教室节能照明智能控制系统硬件设计毕业论文.doc

西安工业大学北方信息工程学院本科毕业设计(论文) 题目：教室节能照明智能控制系统 硬件设计毕业设计（论文）任务书系 别 专业 班 姓名 学号 1.毕业设计（论文）题目： 教室节能照明智能控制系统硬件设计2.题目背景和意义：按照国标规定，教室照明的功率密度约为10w/m2，假设教室的平均面积为100m2，则照明负荷约为1kw。如果每天正常使用时间为15小时，那么，每天每间教室的用电量为1kw15h15kwh，学生年在校为270天，则每间教室年用电量约为4050kwh。针对目前高校教室照明用电严重浪费的问题，通过红外传感器检测教室是否有人，检测教室内光线照度是否合格，并依靠单片机来智能控制照明灯的亮灭，从而达到有效节约用电、降低学校的经费开支的目的。该项目具有重要的实用价值和意义。 3.设计(论文)的主要内容（理工科含技术指标）：红外传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。本课题要求学生利用传感器、单片机、可见光探测器件、继电器、开关等器件设计一款教室照明节能系统的硬件电路，利用热释红外探测器来检测教室的光线亮度和是否有学生。若有学生而且室内光线照度不够，则系统自动打开灯；若教室里无学生或光线照度符合要求，则节电装置自动关闭供电电源。通过采用热释红外探测技术、可见光探测技术与单片机技术实现了教室照明的智能控制，在一定程度上节省了大量的人力物力，与传统的声音控制照明相比有很大的优势，不需要人类发出声音，正好与教室安静的环境相符合。该课题的主要任务是：（1）了解并查阅红外传感器的资料并选择合适的传感器；（2）选取所需元件，搭建系统的硬件电路；（3）利用protel软件制作系统的硬件电路原理图；（4）实现教室的节能照明自动控制功能、自动节电。 技术指标：（1）滤光晶片的波长为7 - 10m ；（2）不同颜色的led灯实现实时指示作用。 4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）： 2012.11.26-2012.12.28： 查阅资料，充分理解课题，开题答辩； 2012.12.282013.3.15： 进行具体设计，搭建系统，撰写中期报告，中期检查； 2013.3.15203.4.7： 进行系统调试，分析结果，完成整个设计； 2013.4.7-2013.4.20：撰写毕业论文，进行论文内容、格式审查； 2013.4.20-20135.12：论文定稿、成果验收，上交论文、答辩 5.毕业设计（论文）的工作量要求 实验（时数）*或实习（天数）： 图纸（幅面和张数）*： 1张protel电路原理图。 其他要求： 1篇3000字的外文翻译 ；15篇参考文献，其中至少1篇外文参考文献；1篇不少于1.5万字的毕业论文。 指导教师签名： 年 月 日 学生签名： 年 月 日 系主任审批： 年 月 日说明：1本表一式二份，一份由学生装订入册，一份教师自留。2 带*项可根据学科特点选填。教室节能照明智能控制系统硬件设计摘 要日常生活中电能浪费现象比较严重，教室照明浪费现象尤为严重。由于使用学生不固定以及学生的节能意识的淡薄，白天教室照度很高的情况下，仍然普遍存在开灯作业；即使教室无人的情况下，也是全部开启教室照明。长明灯比比皆是，人走不熄灯的现象到处存在给社会造成了巨大的浪费。本文通过热释型红外传感技术，利用人体的红外信号和光照强度作为检测目标。当人进入其探测区域内，红外传感器将人体红外信号传递给信号处理系统，从而实施对控制电路的驱动与否，实现对控制对象的具体控制，最终由单片机对房间内是否有人和光线的综合实时控制。在有人的情况下光照强度达到设定值则灯不亮，光照强度低于设定值则灯亮。根据实际情况自动控制灯的开关，这样就会杜绝严重的浪费现象，并且具有明显的经济价值。关键词：单片机；教室照明节能；热释红外传感器；光敏电阻 the hardware design of classroom energy-efficient lighting intelligent control systemabstract in daily life, electric energy waste phenomenon is serious waste phenomenon is serious, the classroom lighting. as energy-saving awareness using the student is not fixed and students lack of classroom illumination, the day is very high, still exists on the job; even the classroom no circumstances, are all open classroom lighting. pilot lamp meet the eye everywhere, people do not walk out phenomenon exists everywhere caused great waste to society.the pyroelectric infrared sensor technology, light intensity as targets by the human body infrared