红外热释电感应灯课程设计.doc

29课程设计说明书（2011 /2012学年第一学期）课程名称 ： 电子系统应用课程设计 题 目 ： 专业班级 ： 学生姓名 ： 学 号： 指导教师 ： 设计周数 ： 2周 设计成绩 ： 2012年01月04日1 概论1.1 论文选题背景及意义随着科学技术的进步，传感器技术日益发展并渗透到人们的日常生活当中。红外传感器是其中较为常见的一种，广泛应用于机场、宾馆等处的自动门，自动照明控制，保安防盗等各个方面。常用的自动照明控制主要是利用人体经过热释电红外传感器时，所造成的红外线的变化被红外传感器接收到并转换成一定的电信号，而利用该电信号就可实现照明控制。由于热释电红外传感器只能对红外线的变化作出反应，即它只对物体的运动敏感，这就决定了它在走廊楼道的自动照明控制中具有广泛的应用。在日常生活中，红外自动感应灯的应用相当广泛，比如，家庭楼道、小区、酒店、航天等地方，经常需要用到红外自动感应灯，对于一些地方，比如仓库，储藏室地方等地方，红外感应灯不仅仅应用于照明，还起到一个预警的作用1。在常规的环境参数中，人体感应是最难进行探测的一个参数，过去用光敏电阻或红外探测管来探测人体的方法，早已无法满足现代科技发展的需要。这是因为红外探测比红外测量要复杂的多，红外测量是个独立的被测量，而人体探测却受到其他因素的影响，红外探测与大气压强，温度呈一定规律的函数关系。因此，用常规的方法进行人体红外探测的误差可达5%10%。此外，人体红外探测的校准也是一个难题，光敏电阻等传统方法不能用做标定，这是因为标定后的精度无法保证，人体感应的标定对环境条件要求十分严格。如何去除环境的影响，将人体红外信号有效地检测出来将成为一个值得研究的话题。就目前而言，利用热释电红外传感器对运动物体探测原理的走廊楼道自动照明控制系统已经得到了广泛的应用，其主要功能是：当传感器探测到有人经过，则控制照明灯开启，延时一段时间后再控制照明灯关闭，既实现了自动控制又不会造成电力浪费，是对传统的手动开关、手动的延时开关的改进2。本设计将热释电红外传感器用于卫生间智能化照明系统将具有同样的效果，比声控开关更简便，不需要人有意识的发出任何动作就可以实现自动控制。因热释电红外传感器仅对人体释放的、特定波长的红外光最敏感，因而误动作极小。将其作为探测器不需要外界提供能量，因为探测器本身不发出任何形式的能量，只是靠接收人体发出的红外线能量变化来完成非接触探测目的。红外线是不可见光，这样就可以在环境不发生任何变化的情况下有效的利用了资源和节约了能量。 将热释电红外传感器用于卫生间智能化照明系统具有如下优点： （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1.2 课题分析此类设计的要点在于对红外线信号的放大及处理，尤其是从系统的稳定性上下功夫，运放用作放大电路已为电子设计师所常用，因为其放大倍数完全可以通过反馈量的大小来进行调节3，同时外围电路非常简单，性能也较好，但是作为放大从传感器接收下来的人体红外信号时，由于传感器易受热噪声的影响4，放大器放大倍数的选择是一大难点，也是本设计成功与否的关键所在，选大了，无法关断所控制的照明灯，选小了，又检测不到人体发出的红外线信号。另外，前级的放大倍数与干扰比较电路的参数选择应配合起来，如何区分是热噪声信号还是有效的人体信号，另一方面还取决于对比较器参考电压的选择，至于延时部分的选择相对来说比较简单，只要前面部分的工作可靠了，一般后续电路就较为容易实现了。热释电红外传感器多用于检测人体发射的红外线，其检测区呈球形，所以采用它不用担心角度问题。由于敏感元件的输出阻抗极高，而且输出电压极其微弱，故在传感器内部装有场效应管及偏置厚膜电阻（RG、RS）,构成信号放大及阻抗变换电路。这是将红外传感器用于检测电路的基础，否则，后续电路将无法工作。在此基础上，如上所述，放大电路进一步将信号放大后才能驱动控制电路。热释电红外传感器自身的接收灵敏度较低，一般检测距离仅2米左右，为了增加探测距离，需要在红外探头前加一菲涅尔透镜，采用菲涅尔透镜后可使有效检测距离达12米左右，传感器的灵敏度提高10倍以上，白天在有光照的情况下，卫生间不需要开启灯光照明，考虑到阴天，有时光线特别暗的情况下就需要照明，正对此种情况，可利用光敏电阻组值随光照发生变化的特性将其用于电路中，这样就可以在需要的时候自动开启卫生间的照明灯，从而实现了卫生间智能化照明系统的节能与智能控制方式。 1.3 智能化照明系统发展状况在当今世界经济全球化和区域经济一体化的形式下，随着信息行业和计算机产业的高速发展、人们物质与精神生活水平的迅速提高，人们对工作和生活环境的灵活性、高效性和舒适性要求越来越高，传统的工作、居住环境受到了强有力地挑战，智能建筑，智能小区，智能家居等应运而生，楼宇自动化(BA)、通信自动化(CA)、办公自动化(OA)、家庭自动化(HA)等各种自动化系统不断出现，人们对照明的要求也越来越高，传统的照明技术受到了时代的强烈冲击，现代照明技术发生了深刻的变化，“智能照明”技术随之出现，并迅速地向前发展，以致形成照明技术发展的几个重要阶段。