测控仪器毕业设计论文

测控技术与仪器 摘 要 红外线 、 热释电和超声波遥控电路由于其功耗低，可靠性高和互相干扰小等优点，已经在现实生活中得到了广泛的应用，而热释电红外控制在各类 照明器件的控制 和安全防护系统的检测中更有着独特的作用。 该设计是以 BISS0001 红外控制电路组成的热释电红外控制照明灯 的工作原理为依据 。 采用热释电红外探头将接收到的信号加以放大，放大的信号使 电子开关 VT 导通 而 驱动固态继电器 SSR 开通 ，控制照明灯具点亮发光。 本设计的核心是通过热释电红外探头 RE200B 探测 来自移动人体的红外辐射 ，只要人们进入探测区域， 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能自动快速开启 ，灯泡两端有电压而点亮。根据这一思想并且 了解和掌握它们的工作原理和电路结构 后设计电路。经过仿真，焊板，调试。不断的修改电路，直到能够实现电路所需实现的功能。 该控制器能 够 实现有人进入 探测区域 灯亮，人走灯灭 的 控制。常用于许多公共场所，如办公室、楼道和厕所 及 浴室、储藏室、梳妆台镜前灯等 的 自动控制。 关键词： 热释电红外传感器 ； 红外热释电处理芯片 BISS0001； 红外辐射 ABSTRACT Infrared, pyroelectric and ultrasonic wave remote control electric circuit, because of its low power loss, the high reliability and slightly mutually disturbs .It is already widespread in application in the real life, but the pyroelectric infrared control has the unique function in each kind of security warning equipments and in safety systems examination. Therefore,it is essential to understanding and grasping the working principle and the circuit structure. In this paper, it was designed a well hidden passive infrared alarm which was based on the pyroelectric infrared processing chip BISS0001. The core of the design was detecting human intrusion with Pyroelectric infrared sensor RE200B.Passive pyroelectric infrared switch is combine with Pyroelectric infrared sensor a small number of external components. It would open the sound and light alarm,which combined with light-emitting diode and the buzzer automatically and quickly, and timing controlled by the MCU. After the test,the measuring range of alarm apparatus may reach 1m, the survey angle may reach 100-120, the sensitivity is high, the rate of false alarm is small, antijamming ability, has served the safety protection purpose. Key words: Pyroelectric infrared sensor； Pyroelectric infrared processing chip BISS0001； Alarm 目 录 绪 论 . 1 1.1 课题背景及来源 . 1 1.2 热释电红外传感器的 发展现状 . 1 1.3 本课题所研究的内容 . 2 2 热释电人体探测灯控系统的组成 . 4 2.1 人体热释电红外传感器 . 4 2.1.1 热释电人体红外线传感器的基本结构 . 4 2.1.2 热释电人体红外线传感器工作原理 热释电效应 . 6 2.1.3 菲涅尔透镜的简介 . 7 2.1.4 被动式红外线热释电传感器的优缺点 . 8 2.2 传感器信号处理集成电路 . 9 2.2.1 概述 . 9 2.2.2 BISS0001 信号处理器芯片 . 10 2.3 固态继电器简介 . 14 2.4 三级管的开关作用 . 15 3 人体探测灯控电路 的总体设计 . 17 3.1 设计思想 . 17 3.2 各模块方案选择和论证 . 17 3.3 总体电路的结构划分 . 18 3.4 电路图的设计 . 20 3.4.1 人体探测灯控电路框图 . 20 3.4.2 电路中主要元器件选择 . 21 3.4.3 人体探测电路工作原理 . 22 4 电路制作 . 23 4.1 整体电路制作问题 . 23 4.1.1 原件的散热问题 . 23 4.1.2 电子电路的静电保护 . 23 4.2 电路的焊接与调试 . 24 4.2.1 电路焊接 与调试时注意事项 . 24 4.2.2 调试条件与步骤 . 24 4.3 仿真与试验结果 . 25 4.3.1 电源电路的仿真与调试结果 . 25 4.3.2 红外延时控制电路的仿真与调试结果分析 . 25 4.3.3 控制执行电路的仿真与调试结果分析 . 26 总结与展望 . 27 致 谢 . 28 参考文献 . 29 东华理工大学毕业设计（论文） 热释电人体探测灯控系统的组成 1 绪 论 1.1 课题背景及来源 随着经济的不断发展，城市建设也随着迅速发展，节能与环保已经成为当代产品开发中的首要考虑因素和最大卖点。我国在新能源研发方面处于落后局面，加上传统的人工操作和维护控制 手段已不能适应现代化城市发展的需求。目前市场上的普通船型开关、拉线开关仍能占据着灯具开关市场的主要位置，由于人们的日常生活中许多不可控因素的出现及人们日常习惯所限，造成了大量的电能的浪费。