signal and light. when people enter the detection area, infrared sensor transmits the human body infrared signals to the signal processing system, thus the implementation of the drive control circuit or not, realize the control of a controlled object, integrated real-time control is ultimately the room if someone and light. in the case of light intensity reaches the set value does not light, the light intensity is lower than the setting value of light. automatic control switch lights according to the actual situation, this will put an end to waste phenomenon is serious, and has obvious economic value.keywords: single chip microcomputer; classroom lighting energy saving; pyroelectric infrared sensor; photosensitive resistanceii目 录1 绪论11.1本课题研究的目的和意义11.2国内外研究现状21.3本课题研究的主要内容22 系统方案论证42.1节能照明实现方式方案论证42.1.1系统最基本的实现方案42.1.2 教室照度可调方案52.1.3系统设定调光电路工作的方案62.1.4方案的比较与选择72.2可见光检测电路方案论证82.2.1光敏电阻检测方案82.2.2光敏二极管检测方案92.2.3方案的比较与选择93 系统硬件核心器件介绍103.1 at89c51单片机器件简介103.2人体红外检测器件简介133.2.1热释电红外传感器133.2.2菲涅耳透镜153.2.3热释电传感器信号处理芯片183.3可见光检测器件简介223.3.1光敏电阻233.3.2电压比较器244 系统电路设计264.1单片机系统电路设计264.1.1复位电路设计264.1.2时钟电路设计264.2人体红外检测电路设计274.3可见光检测电路设计294.4按键电路设计314.5 led照明电路设计314.6执行模块电路设计325系统焊接调试运行及问题分析345.1pcb板焊接345.2单片机系统调试方法及步骤365.3主要问题分析366 结论38参考文献39致谢40毕业设计（论文）知识产权声明41毕业设计（论文）独创性声明42附录1系统protel电路原理图43附录2系统主程序44附录3照明基础知识4750西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）1 绪论1.1本课题研究的目的和意义加强高校节电管理，特别是照明节电不仅可以有效地节约用电、降低学校的经费开支，更重要的是通过学校的示范表率作用，提高学生乃至全社会的节电意。按照国标的规定，教室照明的功率密度约为10w/m2，假设教室的平均面积为100m2，则照明负荷约为1kw。如果每天正常使用时间为15小时，那么，一天每间教室的用电量为1kw15h15kwh，学生年在校为270天，则年用电量约为4050kwh.如果学校按照100m2折合教室数量为200间，则照明用电量为81万度左右。若节电率以平均30%计算，则一年可节电24.3万度，可节约电费1520万元左右。而且目前国家提倡节约型社会，节约型校园。建设节约型的校园的当务之急该是节省不该用的能源，防止浪费。据报道，很多高校的自习室等场所用电浪费现象严重。大家都已经习惯让教室成为长明场所。专家们为此算了一笔账：教室无人后如果不关闭电源开关，初步估算全国各高校每年将因此浪费20亿度电以上。20亿度电意味着什么呢？如果按平均每度电0.7元计算就意味着会损失十几亿元。节约用电，本人们应该从身边做起。为此本人们在教室的用电上开动脑筋想办法，做试验，提建议，为节能校园的建设贡献一份力量现代化家居照明系统要适应网络时代的发展，应引入智能化的概念。在传统的家居照明系统中，一般都是综合布线，使用刀开关来控制，灯具的寿命短，较费电。但近年来，随着经济的发展和科技的进步，人们对照明灯具节能和科学管理提出了更高的要求，使得照明控制在智能化领域的地位越来越重要。而在商品房的建设热潮中，各大楼盘和房地产商也意识到了智能照明的重要性。使用智能照明控制系统，更能体现其在节能与管理方面的优势。红外智能节电开关由于触发的时候不需要人发出任何声音，而是人走过时身体向外界散发红外热量最终控制灯具的开启，当人离开后，经过一定时间的延时，自动熄灭。因为不同于声光控灯，不需要声音和开关控制，从而避免了声控噪音的侵扰，同时因为它是感应人体热量控制开关，所以避免了无效电能的损耗，达到节能效果。1.2国内外研究现状目前国内外同领域大多都研究到智能自动控制在照明中的应用，以热释红外为基础来检测是否有人，靠单片机来实行自动控制，但是大多数只是停留在理论阶段，并未在实际生活中像声控那样广泛应用，而高校中用电量30%-40%都用在照明上，在这部分中浪费极为严重。