（1）传统控制方式照明阶段照明控制可分为开关控制和调光控制，调光控制又包括连续的调光控制(被控光源的光通量可连续的变化)和不连续的调光控制(被控光源的光通量只能在若干固定的预设值之间变化)。按发光原理划分，照明光源通常可分为热辐射光源和气体放电光源，其典型的光源分别为白炽灯和荧光灯。热辐射光源，即利用电能使物体加热到白炽程度而发光的光源;气体放电光源，即利用气体或蒸气的放电而发光的光源。对于热辐射光源来说，既可以实现开关控制，也可以实现调光控制，只需要调节供给光源的供电电压即可调节光通量的输出。而对气体放电光源来说，实现调光控制并非那么简单，不能简单的控制供给光源的供电电压，这类光源都有镇流器，220V工频电压经过整流器后再给光源供电，要实现调光控制，必须研制适应具体气体放电光源的匹配镇流器。通过控制镇流器的输出电压的频率和电压来调节光源的光通量输出自爱迪生发明第一个灯泡开始，传统照明控制方式就己经产生，这种控制方式多以手动控制为主。常见的有以下几种:其一，利用设置在灯具配电回路中的开关(配电回路中的保护开关或手动开关等)来控制配电回路的通断，从而实现灯具开关控制;其二，利用设置在灯具配电回路中的手动旋钮（传统调光控制柜和灯光控制台等）调节供电回路的电气参数（主要是电压、电流、频率等），从而实现灯光的明暗调节，即调光控制其原理如图1-1所示。图1-1 传统照明控制方式原理图传统方式对照明控制而言，简单，有效，直观。但它过多依赖控制者的个人能力，控制相对分散和无法有效管理，其实时性和自动化程度太低。图1-2 自动照明控制方式（2）自动控制方式照明阶段这种控制方式利用数字控制技术来遥控灯具的开关。通常是控制中心发出信号，通过直接数字控制器（DDC）来控制配电回路中的交流接触器的分合，从而控制配电回路的通断，实现灯具开关控制。采用该种方式，解决了传统方式控制相对分散和无法有效管理等问题，实现了照明控制的自动化但却无法实现调光控制功能。其控制原理如图1-2所示。自动照明控制方式与传统照明控制方式相比，主要解决的问题是集中控制的问题，自动化程度相对提高，但由于DDC系统本身固有的技术特点，使得DDC在照明控制系统中表现出明显不足，不仅无法实现调光控制，而且也很难实现灯光场景等预设置和场景管理等功能。DDC系统的主要优点是易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制时间的选择上可以统一调度安排。不足的是，对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统任务量增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。尽管集散控制系统(DCS )逐步取代DDC系统，而且实现了分散控制与集中管理功能，但对于底层的设备来说，仍然是传统的DDC技术，唯有把现场总线技术应用到现场设备级管理后，这个问题才能得到根本性解决。（3）智能控制系统照明阶段二十一世纪是一个网络化时代，数字控制技术不断提高，网络化管理正逐渐渗透至各种传统控制系统中。进入二十世纪后，随着人民生活水平不断提高，人们对照明的要求也发生了很大的改变。尤其在一些中高档的建筑中，照明不再单纯地为满足人们视觉上的明暗效果，更应具备多种的控制方案，使建筑物更加生动，艺术性更强，给人丰富的视觉效果和美感。二十世纪90年代初，智能建筑己不再简单地等同于楼宇设备自动管理。在一些建筑物中的重要场所，简单地开关控制己无法满足要求。人们开始追求多样化的照明控制方式，使环境能体现出多种艺术效果。智能照明控制方式使照明自动控制不再依赖于楼宇设备自动管理系统，真正实现了照明控制的独立。同时该方式不仅具备开关灯控制，而且还能对光源进行调光控制。它是一个集多种照明控制方式、现代化数字控制技术和网络技术于一身的控制系统。它的出现和发展，使照明控制和维护管理变得更为简单，并为建筑照明提供了多种艺术效果。智能照明控制系统被越来越广泛地接受和使用，这类产品和生产商更是层出不穷。正确的照明控制方式是实现照明艺术性和舒适性的有效手段，是节约能源的有效措施。绿色照明是指所用照明产品高效率、长寿命、节电、节能、低噪音、低谐波、低电磁干扰。在照明设计中，合理和正确地选用照明控制方式，不仅是经济性和实用性的良好统一，也是一个实现“绿色照明”的重要环节。1.3.1智能化照明系统发展动态随着照明的不断发展，照明控制系统已从传统控制方式发展到智能控制系统，目前，纵观国内外研究开发的智能照明控制系统，按其通信介质主要有总线型、电力线载波型、无线网络型等。按照网络的拓扑结构可以分为集中式或分布式。智能化照明系统依赖于信息技术的发展及人民生活水平和文化水平的提高。随着微处理器和网络技术的普及，国外于八十年代提出了智能化照明的基本框架；以建筑物内的数字通信设施为核心，配置面向商务用户的安防系统和资源控制系统，并逐渐增加了计算机网络和相应设施，出现了商住融合的概念。九十年代以后，互联网的普及和电子商务的应用导致了信息社会的实用阶段，并形成了大规模的信息基础建设和电子政务的实施，形成了有利于数字社区建设的良好的外部环境。