制。第一章实验设计要求1.1设计概述本设计是在指导教师给定课题的根底上经过分析p ，采用热释电红外传感器 PIR,能根据生命体从传感器旁经过的间隔 长短作为触发信号实验中用手划过传感器来模拟，使LED二极管发光并延退10秒以上熄灭。1.2设计任务要求根本要求用发光二极管模拟照明灯，在白天保持熄灭状态， 在夜间有人从附近10cm经过灯便点亮，延退10秒后熄灭。电用5伏直流电，传感器用 RE20_B红外热释电传感器。电路工作稳定可靠。进步要求延长感应间隔 到 20cm或30cm。第二章电路设计热释传感器PIR放

5、大器2.1热释传感器PIR放大器电压比拟器单稳态触发器= 照明灯z_l 延时电路2.2系统总体设计思路PIR热释传感器可以因为红外线的变化在其S端输出微弱的超低频交流信号，经C2加到三极管Q1输入端放大，再经运放 U1A组成的放大器进一步放大，使信号增益到达几十dB,后进入电压比拟器反向输入端。信号幅度高于比拟电压时，比拟器输出低电平，二极管D1导通，使555构成的单稳态触发器反转进入暂稳态，3脚输出高电平，将LED灯点亮。由于要求LED灯延时熄灭，还要参加 RC延时电路，调节电位器可以改变灯点亮的时间 2.3模块电路设计思路2.3.1第一级放大电路设计原理简述：由于PIR输出的是超低频交流信

6、号，为了保障电路的稳定，采用深度负反应电路电压 并联负反应，耦合电容C2的作用是阻直流，通交流，一般采用容量较大的电解电容器，本 实验采用C2=47uF,F 反应系数=-1/R2,由于输入的信号非常微弱，不妨设 Ii=10mA 实 际电流大于10mA ，那么Vo=If_R2+1 ,通过静态工作点的设置，Ib=-If=Vce-Vbe/R2,得到R1 取值为10千欧，R2的取值为1兆欧，第一级放大倍数约为120 :2.3.2第二级放大电路 设计原理简述：此处忽略电容R' =0 。反应网第二级放大采用同相放大电路，输入信号输入到运放的同相输入端 络为Rf2.3.2第二级放大电路 设计原理简

7、述：此处忽略电容R' =0 。反应网因为U+ = U- = Ui “虚短“，但不是“虚地”，I+ = I- = 0所以IiRiIiIfUoRfIfUoRfIiUo即闭环电压放大倍数为(1RfR )U riAuf1Rfuf U iRiUo与Ui是比例关系，改变比例系数，即改变Rf/R1,即可改变Uo的值。实际参数:在实际电路中取 R4原理中为 Rf =R3原理中为R1 =47千欧，C1=33uF,C5=0.01uF,第二级放大倍数约为2倍。U1A- - 心O : ? a 4:Cj或3nFR3 _aaT 一2.3.3电压比拟器模块设计设计原理简述：电压比拟器是对两个模拟电压比拟其大小，并

8、判断出其中哪一个电压高。图 1a是比拟器，它有两个输入端：同相输入端+“端及反相输入端-”'端，有一个输出端 Vout输出电平信号。另外有电 V+及地单电比拟器，同相端输入电压 VA,反相端输入 VB。VA 和VB的变化如下图。在时间 0?t1时，VAVB ;在t1?t2时，VBVA ;在t2?t3时， VAVB。在这种情况下， Vout的输出如图1c所示：VAVB时，Vout输出高电平饱和输 出；VBVA时，Vout输出低电平。根据输出电平的上下便可知道哪个电压大。假如把VA输入到反相端，VB输入到同相端，VA及VB的电压变化仍然如图1(b)所示，那么Vout输出如图1(d)所示。

9、与图1(c)比拟，其输出电平倒了一下。输出电平变化与VA、VB的输入端有关。假如输入电压 VA与某一个固定不变的电压VB相比拟，此固定不变的VB称为参考电压、基准电压或阈值电压。在试验中合理设置参考电压便可以实现特定的电压比拟。实际电路参数为了便于电路组合之后的调试过程，特引入电位器分压， 信号从反相端输入， 参考电压从同向端输入。如下图：555定时器模块设计设计原理简述：U2的暂态时间由R14和C4构成的时间常数决定，调节电位器 R14可以改变灯点亮的 时间。暂态过后U2的3脚输出低电平，灯熄灭。调节R10可改变对人体活动的感应灵敏度。白天光敏电阻 R9呈低阻态，Q2饱和导通，将 U2的4脚

10、置低电平，使 U2强迫复位，3脚 恒为低电平，灯不会亮。只有光线暗时R9呈高阻态，Q2截止，4脚为高电平，才解除对电路的封锁。光敏电阻在室光照条件下阻值为几千欧实际参数设计:DIS .TtfE .,L第三章电路仿真3.1前两级放大电路仿真3.1.1第一级hid 19袂 11.7311#百#-3_通神 _14?nyHU :oc _:g ewfTT见itffr IM： z呷： I吟回 E可以看出第一级放大倍数在120倍左右，根本与预期倍数符合。3.2电压比拟模块仿真朝一 朝一 =从仿真中可以看出上下电平随输入信号的变化而切换，符合预期设计。3.3整体系统仿真Ml忸真囱烤楼创Ifldi史告直U&ap

