热释电红外自动节能灯电路设计

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1、热释电红外自动节能灯电路设计一课程设计背景近几年，我国经济发展迅速，在各方面都取得了举世瞩目的成绩， 人们过上 了幸福快乐的日子，但是，在经济的发展却是以资源浪费为代价，所以，在物质 文化初步满足的今天，人们越来越注重人与环境的和谐相处， 节约资源，保护环 境，成为这个时代人们的共同心声。电能是这个年代人类所依赖的能源，作为学 生，从身边小事做起，在教室里，无论是人多人少，白天黑夜，灯在无人管理的 情况下无时无刻不在亮着，造成了电能的极大浪费，故本文设计了一个很小的电 路来实现节能功能。本次设计，通过对模拟和数字电子电路的学习和掌握，自己动手动脑来设计一个热释电红外自动节能灯，通过红外线传感器

2、接收红外信号， 并利用555延时器来满足人来灯亮，人走后延时灯灭的要求。1引言此次课程设计我选择了热释电红外自动节能灯设计。 此电路控制的灯在白天 光线强的时候不会照明，当暮色降临相对光线昏暗的时候，一旦有人进入其红外 传感作用区域，电灯就会自动点亮为行人照明，行人远去后，电灯就会自动熄灭， 其功能充分体现了节能的特点及应用于生活中的实用性。 本延时节能灯可以应用 于楼道、卫生间等公共场所。2总体设计方案2.1 设计思路红外感应器件将人体发出的红外线感应出电信号，然后将其放大，用放大过后的信号去控制电灯电路的通断。运动的人体发出红外线，Q74能将运动的人体发出的红外线转换成0.3至3Hz的电信

3、号。然后用三极管和集成运放电路将其放 大。将放大后的信号输入到电压比较器的输入端， 使用双向晶闸管控制电灯的亮 灭，使用555组成的当稳态触发器控制晶闸管的通断。2.2 总体设计框图总体设计框图如图1所示。图1总体设计框图3设计原理分析3.1 元件介绍3.1.1 热释电红外传感器热释电红外传感器是20世纪90年代出现的新型传感器。专门用于检测人体 辐射的红外能，用它可以做成主动式（检测静止或移动极慢的人体）和被动式（检 测运动人体）的人体传感器，与各种电路配合广泛应用于生活。热释电红外传感器在结构上引入场效应管，其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

4、将其转换为电压形 式。故引入的N沟道结型场效应管应接成共漏形式来完成阻抗变换。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。本电路使用的热释电红外传感器是 Q74,它由敏感元件、场效应管、阻抗变 换器和滤光窗等组成，并在氨气环境下封装。其中敏感元件一般采用热释电材料， 主要是由一种高热电系数的材料，如皓钛酸铅系陶瓷、包酸锂、硫酸三甘钛等制 成尺寸为2*1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两 个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温

5、度升高而产生的干扰。 由探测元件 将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号， 经装在探头内的场效应管放 大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的 前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分 成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜， 它和放大电路相配合，可将信 号放大70分贝以上，这样就可以测出20米范围内人的行动。这种材料在外加电 场撤除后，仍然保持极化状态，也即存在自发极化，且自发极化强度PS随温度升高而下降。在制作敏感单元时，要先把热释电材料制成很小的薄片， 再在薄片 两面镀上电极，构成两个串联的有极性的小电容，因此由温度的

6、变化而输出的热 释电信号也是有极性的。该传感器的特点是，它只在由于外界的辐射而引起本身 温度变化时，才给出一个相应的电信号，当温度的变化趋于稳定后，就不再有信 号输出，所以热释电信号与它本身的温度变化率呈正比，即热释电传感器只对运动的人体敏感。它的探测元的热/电效应的工作波长为910微米，如果要增大 探测距离，可在传感器前面配上相应的菲涅尔透镜。而且在实际应用中，传感器 往往需要预热，这是由传感器本身决定的，一般被动红外探测器需要一分钟左右 的预热时间。3.1.2 高阻抗运算放大器IC1采用的是高增益、低噪声运算放大器CA3140是美国无线电公司研制开发的一种BiMOS高电压的运算放大器在一片