因此，必须有一套节能设施，本作品正好可以解决出现的这些问题。现在的公共场所照明（比如公共走廊及楼梯间）应用最多的还是几年前出现的声光控延时灯具和开关。这种灯具和开关的出现，实现了人来灯亮，人走灯灭，目前已成为公共场所照明开关的主流产品。当然，这种产品在某种程度上说确实实现了节能的目的，但同时也给人们的生存环境造成了一定的破坏。由于产品本身性能的限制，这种声光控灯具和开关自动控制的实现需要（超过60分贝）声音的配合，这就给大众需要的安静环境造成一定的噪声污染。1.3本课题研究的主要内容作为一名即将毕业的学生，在校期间，对学校的教室以及图书馆的照明设计不太满意。本人认为有很多可以改进的地方。试举一下几种不太好的现象：一是在不需要开灯的情况下，灯长亮；二是人走灯长明，以至于管理员很辛苦的一个教室挨一个教室的去关灯。因为这些情况都造成了很多不必要的浪费。这样下来，无形中所浪费的电能是非常惊人的。据测算，这种现象的耗电占其单位所有耗电的40% 左右。因此，有必要在保证照明质量的前提下，实施照明节能措施。这不仅可以节约能源，而且会产生明显的经济效益。当然说经过教导，相信肯定可以减少这些浪费能源的情况发生，但从技术上完全可以解决这个问题。廉价实用的单片机就是为此而生的。单片机是在一块芯片上集成了计算机各基本功能部件的计算机系统，包括cpu、rom、ram、i/o口、定时器与计数器以及中断系统等等。单片机在现代生活和工业生产中得到了广泛的应用。单片机应用所受到的主要限制不是技术问题，而是创造力和技巧上的问题。针对生活中这种照明中电能浪费的现象设计一套使用单片机控制的智能照明系统。本设计的主要应用范围也是教室、图书馆和办公室等公共场所。该系统应用了两种传感器，人体红外传感器和自然光线传感器，对现场的自然照明情况和人员情况，实现实时自动检测与控制的功能，从而实现节能降耗的目的。具体功能如下：第一，系统设计人体红外检测电路，有进入探测范围时输出信号。第二，系统设计自然光检测电路，对照明现场的亮度进行自动检测。虽在工作时间，但现场的亮度如果能够满足设定要求时，系统同样关闭照明设备。第三，设计按键电路，设定强制开灯和强制关灯按键。如有需要人为开灯或灭灯，可按相应键。比如在教室内，晚上要演示幻灯片，现实条件是室内有人，自然照度不满足工作要求，按照系统的自动控制程序，是不会灭灯的，但本人们确实需要灯灭，这时就可以按下强制关灯按键8。设计该系统的理念是：第一，“以人为本，人使用灯”；第二，“节能环保”。2 系统方案论证2 系统方案论证2.1节能照明实现方式方案论证在设计最初需要一个整体的思路来确定设计的框架。首先根据设计任务来确定所需的功能模块；然后按照一定的作用顺序把各个功能模块连接起来。本系统需要两个传感器来分别检测人体红外信号和自然光强信号，需要按键电路来强制灯的开关，还需要指示电路来指示系统的工作状态，等等7。如图2.1，为该照明系统总体框图。照明电路继电器执行电路led指示电路人体红外检测电路at89c51单片机按 键 电 路自然光检测电路晶振电路复位电路图2.1 系统总体框图该照明系统总体框图，包括：系统核心at89c51单片机，输入为两个传感器电路即人体红外检测电路和自然光检测电路，强制开关的按键电路。输出是led指示电路以及继电器执行电路。最后由继电器电路来控制照明电路的通断，从而实现照明的自动控制。这里的流程图是方案流程图，是提出来的思路流程图。可以提出好几种方案，来进行比较，评价，最终确定一种比较合理的方案，如下是本人提出的三种方案。2.1.1系统最基本的实现方案西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）如图2.2是一种系统最基本的实现方案的流程图。控制方案的流程图，流程经过初始化以后，先判断有无按键按下，如果有则执行相应按键处理程序。如果没有，继续判断红外检测电路有无探测到有人，无人时，灭灯并返回继续判断有无按键按下。如果探测到有人，就接着判断当前照度是否满足设定要求。若照度满足要求，继续返回灭灯程序；若不满足，就给继电器一个动作信号，使其动作，从而开启照明电路9。开始按键处理程序有无按键？初始化开灯灭灯nnyyny有人？光照满足？图2.2系统最基本的实现方案流程图在设计系统流程时，是先判断光照还是先检测是否有人是，本人遵循的原则是“以人为本，人使用灯”。如果没有人，开关灯就无意义，所以应先判断是否有人，而不是先判断光照情况。本方案是智能照明系统的一种最简单的流程图，表现在什么地方呢，就是它只控制灯的亮与灭，没有调光功能。后面的方案将体现方案一的这点不足。2.1.2 教室照度可调方案如图2.3为照明系统调节照度方案的流程图。 开始初始化有无按键?按键处理程序?灭灯开一半全开ynyynnn有人否？照度x2?照度x1?图2.3教室照度可调方案流程图如果设计的照明控制系统能够调节照度，那么照明效果和节能效果将会更好。如图2.3具有两个照明调节等级的方案。按键判断与有没有人的判断与方案一相同，可见光照度判断与方案一不同，其工作方式为：设照度x2x10,当环境照度ex2时，不需要人工照明：当x1ex2时，开一半的灯，即可满足照明需求；当ex1时，灯全部打开。这样在傍晚，阴天的时候，就可以比方案一节约不少电能。2.1.3系统设定调光电路工作的方案如图2.4为照明控制系统设定调光电路工作方案的流程图。 