11、os;JUDl壹匚迎St咖当输入低频小信号时，LED灯点亮，仿真结果根本符合前面的设计。第四章电路搭建与调试4.1组合调试中的故障与问题分析p 在开场搭建电路和调试的过程中，虽然做了比拟充分的准备，但在实际操作还是出现了一些意想不到的问题：在一开场完成前级放大电路的搭建，我通过函数发生器向电路输入一个低频小信号幅度为10mV,频率为1Hz然后用示波器分别显示第一级，第二级的输出信号波形，结果并没 有显示正常的波形，经过对电路进展初步检查时发现问题出在地线上，地线的连接出现错误；但纠正后仍然没有 1得到正常的结果，我只得一处一处来测试，最终发现是自己将一个10千欧的电阻接成了 1千欧，导致静态工

12、作点设置出现了问题，第一级放大电路起不到作用， 更换后，结果与预期根本相符；实验中碰到的另一个问题是感应间隔 ，本实验对感应间隔 的调制主要基于参考电压与 比拟电压之间的差值，差值越小，电路越灵敏，但当差值过小时，只要有一点点的影响就会让LED灯点亮，最终变成了常亮，所以此电路的识别间隔 L=25cm 。除此之外，在一个试验台调好间隔 后，拿到另一个试验台结果就会发现变化有时会 常亮，经过资料查询，我发现这是由热释传感器的自身参数与性能引起的，不同试验台位 置不同，温度不同，电电压也有细微差距，主要是影响红外分布导致结果不同。4.2系统最终演示效果和所实现的功能输如图4.2.1是第一级放大电路

13、的输出：输入信号幅度为10mV,频率为1HzrO SOOmV)Too；rO SOOmV)Too；LU次，秒 皿原o/C.OO V值?斯奉5470 Hz?癌-嵯5,D4mV平均惟50.304.95rn景小值46.33最大值 5巳“ 5.12m标崔差'1.520_JI睬动死标 开启|雨12 4 月 201S17：39：30光标一波为显示光标图 4.2.1由波形可得第一级放大倍数为117倍，接近设计倍数图 4.2.1由波形可得第一级放大倍数为117倍，接近设计倍数120输出波形频率接近 1Hz如图4.2.2是第二级放大电路的输出：输入信号幅度为10mV,频率为1Hz)'U-190

14、,Otis00L.3L0VLALSSOsAl,170 V图 4.2.2由波形可得第二级放大倍数为2倍左右，符合设计倍数2输出波形频率接近1Hz如图4.2.3是参考电压波形图，可以看出参考电压在2V左右-190.0rns0虹og03.670;?1砌V?A1S6O$ni.如nvM 叫 |岫 _i_1.W_叮i.mO LU。LJ_10L 点0.00 V f 平均值 最小11最大皙一准兰 口4月或技?抗宰勾“？Hr50.； 4lC0.4r116.7:9I ”；55雹?成-峰5.2MV5.22 m3知9.12m21 即图 4.2.3在调试过程中我是用笔帽盖住光敏电阻， 模拟出黑夜的环境，当我的手从PIR

15、上方或者周围 经过时，LED灯点亮，手分开大约 10秒后LED灯熄灭，在LED点亮时拿开笔帽，LED灯熄 灭，根本完成了实验要求。第五章实验总结与结论5.1电路搭建方面总结：电路搭建用电阻时一定要确认阻值，不然在后期调试纠错时将遇到宏大的问题，而且非常难以发现，这是比联线错误更加隐匿的错误。第二，在电路连接时，最后把接电的线与地线分别用两种颜色的线(红和黑)，部电路连接可以每一局部用一种颜色，这样电路构造就十 分明晰，也便于后期的调试与纠错；5.2电路调试方面总结：电路调试要分模块， 从电路构造入手，假如系统的结果与预期相差甚远，那么分模块入手，从前到后，一处输出就可以有一处调测，这样能很准确

16、地判断错误所在，另外应当充分利用实验仪器，例如示波器。5.3实验结论：根据实验本来提供的电路图和原理简述，并结合实验的要求，我通过计算得到了详细电阻、电容的参数值，然后通过仿真，电路搭建与调试完成了本实验的电路，并实现了所要求的基本功能。5.4心得体会：关于选题，选择自己感兴趣的题目，因为一个感兴趣的问题将是做实验不断的动力。尽管红外感应灯自动控制电路不像其他题目在网上有大量的资料，大局部问题还需要靠自己探索，但是因为对红外感应自动控制这样一个实用电路感兴趣，也觉得与自己的学院能挂上关系，毕竟与光同行！然后能静下心来，一步一步自己探索出来。关于操作，必需要提的是电路首先需要按照设计图正确的搭出