智能化照明不仅有了坚实的技术基础，并已进入了规范性发展的实用阶段。(1)智能化照明系统进一步加强了网络的功能。通过完备的网络可以实现社区机电设备和家庭电器的自动化智能化远程监控，实现一体化、联动安防系统的自动化、智能化监控。(2)智能照明应用现代数字技术，包括现代传感技术，信号与处理技术、电子技术、计算机技术、和网络技术，加快了信息传播的速度，提高了信息采集、传播、处理、显示的性能，增强了安全性。(3)提高了智能系统的集成程度，实现了信息和资源的充分共享，提高了系统的优化程度。随着生活水平的提高，居住小区正朝着节能、环保、生态化方向发展。智能化系统作为其必备的组成部分，在其中担负着重要作用，成为其智慧核心。1.3.2 红外传感器原理及其在智能化照明系统中的应用状况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，但并未受到重视，直到六十年代，随着激光、红外技术、半导体技术和新型材料的迅速发展，生产成本不断下降，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。近年来，伴随着集成电路技术的飞速发展，以及对该传感器的特性的深入研究，相关的专用集成电路处理技术也迅速增长。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。除了在我们熟知的楼道自动开关、防盗报警上得到应用外5，在更多的领域应用前景看好。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机。电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的机构。开启监视器或自动门铃上的应用6。结合摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等等设计人员完全可以结合其它电路，充分发挥自己的思维，开发出更加优秀的新产品或自动化控制装置。1.4课题任务和研究内容1.4.1课题任务1）查阅红外线控制方面的相关资料，了解此方面的发展状况；2）掌握热释电传感器的工作原理及使用方法；3）掌握运放电路组成的放大电路及脉冲整型电路工作原理；4）考虑抗干扰措施； 5）设计、实现该系统；1.4.2研究内容本课题主要研究红外传感器在照明领域中的应用，其关键技术在于体现其智能化照明。研究如何在照明电路中，增加红外感应对电路的控制。研究如何处理传感器的输出信号及如何利用放大电路将传感器输出的微弱信号放大到可以输出的有效控制信号。为了保证电路可靠工作，要设置适当的增益；热释电传感器输出的探测信号十分微弱，要使这种信号控制一个电路，必须要将其放大6070dB ，而且使用的放大器必须要限制在一定的带宽内，以防止噪声对它的干扰。对热释电红外传感器的噪声特性进行分析，考虑抗干扰措施；分析如何消除环境温度造成的探测误差 ，并研究基于红外传感器的卫生间智能化照明系统的气候防护及实现智能照明与节能问题，以达到高效、环保的目的。 1.5 论文的研究方法任何一个复杂的问题都是从最简单的方面着手，循序渐进，才能突破一个复杂的系统。本课题的设计首先将从热释电红外传感器着手。传感器作为感受被测量信息的器件，希望它能够按照一定的规律输出有用信号。因此，需要研究其输出-输入关系及特性，以便用理论指导其设计、制造、校准与使用。其次，确定总体设计方案，分析智能化照明系统主要由哪几个模块组成，拟定系统总体设计框架；然后再从具体模块着手，分析每个模块的功能及其基本组成和工作原理，需要对每个模块进行细致入微的分析，不能遗留问题。否则，整个电路可能无法正常工作，因为这一步是对系统基本框架的各个组成的具体实施，所以一定要认真完成各个模块的设计。最后在深入了解基于红外传感器的一般原理和技术，智能照明系统的一般组成和关键技术，红外技术、传感器技术及红外传感器技术在照明系统方面的应用的基础上对电路的整体工作原理及可行性进行综合分析，还要考虑一些细节和特殊情况，使系统具有处理特殊情况的功能，完善电路。在设计时应考虑多方面的因素，力求达到系统工作稳定、功能强大、控制灵敏的目的。除此之外，为了确定系统能准确无误的执行既定的功能，最后对元器件进行调试。1.6 论文预期成果以及解决的关键问题1.6.1 预期成果（1）设计出一个利用单片红外热释电传感器系统来进行人体探测的方法，将传感器检测到的信号经放大、整形、误差判别、延时处理等集于一体的系统来实现对照明灯开关的控制。（2）通过对课题的分析，拟定设计方案、步骤，对系统总体进行详细的分析，设计出一种可行的方案，掌握一定的设计方法。（3）对基于红外传感器的卫生间智能化照明系统的实现技术的一系列文档及研究论文。1.6.2 论文解决的关键问题热释电红外传感器是目前在防盗报警、火灾检测、自动门、自动水龙头、自动电梯、自动照明及非接触温度测量等领域应用最广泛的传感器。