传感器课程设计

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1、传感器课程设计摘 要本文介绍了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 探测区域目 录第1章：总

2、体方案概要.11.1意义及研究现状11.2设计思路2第2章：设计方案各部分介绍.32.1热电是传感器的构成及工作原理32.2低通滤波器42.3信号放大器6第3章：仿真电路的建立与分析.83.1仿真电路建立83.2仿真结果的分析8第4章：设计体会.10参考文献.10第1章：总体方案概要1.1 意义及研究现状 电力作为一种洁净方便的能源广泛的应用于我们的生活与生产方面，因此电能的节能尤为重要，要节能首先就要做到节约能源，其次再通过科学研究发明更加人性化和节能的用电器。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

3、到重视，直到六十年代，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。它目标正在被广泛的应用到各种自动化控制装置中。（1）红外线感应灯控制系统的现状及发展趋势：我国照明缺乏独创产品，模仿产品居多，基础加工落后，只顾外表，轻视功能，产品的品种比较单一，性能差。尤其是在“智能”照明方面，缺乏创新，与国外智能灯具在技术研究方面有着不小的差距。我国现阶段的照明系统一般采用主电源经配电箱分成多路配电输出线，提供照明灯回路用电，由串接在照明灯回路中的开关面板直接接通或断开供电线

4、来实现对灯的控制，灯只有开和关两种状态，无逻辑时序及亮、暗调光控制，因而无法形成各种灯光亮度组合的场景及系统控制。全球性的能源短缺和环境污染在经济高速发展的中国表现得尤为突出，节能和环保是中国实现社会经济可持续发展所急需解决的问题。每年照明电能消耗约占全部电能消耗的12%15%，作为能源消耗的大户，必须尽快寻找可以替代传统光源的节能环保光源。LED以其较之于传统照明光源所没有的优势，诸如较低的功率需求、较快的响应速度、绿色环保以及不断快速提高的发光效率等，成为目前我国今后照明系统发展的方向。基于目前国内国际形势，尤其是能源紧缺，智能照明必是以后照明系统的发展方向。智能照明将会使人们利用起来更加

5、便利，改善家庭环境，不仅为建筑照明提供多种的艺术效果，而且使灯具控制和维护变得更为简单，而且具有可靠性高、安装布线容易。（2）红外线感应灯控制系统的优点：智能化已经成为当今建筑发展的主流技术，涵盖从空调系统、消防系统到安全防范系统以及完善的计算机网络和通信系统。但是长期以来，智能照明在国内一直被忽视，大多数建筑物仍然沿用传统的照明控制方式，部分智能大厦采用楼宇自控（BA）系统来监控照明，但也只能实现简单的区域照明和定时开关功能。相比之下，智能照明系统体现出强大的优越性，它在智能建筑中的应用越来越广泛。智能照明系统在智能建筑中的应用效果如下：1)改善工作环境，提高工作效率。2)可观的节能效果。智

6、能照明控制系统使用了先进的电力电子技术，进行智能调光。当室外光较强时，室内照度自动调暗，室外光较弱时，室内照度则自动调亮，使室内的照度始终保持在恒定值附近，从而能够充分利用自然光实现节能的目的。除此之外，智能照明的管理系统采用设置照明工作状态等方式，通过智能化管理实现节能。3)提高管理水平，减少维护费用。智能照明控制系统将普通照明人为的开与关转换成了智能化管理，不仅使大楼的管理者能将其高素质的管理意识运用于照明控制系统中去，而且将大大减少大楼的运行维护费用，并带来较大的投资回报。1.2 设计思路通过热释电传感器感应人体红外辐射后输出一个微弱的交流信号，然后经过滤波整理，再将信号放大处理后，将信

7、号输出。热释电传感器输出的信号是一个毫伏级的微弱交流信号，且不稳定，这个信号频率与人体运动速度有关，当人运动速度越大，信号也越强。经过滤波电路后，可以排除杂波及突变信号的干扰，再经过信号放大处理，输出一定的电信号使灯点亮。当人离开后，由于没有触发信号，灯自然会灭。实现了“夜间人来灯亮，人走灯灭”的目的。第2章：设计方案各部分介绍2.1热释电传感器的构成及工作原理热释电红外（PIR）传感器，亦称为热红外传感器，是一种能检测人体发射的红外线的新型高灵敏度红外探测元件。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。将输出的电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如作电源

8、开关控制、防盗防火报警等。目前市场上常见的热释电人体红外传感器主要有上海塞拉公司的SD02、PH5324，德国Perkinelmer公司的LHi954、LHi958,美国Hamastsu公司的P2288，日本Nippon Ceramic公司的SCA02-1、RS02D等。虽然它们的型号不一样，但其结构、外型和特性参数都大致相同，大部分可以彼此互换使用。热释电红外线传感器由探测元、滤光窗和场效应管等阻抗变换器等三大部分组成，对不同的传感器来说，探测元的制造材料有所不同。如SD02的敏感单元由锆钛酸铅制成；92288有LiTa03制成。将这些材料做成很薄的薄片，每一片薄片相对的两面各引出一根电极，