开始初始化，设定照度值e0有无按键?按键处理?有人否？灭灯ynyynn检测当前照度值e1,与e0比较启动调光电路e1e0？图2.4 调光电路流程图此方案的特别之处也在于它的可见光检测电路和调光电路。它能够监测当前照度值e1，与设定值e0作比较，当e1x10,当环境照度ex2时，不需要人工照明：当x1ex2时，开一半的灯，即可满足照明需求；当ex1时，灯全部打开。这样在傍晚，阴天的时候，就可以比方案一节约不少电能。第三种方案它够监测当前照度值e1，与设定值e0作比较，当e1e0时，启动调光电路进行照明补偿，维持照度不低于设定值e0。方案三的可见光检测电路精度要高于前两种方案，因为它的调光需要一个精确的反馈值来设定调光电路的工作。尽管方案一是最简单，最基本的方案，却也体现了智能照明的基本思路。方案二实现两种等级的控制，方案三实现一种连续的控制是比较难的。这次设计本人就以第一种方案来设计该照明系统。2.2可见光检测电路方案论证可见光检测电路中的感光器件有两种：一种为光敏电阻，另一种为光敏二极管。2.2.1光敏电阻检测方案如图2.5光敏电阻电路图，该方案的感光器件为光敏电阻r25，r19-为精密电阻。光敏电阻r25一端接+5v电源，另一端与r19电阻分压。图2.5 光敏电阻电路图该方案的感光器件为光敏电阻r25，r19为精密电阻。光敏电阻r25一端接+5v电源，另一端与r19的电阻分压。当有光照射时，光敏电阻阻值下降，三级管vt进入饱和状态，输出为低电平；当无光照时，三极管vt截止，输出为高电平。经电压比较器与反向器整形后直接与单片机i/o口连接。2.2.2光敏二极管检测方案如图2.6光电二极管电路图。 图2.6 光电二极管电路图 使用一个光敏二极管d2，电压比较器u3为电压比较器集成芯片lm339的一个单元，电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。2.2.3方案的比较与选择方案一使用一个光敏电阻作为光线传感器检测环境的光照度,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；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。同时利用相反器和电压比较器作为放大倍数接近“无穷大”的运算放大器，利用可调电阻用来设定与所要设定照度值对应的比较电位。方案二使用一个光敏二极管d2作为光线传感器检测环境的光照度，方案一和方案二相比较，方案一在应用中更加灵敏，效果更好，因此在本次设计中选则方案一来实现可见光检测。3 系统硬件核心器件介绍3 系统硬件核心器件介绍3.1 at89c51单片机器件简介at89c51是美国atmel公司生产的低电压，高性能cmos 8位单片机，片内含4kb闪烁可编程可擦除只读存储器（fperomflash programmable and erasable read only memory）和128b的随机存取数据存储器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准mcs-51指令系统，同时，at89c51可降至0hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止cpu的工作，但允许ram，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存ram中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。功能强大at89c51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域1。如图3.1为at89c51外形图。图3.1 at89c51外形图a. at89c51主要性能参数：与mcs-51产品指令系统完全兼容；4k字节可重擦写flash闪速存储器1000西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）写周期；全静态操作：0hz24mhz；1288字节内部ram；32个可编程i/o口线；2个16位定时/计数器；6个中断源；可编程串行uart通道；低功率空闲和掉电模式。6（1）at89c51结构框图于引脚说明10。图3.2 at89c51结构框图at89c51结构框图如图3.2所示。 b. 引脚功能说明vcc：电源电压;gnd：地p0口：p0口是一组8位漏极开路型双向i/o，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个ttl逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在flash编程时，p0接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻11。p1口：p1口是一个带内部上拉电阻的8位双向i/o口，p1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个ttl逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉倒高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（iil）。