其原因为：被测对象自身发射红外线，可不必另设光源；大气对22.6um、35um、814um3个被被称为“大气窗口”的特定波段的红外线吸收甚少，可非常容易被检测；中、远红外线不受可见光影响，可不分昼夜进行检测。所以将传感器用于卫生间照明具有很多优势，采用双元型热释电红外传感器将具有更多优点。所谓双元件就是在一个传感器中有两个反向串联的敏感元件，其特点是：当入射能量顺序地射到两个元件上时，其输出要比但元件高一倍；由于两个元件逆向串联，对于同时输入的能量会相互抵消，可防止太阳或灯头等红外线引起误动作；可防止因环境温度变化引起的检测误差；常用的PZT敏感元件还具有压电效应，所以PZT敏感元件还可以消除因振动引起的检测误差。通过以上对热释电红外传感器优越性的介绍我们知道，在智能化照明系统中选择热释电红外传感器可以使照明电路更简单，能实现自动控制。其关键问题就是如何将热释电红外传感器应用与智能化照明系统中，经分析一个较完整的热释电红外探测电路应包括：传感器，高、低通放大器，电压比较器，延时电路及执行电路等单元。7其中，放大器将传感器输出的微弱信号放大到便于测量的信号值，电压比较器起到鉴别有无人体进入检测区的作用，同时也消除环境温度变化所产生的干扰。延时电路使人员有充分时间离开卫生间。本设计涉及到还有一个比较关键性的问题就是：如何将光敏电阻接入电路中，光敏电阻要控制开关，检测信号也要控制开关，如何才能把两者统一起来，及如何将光敏电阻与热释电红外传感器、放大器、电压比较器、延时电路及执行电路有效的结合起来。所以就要分析电路，分析将光敏电阻接入电路的哪部分，怎样达到有效的控制作用。2 智能化照明系统的研究2.1 智能化照明系统随着现代建筑科学技术的不断进步和发展，人们物质文化和精神生活水平迅速的提高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）实现照明控制智能化。采用智能照明控制系统，可以使照明系统工作在全自动状态，系统将按先设定的若干基本状态进行工作，这些状态会按预先设定的时间相互自动地切换。例如，当一个工作日结束后，系统将自动进入晚上的工作状态，自动并极其缓慢地调暗各区域的灯光，同时系统的移动探测功能也将自动生效，将无人区域的灯自动关闭，并将有人区域的灯光调至最合适的亮度。此外，还可以通过编程随意改变各区域的光照度，以适应各种场合的不同场景要求。智能照明可将照度自动调整到工作最合适的水平。例如，在靠近窗户等自然采光较好的场所，系统会很好地利用自然光照明，调节到最合适的水平。当天气发生变化时，系统仍能自动将照度调节到最合适的水平。总之，无论在什么场所或天气如何变化，系统均能保证室内照度维持在预先设定的水平。 （2）改善工作环境，提高工作效率。传统照明系统中，配有传统镇流器的日光灯以100Hz的频率闪动，这种频闪使工作人员头脑发胀、眼睛疲劳，降低了工作效率。而智能照明系统中的可调光电子镇流器则工作在很高频率（4070kHz）不仅克服了频闪，而且消除了起辉时的亮度不稳定，在为人们提供健康、舒适环境的同时，也提高了工作效率。（3）可观的节能效果。智能照明控制系统使用了先进的电力电子技术，能对大多数灯具（包括白炽灯、日光灯，配以特殊镇流器的钠灯、水银灯、霓虹灯等）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。（4）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。 2.2 采用智能照明控制系统的重要性 智能照明控制系统是为了适应各种建筑的结构布局以及不同灯具的选配，从而实现照明的多样化控制。现有的智能照明控制系统主要分为中央集中控制系统及分布式控制系统两种。一个现代化的智能办公大楼，不仅要有足够的工作照明，更应营造一个舒适的视觉环境，使员工在其中工作保持心情舒畅，提高办公效率。据国内外有关资料介绍，办公照明用电量约占整个大楼能耗的1/3。因此，做好照明设计，选择合理的照明方案，配置先进的控制系统，加强照明控制设计，已成为智能办公楼的一个重要设计内容。它不仅能有效节约能源，降低用户运行费用，还可提高大楼管理水准。办公大楼按照功能区域划分，通常会有办公区、门厅、会议室、多功能厅等，各个功能区域的照明具有不同的特点。办公区域照明使用的光源主要是荧光灯与白炽灯，其中荧光灯多用于一般照明，白炽灯多用于局部照明，照度水平的设计主要取决于视觉作业的需要及经济条件的状况。办公区域的工作时间主要是在白天，可以考虑利用窗外入射的大量自然光进行照度补偿，不仅能节约能源，更能维持室内舒适的视觉环境。对于一个完整的办公楼智能照明控制系统来说，办公区是办公楼的主要组成部分，采用智能照明控制系统，可使其照明系统工作在全自动状态。通过配置的“智能时钟管理器”可预先设置若干基本工作状态，通常分为白天、晚上、清扫、安全、午饭等，根据预先设定的时间段可自动的在各种状态之间进行转换。比如：上班时间来临时，系统自动将灯打开，并将光照度自动调节在预先设定的水平。在靠窗的房间，系统能智能地利用室外自然光，当天气晴朗，室内灯自动调暗；天气阴暗，室内灯会自动调亮，以始终保持室内恒定的亮度。