17、来，当实验出不来的时候，检查了半天发现是某一个管脚接错或者电阻阻值用错，是非常懊恼的，这样的低级错误既伤神又耗时间，所以第一步是要把电路搭对了。(真的是有血的教训)关于调试，电脑仿真和实际电路还是有一定的区别的，仿真能出来，实际模拟电路不一定出的来，这样就需要静下心来，仔细分析p 问题产生的原因，一级一级的检查。关于交流，遇到暂时无法解决的问题，要及时与别人沟通请教。及时的沟通可以加快实验的进程，也便于弄清楚一些复杂的实验问题。第六章实验元件和仪器资料6.1实验元件6.1.1热释红外感应传感器 PIR:工作原理：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

18、式红 外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进展工作的。人体发射的10UM左右的红外线通过菲涅尔滤光片增强后聚集到红外感应上。红外感应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，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。热释电效应：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。这种由于热变化而产生的电极化现象称为热释电效应。菲涅尔透镜：根据菲涅尔原理制成，菲涅尔透镜分为折射式和反射式两种形式，其作用一是聚用，将热 释的红外信号折射(反射)在 PIR上；二是将检测区分为假设干个明区和暗区，使进入检测区的挪动物体能以温度变化的

19、形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样PIR就能产生变化电信号。使热释电人体红外传感器(PIR)灵敏度大大增加。模块参数:模块特性：1、 这种探头是以探测人体辐射为目的的。所以热释电元件对波长为10UM左右的红外辐 射必须非常敏感。2、 为了仅仅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尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。3、 被动红外探头，其传感器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一样的作用，使其产生释电效应互相抵消，于是探测器无信号输出。4、一旦人侵入探测区域，人体红外辐射通过局部镜面聚焦，并被热释电

20、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，经信号处理而报警。5、 菲涅尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距(感应间隔 )，从而产生不同的监控视 场，视场越多，控制越严密。6.1.2集成运放LM358LM358引脚图LM358简介LM358是双运算放大器。部包括有两个独立的、高增益、部频率补偿的双运算放大器, 合适于电电压围很宽的单电使用，也适用于双电工作LM358特性直流电压增益高约100dB。单位增益频带宽约1MHz。电电压围宽：单电 330V;双电1.5 15V。低功耗电流，合适于电池供电。低输入失调电压和失调电流。共模输入电压围宽，包括接地。差模输入电压围宽

21、，等于电电压围。输出电压摆幅大0至Vcc-1.5V。LM358参数输入偏置电流45 nA输入失调电流50 nA输入失调电压2.9mV输入共模电压最大值 VCC1.5 V共模抑制比80dB电抑制比100dB6.1.3光敏电阻光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器。主要用于光的测量、光的控制、和光电转换。如图：光敏电阻器都制成薄片构造，以便可以吸收更多的光能。该类电阻器的特点是入射光越强， 电阻值就越 小，入射光越弱，电阻值就越大。如 声控灯中采用了光敏电阻器作为白天控制灯光的装置。构造：通常由光敏层、玻璃基片或树枝防潮膜和电极等组成的。特性：光敏电阻器是利用

22、半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线非常敏感，它的电阻值能随着外界光照强弱明暗变化而变化。它在无光照射时，成高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小。NE555 定时器555集成时基电路称为集成定时器，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，其应用非常广泛。该电路使用灵敏、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多和谐施密特触发器，因此广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。它的部电压标准使用了三个5K的电阻，故取名555电路。其电路类型有双极型和CMOS型两大类，两者的工作原理和构造相似。几乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是555或556;所有的CMOS产品型号最后四位数码都

23、是7555或7556,两者的逻辑功能和引脚排列完全一样，易于互换。555和7555是单定时器，556和7556是双定时器。双极型的电压是 +5V+15V，输出的最 大电流可达20_mA , CMOS型的电电压是+3V+18V 。555定时器部框图555电路的部电路方框图所示。它含有两个电压比拟器，一个根本RS触发器，一个放电开关T,比拟器的参考电压由三只5KQ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比拟器A1同相比拟端和低电平比拟器 A2的反相输入端的参考电平为 阳 和U3据。ai和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过2f37CC时，触发器复位，555的输出端3脚输出

24、低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于”3电时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。殆1是复位端，当其为 0时，555输出低电平。平时该端开路或接VCC。Vc是控制电压端(5脚)，平时输出作为比拟器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比拟器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个 0.01uf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电 平的稳定。T为放电管，当T导通时，将给接于脚 7的电容器提供低阻放电电路。6.2实验仪器直流稳压电；双路示波器；函数发生器；万用表。第七章参考书籍及资料宝玲，电子电路根底，高等教育出版社；凌霄、晓磊，电子电路测量与设计实验，北京邮电大学出版社；局部元件的参数与原理来于百度百科。Word资料第 17 页 共 17 页