9、在电极两端则形成一个等效的小电容。因为这两个小电容是做在同意硅晶片上的，因此形成的等效小电容能自身产生极化，在电容的两端产生极性相反的正负电荷。传感器中两个电容是极性相反串联的。当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时，在电容两端产生极性相反、电量相等的正、负电荷，所以，正负电荷相互抵消，回路中无电流，传感器无输出。当人体静止在传感器的检测区域内时，照射到两电容上的红外线光能量相等，且达到平衡，极性相反、能量想等的光电流在回路中相互地向，唇干起仍然没有信号输出。当人体在传感器的检测区域内移动时，照射到两个电容上的红外线能量不相等，光电流在回路中不能相互抵消，传感器有信号输出。综上所述，传感器

10、只对移动或运动的人体和体温近似的物体起作用。滤光窗是由一块薄玻璃片镀上多层薄膜而形成的，能够有效地滤除7.014um波长意外的红外线。人体的正常体温为3637.5C，即309310.5K，其辐射的最强的红外线的波长为m=2989/(309310.5)=9.679.64um，中心波长为9.65um，正好落在滤光窗的响应波长的中心。所以，滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过，而最大限度地阻止阳光、灯光中的红外线通过，以免引起干扰。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。由于探测元输出的是电荷信号，不能直接使用，因而需要将其转换为电压形式。场效应管输入阻抗高达104M，接成共漏极

11、形式来完成阻抗变换。使用时D端接电源正极,G端接电源负极，S端为信号输出。对于移动速度非常缓慢的物体，如阳光，两个电容上的红外线光能能量仍然可以看作是相等的，在贿赂中相互抵消；再加上传感器的响应频率很低（一班为0.110Hz），即传感器对红外光的波长的敏感范围很窄（一般为515um）,因此，传感器对它们不敏感，因而无输出。本设计中热释电红外传感器选用PIR325，为了达到要求中“人体感应探测范围1m以上 ，视场角100度以上”。可加装一个菲涅尔透镜。菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的

12、红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。2.2低通滤波器低通滤波器实验电路图如图2.2.1.。 低通滤波器仿真效果如图2.2.2所示。图2.2.1 低通滤波器电路原理图图2.2.2 低通滤波器仿真效果图通过电阻、电容及运算放大器组成低通滤波电路，其特征频率： （式2-2-1） （式2-2-2） LM324系列器件为价格便宜的带有

13、真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3。0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324系列由四个独立的，高增益

14、，内部频率补偿运算放大器，其中专为从单电源供电的电压范围经营。从分裂电源的操作也有可能和低电源电流消耗是独立的电源电压的幅度。应用领域包括传感器放大器，直流增益模块和所有传统的运算放大器现在可以更容易地在单电源系统中实现的电路。例如，可直接操作的LM324系列，这是用来在数字系统中，轻松地将提供所需的接口电路，而无需额外的15V电源标准的5V电源电压。LM324引脚如图2.2.3.图2.2.3 LM324引脚图2.3信号放大器作用就是将提供的微弱信号放大到可以驱动负载正常工作。信号放大器电路原理图如图2.3.1。图2.3.1 信号放大器电路原理图信号放大器效果仿真图如图2.2.3。图2.2.3

15、 信号放大器效果仿真图第3章：仿真电路的建立与分析3.1仿真电路建立：仿真电路图如图3.1.1所示。图3.1.1 仿真电路图3.2仿真结果的分析：仿真电路效果图如图3.2.1所示。图3.1.2 仿真电路效果图当有人进入到热释电红外线传感器探测范围内时就会有一个微弱的交流信号产生，然后经过滤波整理，再将信号放大处理后，从而驱动灯正常点亮，实现了夜间人来灯亮，当人走后就没有信号输入，灯持续一段时间后就会自然灭，实现了人走灯灭。第4章：设计体会经过了一个星期的课程设计，使我们对所学的知识有了更多的体会，对课题进行分析、设计时我们发现，所要用到的知识不仅仅局限于课本，再搜索资料的同时扩展了课本中所学的知识。传感器课设是我们第一次进行课程设计，在这过程中，我们遇到了很多问题，例如：仿真软件的使用以及设计对电阻电容的取值的要求等。最后在老师的帮助和同学们的共同努力下，这些问题终于柔韧而解。实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终的结果。参考文献：1. 唐文彦 传感器（第4版）机械工业出版社 2007年2. 李科杰 新编传感器技术手册国防工业出版社 2002年3. 其他：传感器原理、接口电路、设计手册类参考书- 10 -