午餐时间，灯将自动变换到一个舒适、柔和的灯光场景，使工作人员能够很好地休息和放松。当一个工作日结束时，在智能时钟管理器的作用下，系统将自动地调暗各区域的灯光，进入晚上工作状态。同时智能传感器的动静探测功能将自动生效。系统处于清扫状态时，该区域的灯保持基本的亮度，当清扫人员扫到该区域时，智能传感器的动静探测功能自动生效，点亮该区域的灯，当清扫人员扫完该区域离开后，延时数分钟后将灯关掉。安全状态和清扫状态的工作原理相似。智能照明控制系统还能保证办公区域和公共区域协调的工作。如：办公区域有员工加班时，电梯厅、走廊等公共区域的灯就保持基本的亮度，只有当办公区域的人走完后，才将灯降低到安全状态或关掉，避免不必要的能源浪费。从以上对智能照明控制系统的介绍，可以知道智能照明控制系统不仅可以满足和实现不同的灯光效果要求，实现照明的高层次智能管理，改善工作环境，提高工作效率，还可节约能源，延长灯具寿命，减少用户维护费用。随着建筑和照明技术的进步，照明和建筑融为一体，照明已成为建筑艺术的一部分，让我们大家共同努力，将更多、更好的智能照明控制系统应用到智能建筑的设计中去，营造出艺术、智能化的光环境，赋建筑与生命。基于红外传感器的卫生间智能化照明系统的设计就是利用动静探测功能来实现人来灯亮，人走灯灭的自动控制方式，从而实现节约能源，提高工作效率，延长灯具寿命，减少用户维护费用。这种控制方式简单、成本低，省去了复杂的集成应用芯片，并可单独控制，不需要中央集中控制，后面将会介绍到，本电路还可实现根据光线明暗自动调节电路的功能。2.3 智能照明控制系统的优点智能照明控制系统与传统照明控制系统相比，在控制方式、照明方式、管理方式以及节能方面等均有不少优点。首先在控制方式和照明方式上，传统照明控制采用手动开关，只有开和关，而且只能一路一路地开和关。而智能照明控制采用调光模块，通过灯光的调光在不同使用场合产生不同的灯光效果，营造出不同的舒适的视觉氛围。在控制上采用低压二次小信号控制，控制方式多，功能强，范围广，自动化程度高。其次，智能照明控制系统由于使用了自动化照明控制，智能利用光照以及通过网络，只需一台计算机就可对整个大楼的照明实现合理的能源管理自动化，不仅减少了不必要的耗电开支，同时也降低了用户的运行维护费用，在节能方面可比传统照明控制节电20%以上。另外，在智能照明控制系统中，由于可通过系统人为地设置电压限制，可以避免或降低电网电压以及浪涌电压对灯具的冲击，从而起到保护灯具，延长灯具使用寿命的作用。而更值得一提的是智能照明控制系统是一个开放式的系统，通过标准网络接口可方便地与BAS系统联接，实现智能大楼的计算机系统集成。2.4 基于红外热释传感器的智能照明控制系统的设计方法和步骤热释电红外传感器是智能化照明控制系统的核心器件，设计是从热释电红外传感器下手，再按照照明电路编制信号处理电路来完成。其设计一般可分为：第一步：编制照明回路负载清单。在这个系统中传感器首先将人体运动信号采集到，经内部处理后送外部信号处理电路处理，处理后的信号作为照明电路的控制信号。整个电路由传感器、放大电路、滤波电路、电压比较器、及延时电路组成。其次，应核对每条照明回路的处理先后顺序做简单的排列。最后，还要对一些照明回路的划分作适当的调整，优化系统方案，使其更适合场景配置的需要，该系统可隐蔽安装，各元器件可集成在同一块电路板上，减小了系统的体积，各模块可组合构成一个优美的照明艺术环境。第二步：按照明控制要求选择控制面板和其他相关控制部件。人体感应传感器：该装置适用于酒店内的小型会议室、会客室、卫生间等场所。人体感应器可自动检测该空间内的人体温度：当室内有人时，自动开灯；无人时，自动关灯既方便又可避免浪费能源，目前已广泛地使用于需要短时间不定期的照明场所。通过以上控制方式的使用，可以达到：（1）系统节能：即通过合理的测控手段，解决建筑物总体能量的需求、输送和供给的平衡，节约运行开支在2040左右。（2）设备节能：在满足系统的总体要求下，使各种设备工作在最低能耗的状态。（3）管理节能：通过提供设备运行的各种数据，使管理者准确掌握系统的运行状况，为管理工作提供人性化服务，并且，由于设施设备的自控及保护功能提高，可相应的减少运行维护人员的数量，进一步减少开支。（4）寿命延长：通过系统运行的合理策略，缩短设备的运行时间和减轻负荷，可以降低设备的维护和更换费用，有效的延长设备使用寿命。第二步：按照明回路的性能选择相关的元器件本系统采用的是“双元型”热释电红外传感器就是要利用其结构上具有的与单型器件不同的特点来实现对人体运动方向的判断。单型热释电红外传感器由于只有唯一的一个敏感元件，因而对环境温度变化和人体运动会产生同样的反应信号。而双元型热释电红外传感器具有两个完全相同的敏感元件，它们按照极化方向反相串联或并联，其中只有一个敏感元件是用来检测红外线，而另一个要在表面蒸上红外反射膜，它的作用是用来补偿噪声。第四步：选择附件。由于传感器只对人体运动敏感，当人静止不动时传感器无输出，而人进入卫生间后有分钟的停留时间，所以在照明灯开启后必须延时一段时间，本电路采用的是555定时器接成的单稳态触发器可实现延时功能，为适应光照不同时光照控制方式不同的特点，采用光敏电阻控制555定时器在等待和工作状态之间切换。