7、集成芯片上，该 CA3140用口 CA3140 BiMOS运算放大器功能保护 MOSFET栅极（PMOSt）中的晶体管输入电路提供 非常高的输入阻抗，极低输入电流和高速性能。操作电源电压从4V至36V （无论单或双电源），它结合了压电PMOS1体管工艺和高电压双授晶体管的优点.（互 补对称金属氧化物半导体）卓越性能的运放.它主要用于同相及反相放大、减法 器、对数处理等应用。输入级采用 PMOS吉构形式，而CA3143I脚中间级、输出 级、偏置、保护等采用双结构工艺形式。3.1.3 双电压比较器IC2采用低功耗低失调双电压比较器 LM393内部结构见图3.它具有工作电 压范围宽，单电源+2+36

8、V,双电源+1+18V,电路电流小，典型值0.6mA,共 模输入电压范围宽，集电极开路输出等特点。输出图3 LM393部分内部结构3.1.4 555定时器555定时器是一种多用途的数字一模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。由于使用灵活、方便，所以555定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。正因为如此，自从Signetics公司于1972年推出这种产品以后，国际上各主要的电子器件公司也都相继地生产了各自的555定时器产品。尽管产品型号繁多，但所有双极型产品型号最后的 3位数码都是555,所有CMO竽品型号最后

9、的4位数码都是7555。而且，它们的功能和外部引脚的排列完全相同。为了提 高集成度，随后又生产了双定时器产品 556（双极型）和7556（CMOS3）。图4是555的内部电路结构图。它由比较器 C1和C2、基本RS触发器和集 电极开路的放电三极管TD三部分组成。VI1是比较器C1的输入端（也称阈值端， 用TH标注），VI2是比较器C2的输入端（也称触发端，用 TR标注）。C1和C2 的参考电压（电压比较的基准）VR1和VR2由VCCS三个5KQ电阻分压给出。在 控制电压输入端 VCO1空时，VR1=2/3VCCVR2=1/3VCC如果VC6卜接固定电压， 则 VR1=VCOVR2=1/2VCO

10、图4 555内部结构RD是置零输入端。只要在 RD端加上低电平，输出端 VO便立即被置成低电 平，不受其他输入端状态的影响。正常工作时必须使RD处于高电平。3.1.5 光敏电阻光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱 而改变的电阻器，又称为光电导探测器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻 增大。还有另一种入射光弱，电阻减小，入射光强，电阻增大。光敏电阻器一般 用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。常用的光 敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器对光的敏感 性（即光谱特性）与人眼对可见光的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引

11、 起它的阻值变化。设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作 控制光源，使设计大为简化。本电路可选用硫化镉光敏电阻器，它的波长在0.4 0.76 pm可见光光谱范围内，可选用MG41 MG4城MG4卵系列电阻，其中MG45 型为非密封型结构，不宜在潮湿环境下使用。3.1.6 可控硅可控硅，简称晶闸管。它是由四层半导体材料组成的，有三个 PN结，对外 有三个电极：第一层P型半导体引出的电极叫阳极 A,第三层P型半导体引出的 电极叫控制极G第四层N型半导体引出的电极叫阴极 K。从晶闸管的电路符号 可以看到，它和二极管一样是一种单方向导电的器件， 关键是多了一个控制极 G, 这就使它具有