flash编程和程序校验期间，p1接收低8位地址。p2口：p2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个ttl逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（iil）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行mov a，a+dptr指令）时。p2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（例如执行movx ri，a指令）时，p2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（sfr）区总r2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。flash编程或校验时，p2亦接收高位地址和其他控制信号。p3口：p3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向i/o口，p3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个ttl逻辑门电路。对p3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的p3口将用上拉电阻输出电流（iil）。p3口除了作为一般的i/o口线外，更重要的用途是它的第二功能， p3口还接收一些用于flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号2。表3.1 p3口第二功能p3端口第二功能第二功能说明p3.0rxd串行口输入端p3.1txd串行口输出端p3.2外部中断0输入端p3.3外部中断1输入端p3.4t0定时器/计数器0外部信号输入端p3.5t1定时器/计数器1外部信号输入端p3.6外部ram写选通输出信号p3.7外部ram读选通输出信号rst：复位输入。当振荡器工作时，rst引脚出现两个机器周期以上高电平将单片机复位。ale/：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ale（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器。ale仍一时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。但要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ale脉冲。对flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（sfr）区中的8eh单元的d0位置位，可禁止ale操作。该位置位后，只有一条movx和movc指令ale才会被激活，此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ale无效。：程序存储允许（）输出是外部程序存储器的读选通信号，当at89c51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的信号不出现。/vpp：外部访问允许，欲使cpu仅访问外部程序存储器（地址为0000hffffh），端必须保持低电平（接地）。需要注意的是：如果加密位lb1被编程，复位时内部会锁存ea端状态。如端为高电平（接vcc端），cpu则执行内部会锁存端状态。flash存储器编程时，该引脚加上+12v的编程允许电源vpp，当然这必须是该器件是使用12v编程电压vpp。xtal1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。xtal2：振荡器3放大器的输出端3。3.2人体红外检测器件简介3.2.1热释电红外传感器热释电红外传感器(pyroelectric infrared sensor，简称pir)是20世纪80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。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。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如作电源开关控制、防盗防火报警、自动侦测等。13如图3.4是re2000b实物图，g是接地端，s是信号输出端，d是接+5v电源端。图3.5是该传感器的典型应用电路图。图3.4 re200b实物图图3.5 re200b应用电路a. 释电红外传感器工作原理 热释电红外传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为21mm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1020m范围内人的行动。b. 动式热释电红外探头的优缺点 优点：本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。价格低廉。 