第五步：编制系统设备配置表。由于不同元件在不同的电压下工作，考虑器件允许通过最大电流和最大耗散功率。采用稳压管将电压稳定在一定的数值，或采用电阻的分压和限流作用将电压和电流限定在适合器件工作的范围之内。3 光电器件介绍3.1 光敏电阻3.1.1 光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻又称光导管, 它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性, 是一个电阻器件。制作光敏电阻的材料一般是金属硫化物和金属硒化物，通常采用涂敷、喷涂等方法，在陶瓷基片上涂上半导体薄膜，经烧结而成。光敏电阻的结构：在底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质，称为光导层。半导体的两端装有金属电极与引出线端相连接，通过引出线端接入电路。为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。为了提高灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案，光敏电阻结构，光敏电阻电极，光敏电阻接线图光敏电阻工作原理-内光电效应。光照射到本征半导体上，材料中的价带电子吸收了光子能量跃迁到导带，激发出电子、空穴对，增强了导电性能，使阻值降低。光照停止，电子空穴对又复合，阻值恢复。亮电阻很小，暗电阻很大。要使价带电电子跃迁到导带，入射光子的能量满足刚好发生内光电效应的临界波长。3.1.2 光敏电阻的主要参数与基本特性主要参数有(1) 暗电阻 亮电阻光电流暗电阻：光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻， 此时流过的电流称为暗电流。亮电阻：光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。光电流：亮电流与暗电流之差称为光电流。(2) 光谱范围：对应于一定敏感程度的波长响应区间。(3) 响应时间：光敏电阻从停止光照到电流下降到原来值的63%所需要的时间（无其他负载），一般低于20ms。基本特性：光照特性 光电灵敏度 光谱特性光照特性：在一定外加电压下，光敏电阻光电流和光照强度之间的关系，不同材料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。图为硫化镉光敏电阻的光照特性。光敏电阻不宜用作测量元件，但可用于自动控制中的光电开关；光电灵敏度：单位光通量入射时光敏电阻输出的光电流单位外加电压下的光电灵敏度称相对灵敏度。光谱特性：光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域，常被用作照度计的探头。而硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区， 常用做火焰探测器的探头。 频率特性：光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示。 大多数的光敏电阻时间常数都较大。 温度特性：光敏电阻温度变化影响光敏电阻的光谱响应。 温度变化时，影响光敏电阻的光谱响应、灵敏度和暗电阻，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。对于可见光的光敏电阻， 其温度影响要小一些。 光敏电阻优缺点：光敏电阻具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小等优点，所以应用广泛。此外许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。光敏电阻的缺点是型号相同的光敏电阻参数参差不齐，并且由于光照特性的非线性，不适宜于测量要求线性的场合，常用作开关式光电信号的传感元件。3.1.3 光敏电阻的应用常用的光敏电阻器是硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达110M；在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.40.76um）的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。本电路采用MG42型CdS光敏电阻，CdS光敏电阻属半导体光敏器件，产品经受强化老练实验，除具有灵敏度高，反应速度快，光谱特性好等特点外，在高温、多湿的恶劣环境下，仍能保持其高度的稳定性和可靠性，适合于将其用于卫生间潮湿的环境，MG42型光敏电阻与其它型号相比具有：工作电压和额定功率比较低的特点，其亮、暗电阻也适合于本照明电路的需要，所以在设计时选择了这个型号。