12、与二极管完全不同的工作特性。 可控硅的优点很多，例如：以小功 率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍；反应极快，在微秒级内开通、关断； 无触点运行，无火花、无噪音；效率高，成本低等等可控硅起到控制电灯的作用，其接收到555脚3输出的高电平即可导通，使电灯点亮3.2 电路原理图电路原理图如图5所示阳嵋M4?uF R4 RIO 0.1 k Ohm Mlm-flihii0-Wvfft PIF网卜时而1M由用I门 禹dut mRP2H/NOhn 用M3.3 原理分析热释电红外自动节能灯的电路由热释电红外传感器、运算放大器电路、双电压比较器、555时基电路、光电开关、可控硅、六部分工作电路组成。热释电红

13、外开关由热释电红外传感器 （由于条件限制，测试时用信号源 代替）、VT1、运放IC1,运放ICI 5口腑IC2组成。当有人走近时，传感 器检测到行人发出的热红外辐射光谱，它能将移动着的红外光转换呈频率为（0.33Hz）的电信号，并经耦合电容器 C1加至VT1放大级，预放后的信号加 至运放IC1的同向端。IC1采用高增益、低噪声运算放大器 CA3140它与R& C4及R7、C3等组成低频（0.28Hz）的电彳9号与IC2的5脚上的基准电压（由 R1O D1及R11、RP1分压所得）进行比较，当信号足够强时，比较输出一个低 跳变脉冲，对555触发器进行触发置位。在白天，光照强，RG呈低阻（亮阻几K

14、一 几十K）,它与R15 RP1分压后，使VT2饱和导通，其饱和管压降仅为 0.3V,故将555的4 脚牢牢嵌在低电平，因而白天灯不会亮，节能省电；入夜后，光电开关闭合，RG呈高电阻（几MH几十M）,它和R15, RP2的分压极大，调节RPZ使VT2的b 极电位不高于0.6V,即使9013处于截至状态。555的4脚呈高电平，此时当人 走近时，红外感应器感应产生的信号经放大控制555电路的3端口输出高电平将双向可控硅 SCR!虫发导通，电灯亮。一 段时间后，555构成的单稳态触发器 回复到稳态。灯灭。灯亮时间，即单稳态 电路的触发后的暂态时间，为：Td=1.1R13C6调节R13 C6的大小可调

15、节灯亮时 间的长短。电路的供电采用9V的直流电源。3.4 电路原理3.4.1 前置放大前置放大电路如图6所示。在设计中VT1选用9014.信号输入R39W phnnR4.1 f k Q hmF 2 IO k OHm信号输出VT1!图6前置放大电路3.4.2 高阻抗集成运放电路高阻抗集成运放电路如图7所示，同相端脚3接收到经过VT1放大的电信号，同时IC1与C4 R8及C& R7等组成了低频（0.28HZ）放大极，将电信号经过处理后，把信号放大到足够大，由脚 6输出。+Vcc图7高阻抗集成运放电路3.4.3 双电压比较电路双电压比较器电路如图8所示，电路中R10 D1以及R11、RP1分压得到L

16、M393 脚5的基准电压，由IC1放大后的信号从IC2的脚6同相输入，与其的基准电压 进行比较；当信号达到足够强时，经比较后由IC2脚7输出一个低跳变脉冲，对 555时基电路触发器进行触发置位。i-Vcc图8电压比较电路3.4.4 555时基电路及光电开关555时基电路及光电开关如图9所示。光敏电阻（由RP3代替），它与R15输入端输出端光蹴电阻RP3(R/1 00 k OhmR-1 5时基电路及光电开关RP2(R/51 KOhm/50%RP2 R14和VT2组成了光电开关。光敏电阻在白天受光照时，电阻极小（手动 将RP3调小），其与R15 RP1分压后，使VT2饱和导通，其饱和管压降仅0.3