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。3.2.2菲涅耳透镜菲涅耳透镜（fresnel len），又称螺纹透镜，是由法国物理学家奥古斯丁简菲涅耳所发明的一种透镜。此设计原来被应用于灯塔，这个设计可以建造更大孔径的透镜，其特点是焦距短，且比一般的透镜的材料用量更少、重量与体积更小。和早期的透镜相比，菲涅耳透镜更薄，因此可以传递更多的光，使得灯塔即使距离相当远仍可看见。如图3.6为菲涅尔透镜实物图。图3.6 菲涅尔透镜实物图a. 菲涅尔镜片的原理和应用菲涅尔镜片是根据法国光物理学家fresnel发明的原理采用电镀模具工艺和pe（聚乙烯）材料压制而成。镜片（0.5mm厚）表面刻录了一圈圈由小到大，向外由浅至深的同心圆，从剖面看似锯齿。圆环线多而密感应角度大，焦距远；圆环线刻录的深感应距离远，焦距近。红外光线越是靠进同心环光线越集中而且越强。同一行的数个同心环组成一个垂直感应区，同心环之间组成一个水平感应段。垂直感应区越多垂直感应角度越大；镜片越长感应段越多水平感应角度就越大。区段数量多被感应人体移动幅度就小，区段数量少被感应人体移动幅度就要大。不同区的同心圆之间相互交错，减少区段之间的盲区。区与区之间，段与段之间，区段之间形成盲区。由于镜片受到红外探头视场角度的制约，垂直和水平感应角度有限，镜片面积也有限。镜片从外观分类为：长形、方形、圆形，从功能分类为：单区多段、双区多段、多区多段。如图3.7是常用圆形镜片外观示意图。图3.7 圆形镜片外观示意图如图3.8是三区多段镜片垂直和平面感应图。图3.8 常用镜片感应图当人进入感应范围，人体释放的红外光透过镜片被聚集在远距离a区或中距离b区或近距离c区的某个段的同心环上，同心环与红外线探头有一个适当的焦距，红外光正好被探头接收，探头将光信号变成电信号送入电子电路驱动负载工作。整个接收人体红外光的方式也被称为被动式红外活动目标探测器。如图3.9，是圆形镜片探测效果图。图3.9 圆形镜片探测效果图b. 镜片的颜色与参数镜片主要有三种颜色：1、聚乙烯材料原色，略透明，透光率好，不易变形。2、白色主要用于适配外壳颜色。3、黑色用于防强光干扰。镜片还可以结合产品外观注色，使产品整体更美观。每一种镜片有一型号（以年号+系列号命名），镜片主要参数：1、外观描述外观形状（长、方、圆）、尺寸（直径）。以毫米为单位。2、探测范围指镜片能探测的有效距离（米）和角度。3、焦距指镜片与探头窗口的距离，精确度以毫米的小数点为单位。c. 提高镜片作用效果的方法增强探测动作灵敏度的方法。前面已经阐述区段数量越多被感应人体移动幅度就越小，因此，选用区段多且密的镜片就能增强探测动作灵敏度，人体只要在感应的有效范围内稍微移动就有效。段密度高的镜片在50mm长度有26段之多。 增强抗干扰的方法。从前面阐述的原理中得知，区段数量少被感应人体移动幅度就要大，选用区段数量少的镜片就能减少误动作，一是人体运动幅度要大二是区段数量少的镜片形成局部探测，减少外围干扰源。菲涅尔透镜的主要作用就是将探测空间的红外线有效地集中到传感器上。通过分布在镜片上的同心圆的窄带（视窗）用来实现红外线的聚集，相当于凸透镜的作用。这部分选择主要是看透镜窄带的设计及透镜材质。考虑透镜的参数主要有：光通量、不同透镜同心度、厚度不均匀性、透镜光轴与外形同心度、透过率、焦距误差等。菲涅尔透镜窄带（视窗）的设计一般都是不均匀的，自上而下分为几排，上面较多、下边较少，一般中间密集、两侧疏。因为人脸部、膝部、手臂红外辐射较强，正好对着上边的透镜；下边较少，一是因为人体下部红外辐射较弱，二是为防止地面小动物红外辐射干扰。材质一般用有机玻璃。 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，从而增强其能量幅度。人体辐射的红外线中心波长为910m测元件的波长灵敏度在0.220m范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为710m，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。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，经信号处理而报警。菲涅尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。3.2.3热释电传感器信号处理芯片a. ss0001概述本设计采用biss0001来完成对热释电传感器输出信号的处理。biss0001是一款具有较高性能的热释电传感器信号处理集成电路，它主要由运算放大器、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。如图3.10为芯片的实物图和外观引脚图。表3.2为芯片引脚功能说明表。(a)(b)图3.10 biss0001芯片实物图与外观图 (a)实物图 (b)外观图表3.2 管脚功能说明序号名称i/o功能1ai可重复触发和不可重复触发控制端，当a=1时，允许重复触发；当a=0时，不可重复触发2voo控制信号输出端。由vs的上跳变沿触发，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b. 功能叙述biss0001是cmos数模混合专用集成电路。具有独立的高输入阻抗运算放大器，可与多种传感器匹配，进行信号与处理。双向鉴幅器，可有效抑制干扰。