3.2 可控硅元件的工作原理及基本特性3.2.1 工作原理可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，其等效图解如图3-1所示 图3-1 可控硅等效图解图当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=1ib1=12ib2。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，此条件见表3-1表3-1 可控硅导通和关断条件状态条件说明从关断到导通1、阳极电位高于是阴极电位2、控制极有足够的正向电压和电流两者缺一不可维持导通1、阳极电位高于阴极电位2、阳极电流大于维持电流两者缺一不可从导通到关断1、阳极电位低于阴极电位2、阳极电流小于维持电流任一条件即可 3.2.2 基本伏安特性可控硅的基本伏安特性见图3-2图3-2 可控硅基本伏安特性（1）反向特性当控制极开路，阳极加上反向电压时（见图3-3），J2结正偏，但J1、J2结反偏。此时只能流过很小的反向饱和电流，当电压进一步提高到J1结的雪崩击穿电压后，接差J3结也击穿，电流迅速增加，图3-2的特性开始弯曲，如特性OR段所示，弯曲处的电压URO叫“反向转折电压”。此时，可控硅会发生永久性反向击穿。 图3-3 阳极加反向电压（2）正向特性当控制极开路，阳极上加上正向电压时（见图3-4），J1、J3结正偏，但J2结反偏，这与普通PN结的反向特性相似，也只能流过很小电流，这叫正向阻断状态，当电压增加，图3-2的特性发生了弯曲，如特性OA段所示，弯曲处的是UBO叫：正向转折电压 图3-4 阳极加正向电压由于电压升高到J2结的雪崩击穿电压后，J2结发生雪崩倍增效应，在结区产生大量的电子和空穴，电子时入N1区，空穴时入P2区。进入N1区的电子与由P1区通过J1结注入N1区的空穴复合，同样，进入P2区的空穴与由N2区通过J3结注入P2区的电子复合，雪崩击穿，进入N1区的电子与进入P2区的空穴各自不能全部复合掉，这样，在N1区就有电子积累，在P2区就有空穴积累，结果使P2区的电位升高，N1区的电位下降，J2结变成正偏，只要电流稍增加，电压便迅速下降，出现所谓负阻特性，见图3-2的虚线AB段。这时J1、J2、J3三个结均处于正偏，可控硅便进入正向导电状态-通态，此时，它的特性与普通的PN结正向特性相似，见图3-2中的BC段3.2.3 可控硅的触发导通在控制极G上加入正向电压时（见图3-5）因J3正偏，P2区的空穴时入N2区，N2区的电子进入P2区，形成触发电流IGT。在可控硅的内部正反馈作用（见图2）的基础上，加上IGT的作用，使可控硅提前导通，导致图3-2的伏安特性OA段左移，IGT越大，特性左移越快。 图3-5 阳极和控制极均加正向电压 利用可控硅的触发导通性能就可实现对照明灯的控制，即相当于一个开关的作用。单向可控硅具有一触即发实现自锁的功能。本电路选用单向可控硅，其最大工作电流（1A）和最高工作电压（400V）完全能满足本电路的需要，控制极电流在10uA30uA之间，故触发灵敏度很高。3.3 菲涅尔透镜的应用所谓的菲涅尔透镜就是一种由塑料制成的特殊设计的光学透镜组，它与热释电元件配合，可以提高传感器的灵敏度，扩大监视范围。实验证明，传感器加上菲涅尔透镜后，其检测距离可以由原来的2米而增加到10米。透镜的工作原理是当移动物体或人体发射的红外线进入透镜的监视范围，就会产生一个交替的“盲区”和“高敏感区”，使传感器晶片的两个反向串联的热释电元件是轮流感受到运动物体，所以人体的红外辐射以光脉冲的形式不断改变热释电元件的温度，使它输出一串脉冲信号，若人体静止不动地站在热释电元件前，它会无输出，可提高热释电红外传感器的抗干扰性能。9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。4 红外热释传感器在智能化照明系统中的应用研究4.1 红外辐射的基本知识红外辐射的物理本质是热辐射，它是由于物体(固体、气体和液体)内部分子的转动及振动而产生。这类震动是由物体受热引起的。只有在绝对零度时（-273.16），一切物体的分子才停止运动。在一般常温下，所有物体都是红外辐射的发射源，如火焰、汽车、动植物、人体都是红外辐射源，但发射的红外波长不同而已。红外线和所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉和吸收等性质，但它的特点是热效应最大。实践证明，温度愈低的物体辐射的红外线波长愈长，人体的温度在37左右，所发射的红外波长为910um（属于远红外区），加热到400700的物体其发射的红外线波长为35um（属于中红外区），因此，热释电红外传感器可根据物体的表面温度不同而发出不同波段的红外光而进行温度检测的。84.2 红外传感器4.2.1定义与分类 红外传感器（也称为红外探测器）是能将红外辐射能转化为电能的光敏红外传感器，它是红外探测器件的关键部件，它的性能好坏将直接影响系统性能的优劣。因此，选择合适的、性能良好的红外传感器，对红外探测器是十分重要的。红外传感器件可分为热释电型红外光敏器件和量子型红外光敏器件。