17、V , 所以555的脚4被牢牢的箝在低电平，使得555处于强制复位状态。555时基电 路与R13 C6等组成一个单稳态触发延时电路。天黑后，光电开关闭合，555的脚4呈高电位而处于等待触发状态。在其脚 2接收到一个低跳变（1/3Vcc）脉 冲触发时，555被触发翻转，脚3输出呈高电平，将双向可控硅触发导通，电灯 点亮。电灯亮的时间，即单稳态电路的触发后的暂稳时间为td=1.1R13C6。3.4.5 供电部分电路直流供电部分由九伏直流电源组成。电灯供电是220V50Hz的交流电源。4总结与体会随着科学技术发展的日新日异，电力电子技术在现代社会生产中占据着非 常重要的地位，电力电子技术应用在是生活

18、中可以说得是无处不在如果把计算机 控制比喻为人的大脑，电磁机械等动力机构喻为人的四肢的话， 则电力电子技术 则可喻为循环和消化系统，它是能力转化和传递的渠道。因此作为二十一世纪的 电气专业的学生而言掌握电力电子应用技术十分重要。电力电子课程设计的目的在于进一步巩固和加深所学电力电子基本理论知识。使学生能综合运用相关 关课程的基本知识，通过本课程设计，培养学生独立思考能力，学会和认识查阅 和占有技术资料的重要性，了解专业工程设计的特点、思路、以及具体的方法和 步骤，掌握专业课程设计中的设计计算、软件编制，硬件设计及整体调试。通过 设计过程学习和管理，树立正确的设计思想和严谨的工作作风， 以期达到

19、提高学 生设计能力。从理论到实践，在专业课程设计持续的日子里，可以培养学生学到很多东 西，不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过 的知识。通过课程设计教育学生认识理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论， 才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中随时会遇到各式各样的问题， 同时会不断发现自己的不足之处。 整了个 设计过程对很多学生而言可以说是困难重重， 譬如对以前所学过的知识理解得不 够深刻，掌握得不够牢固，不会查阅资料，觉得无从下手等等。在课程设计过程 中通过互

20、动指导，教育学生一步一步的制定并依次实施计划， 并在设计计划执行 过程中教会他们查阅资料，鼓励他们克服心理上的不良情绪，不断的学习和解决 难题，不断磨练炼学生意志的过程。总结本次课程设计，根据设计过程学生表现 以及实习报告，本次课程设计有效培养了学生综合运用所学知识，发现，提出， 分析和解决实际问题的能力。通过课程设计的教学实践，使学生所学的基础理论 和专业知识得到巩固，并使学生得到运用所学理论知识解决实际问题的初步训 练；使学生接触和了解实际局部设计从收集资料、方案比较、软硬件设计及整体 调试的全过程，进一步提高学生的分析、综合能力以及工程设计中分析设计的基 本能力。这次课程设计我选择了热释

21、电红外自动节能灯设计， 是因为就我个人而言对 热释电红外节能灯这个课题感性趣。 是希望通过这次课程设计，我能够将理论理 解得更深刻，将理论和实际应用结合起来，同时能够更好的对集成电路的功能和 作用进一步的学习。电路的工作状态是白天不点亮，当天黑后，有人进入红外传 感作用区内时，电灯会自动点亮，为行人照明，人走后，灯自动熄灭。在此次实 践中，通过设计和调试实验，我对电路设计有了更深一步的认识， 我发现电子产 品制作离我们真的很近。同时，我切实的发现自己的学习能力以及动手能力增强 了，将理论知识与实际应用相结合的能力也有了很大的提高。电力电子技术既是一门技术基础课程，也是实用性很强的一门课程。因此， 电子技术的应用是十分重要的。通过这次对电力电子技术课程设计之热释电红外自动节能灯电路设计。对电力电子技术这门课程有了进一步的的认识和 提高。也学到了一些新的知识，增加了解决问题的能力。这次设计最终圆满完成，在这之中，有我自己的努力，也有同学的帮助，还 有的室友无偿的为我提供了电脑（他们自己的设计还没有完成的情况下）。可以 说,没有他们的帮助就没有这次设计的完成。在这里我要真诚的对他们说一声“谢 谢”。参考文献：电工技术基础与工程应用.电子技术（第二版）