内设延迟时间定时器和封锁时间定时器，结构新颖，稳定可靠，调解范围宽。表3.3 电气参数（表中无特殊说明时vdd=5v）符号参数测试条件参数值单位最小最大vdd工作电压范围36vidd工作电流输出空载vdd =3v50a100vos输入失调电压50mvios输入失调电流50naavo开环电压增益rl=1.5m60dbcmrr共模抑制比rl=1.5m60dbvyh运放输出高电平rl =500k接0.5vdd4.25vvyl运放输出低电平0.75vvrhvc端输出高电平vrf=5v1.1vvrlvc端输出低电平0.9vvohvo端输出高电平ioh=0.5ma4vvolvo端输出低电平iol=0.1ma0.4vvaha端输出高电平3.5vvala端输出低电平1.5v工作原理：如图3.11为biss0001红外感应信号处理器的内部框图。外界元件由使用者根据需要选择。由图可见biss0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器和封锁时间定时器即参考电压等构成的数模混合专用集成电路。可广泛应用于多种传感器和延时控制器。图3.11 biss0001内部框图如下说明各种情况的工作方式。a不可重触发工作方式各点工作波形：图3.12 不可重触发工作方式各点工作波形 首先，根椐实际需要，利用运算放大器op1组成传感信号预处理电路，将信号放大。然后，耦合给运算放大器op2，再进行第二次放大，同时将直流电位抬高为vm（0.5vdd）后，将输出信号v2送到由比较器cop1和cop2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号vs。由于vh0.7vdd、vl0.3vdd，所以，当vdd=5v 时，可有效抑制1v 的噪声干扰，提高系统的可靠性。 cop3是一个条件比较器。当输入电压vcvr（0.2vdd）时，cop3输出为低电平封住了与门u2，禁止触发信号vs 向下级传递；而当vcvr，cop3输出为高电平，进入延时周期。当a端接“0”电平时，在tx 时间内任何v2的变化都被忽略，直到tx时间结束，即所谓不可重复触发工作方式。当tx 时间结束时，vo下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期ti 。在ti 时间内，任何v2的变化都不能使vo跳变为有效状态（高电平），可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。b可重触发工作方式各点工作波形：图3.13 可重触发工作方式各点工作波形在vc=“0”、a=“0”期间，信号vs不能触发vo为有效状态。在vc=“1”、a=“1”时，vs可重复触发vo为有效状态，并可促使vo在tx 周期内一直保持有效状态。在tx 时间内，只要vs发生上跳变，则vo将从vs上跳变时刻起继续延长一个tx周期；若vs保持为“1”状态，则vo一直保持有效状态；若vs保持为“0”状态，则在tx周期结束后vo恢复为无效状态，并且，同样在封锁时间ti时间内，任何vs的变化都不能触发vo为有效状态。热释电传感器s极输出信号送入biss0001的14脚，经内部第一级运算放大器放大后，由c3耦合从12脚输入至内部第二级运算放大器放大，再经电压比较器构成的鉴幅器处理后，检出有效触发信号去启动延迟时间定时器，最后从12脚输出电压信号送人单片机进行照明控制。实验所得，当传感器检测室内有人时，vo4v；无人时vo0.4v。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3步处理滤波放大、窗口比较、噪声抑制及数字信号处理。biss0001就是由运算放大器、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。它采用cmos工艺、数模混合，具有独立的高输人阻抗运算放大器，内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰。它有两种工作方式供选择，通过将引脚a置1或0。可设置为可重复触发方式和不可重复触发方式。本系统选择可重复触发方式。在将传感信号进行预处理后，通过双向鉴幅器可检测出有效触发信号vs。由于选择的是可重复触发方式，vs可重复触发vo为有效状态，并可促使vo在延时周期tx内一直保持有效状态。延时周期的大小可通过r1和c1调节。在tx时间内，只要vs发生上跳变，vo就会从vs上跳变时刻起继续延长一个tx周期，若vs保持为“0”状态，则vo一直保持有效状态;若保持为“0”状态，则在周期tx结束后vo恢复为无效状态, 并且在封锁时间ti时间内，任何vs的变化都不能触发vo为有效状态。c. bss0001的应用biss0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路。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炙灯、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、照明和报警系统以及多种传感器和延时控制器。3.3可见光检测器件简介3.3.1光敏电阻如图3.14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