两者的区别在于：前者先把红外光能转变为探测元自身的温度变化，再利用热电效应产生相应的电信号，这种方式有较宽的红外波长响应范围，价格较便宜，但灵敏度低，响应速度慢；后者在受到红外光照时，器件的电阻值或两端的电动势会产生变化，从而直接产生电信号。这种方式灵敏度高，响应速度快，但红外波长响应范围较窄，价格较高，且需在低温条件下使用。其中，热释电型探测器在热探测器中探测率最高，频率响应最宽，所以这种探测器倍受重视，发展很快。4.2.2 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，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度，图4.1.2表示了热释电效应形成的原理。 4-1 热释电效应形成的原理热释电传感器正是利用热释电效应制成的。能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件，其常用的材料有单晶(LiTaO3等)、压电陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）。104.2.3 热释电红外传感器的结构 结构上，双元型红外线传感器主要有：敏感元件、场效应管、高阻抗变换管、滤光4-2 热释电红外传感器的结构窗等。敏感元件：2个极性相反热释电单元，可以抵抗可见光、大部分红外线干扰，只对运动人体敏感。场效应管和高阻抗变换管：用于阻抗变换和信号放大。滤光窗：在一块玻璃上镀的多层滤光薄膜，对阳光、电 灯光抗干扰，仅对人体发出的红外线(波长714um)最敏感自然界任何高于 -273K的物体都将产生红外光谱，温度不同对应的红外线波长也不同。人体都有恒定的体温，一般为37度，发出10微米左右的特定波长红外线。菲涅尔透镜：增大热释电传感器的探测距离，是一组透镜，每个只有一个不大的视场，且相邻视场不连续都相隔一个盲区。当人体在具有此透镜的传感器监控范围内移动时，形成一个不断交替变化的盲区和亮区使敏感单元的温度不断变化。11在热释电红外传感器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外敏感单元(PIR)，它能将波长为714um之间的红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用。另外一个元件是菲涅尔透镜，有折射式和反射式，作用有两个：一是聚焦作用，即将红外信号折射（反射）在PIR上，二是将警戒区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区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，这样PIR就能产生变化的电信号。由实验证明，传感器不加光学透镜(也称菲涅尔透镜)，其检测距离小于2m，而加上光学透镜后，其检测距离可大于7m。4.2.4 热释电红外传感器的工作原理及特性热释电传感器是对温度敏感的传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，在元件两个表面做成电极，在探测器的警戒区内，当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号T，热释电效应会在两个电极上产生电荷Q，即在两电极之间产生一微弱的电压V。由于它的输出阻抗极高，在传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷Q会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，T=0，则传感器无输出。当人体进入检测区，因人体温度与环境温度有差别，产生T，则有Q输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出了。12所以这种传感器检测人体或者动物的活动传感。红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。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，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10um左右的红外线而进行工作的。人体发射的10UM左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源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输出控制信号。 （1）这种探头是以探测人体辐射为目标的。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尼尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。（3）被动红外探头