这种现象在我们的日常生活中随处可见。比如说：非常安静的楼道内灯火通明，空无一人的教室每一盏日关灯都亮着，卫生间里没有人却不熄灭灯光 一年中，全国因此而损耗的电能可以以亿度计量，再加上因灯具常亮，缩短了灯具的使用寿命，频繁的更换灯具不但造成了人力的大量浪费，也造成了财力的大量浪费。通过这种直接和间接的损失，所以每年电能的损 耗就达数亿元。当前，以人体发出的红外光为控制源的控制电路，在探测到人体发出的红外光时，直接使用热释电传感器被动远红外探测功能，使被动探测变成主动探测，加快了智能照明系统的发展。由于该技术日渐成熟和完善，应用范围和市场份额也在不断扩大。目前，市场上已出现多种较为成熟的产品。可以说，智能照明系统已成为照明控制技术和产品发展的主流，同时也为楼宇智能化的做出了突出贡献。采用智能照明系统不仅能提升照明效果、优化照明控制方式，而且能减少照明用电、节省施工材料、提高工作效率等。 本文介绍的人体探测灯控电路则同时采用热释电 传感器的被动探测与主动探测功能，人体无论活动与否，都能准确地检测出人体信息，实现人来、人在开关接通，人离后延时数分钟（可预设）断开的自动控制作用。该控制器用途广泛，节省电能，使用寿命长，具有普通船型开关、拉线开关无法相比的优点和作用。随着现代化的发展 ,工业 ,农业 ,商业 ,教育等等行业的用电量都大幅度增加 ,在这种情况下电能的浪费成为人们普遍关注的问题。本课题从实际出发，准备对红外线楼道自动照明系统进行探索研究，部分解决电能的损耗问题。 由此观之，如何有效的减少照明用电的浪费和更好的管理照明系统已成为一个不可忽 视问题。 1.2 热释电红外传感器的 发展现状 热释电红外传感器是一种非常具有应用潜力的人造传感器。它不仅能检测到人所发射出的红外光，而且某些动物发出的红外光也能探测的到，并转换成微弱的电东华理工大学毕业设计（论文） 热释电人体探测灯控系统的组成 2 信号输出。早在十九世纪 30 年代末，就有人提出利用热释电效应原理制作一种探测器探测红外辐射，但并未受到当时人们的重视。一直到六十年代，随着红外技术、激光的迅速发展，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电探测器的应用开发。 在国内， 20 世纪 80 年代一种新型高灵敏度探测元件 热释电红外传感器发展起来了。这种热释电红外传感器能以非接触形 式探测出人体辐射的红外热量变化，并将其转换成电压信号输出。将这个电压信号加以调理之后便可驱动各种控制电路，如用于电源的开关控制、防盗防火报警、自动探测等。热释电红外传感器不仅适用于防盗报警场所，亦适用于对人体伤害极为严重的高压电及 x 射线、 r 射线等场所的自动报警等。 对热释电红外传感器的研究已达 20 几年，但大多无法兼顾探测器探测的灵敏度和准确性，在宠物、热气流等干扰下，信号识别的准确率有所下降，误报率较高。这使得热释电红外探测器在智能住宅小区的安防应用中遇到了瓶颈。探测器之所以产生如此之高的误报，主要原因是因 为缺乏对 PIR 传感器输出的红外信号进行充分有效的分析，对信号中所含有的特征信息没有进行有效的数据挖掘。仅仅采用脉冲计数 /定时、设定信号幅度阈值触发等简单方法，导致探测器的报警准确率不高，不利于产品在实际应用中的推广。 在国外，很多国家都很重视这方面的研究开发，随着计算技术和微电子技术的快速发展，出现了智能化算法与先进的微处理技术结合进行实时信号处理判别的探测器。 2006 年韩国釜山国立大学研发了基于热释电红外传感器（ PIR）阵列的室内位置检测系统。 ADEMCO International、德国西门子安防、加拿 大 PARADOX SUCURITY SYSTEMS LTD 等公司推出的智能 PIR 入侵探测器。这些智能化的 PIR入侵探测器除了在物理结构上采用了独具匠心且非常有效的设计来防止误报、漏报外，更多的采用了先进的数字化信号处理技术与智能化算法相结合的方法，有效监测其所监测范围内的人体移动情况，具备良好的抗干扰误报特性，且各方面性能稳定可靠，在防误报漏报方面已经取得了很大进展。美国 SUREN 公司最近又推出一款高性能探测器，分别在透镜，电路，信号处理方面做了改进，使其性能得到极大提高，并已经申请两项专利。这些国外产品无 疑会对国内防盗探测领域造成极大的冲击。因此，进行探测器的智能化的研究，跟踪国际先进探测器技术的发展，具有重要的意义。但都没有进行人体识别方面的研究。 1.3 本课题所研究的内容 本课题主要是利用热释电红外传感器监测人体发出的红外线 ,输出微弱的电信号后，经过集成电路芯片 BISS0001 进行信息的后续处理，产生输出控制信号驱动继电器而完成灯具亮或灭的系统 ,主要用于家居生活 ,探测有无人进入探测范围 .该系东华理工大学毕业设计（论文） 热释电人体探测灯控系统的组成 3 统方便、稳定 ,十分适合楼道、厕所、办公室等公共场所的照明 。热释电红外传感器既可用于人体探测灯控装置，也可以用于自动控制 、接近开关、遥测等领域。用它制作的人体探测装置与目前市场上销售的许多人体探测器材相比，具有如下特点： 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) 蔽性好、可流动安装。 东华理工大学毕业设计（论文） 热释电人体探测灯控系统的组成 4 2 热释电 人体探测灯控系统 的 组成 2.1 人体热释电红外传感器 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 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，利用菲涅尔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，从而加强其能量幅度。 2.1.1 热释电人体红外线传感器的基本结构 热释电人体红外传感器有多种型号，但结构、外形和电参数大致相同，一般可以互换，其典型外形如图所 示 ： 图 2-1 引脚功能图 图 2-2 管脚排列图 东华理工大学毕业设计（论文） 热释电人体探测灯控系统的组成 5 其内部原理图见下图： 图 2-3 内部原理图 人体辐射的红外线中心波长为 9 10um，而探测元件的波长灵敏度 0.2 20um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 7 10um，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。为提高传感器的灵敏度，可在传感器前 1 5cm 处放置菲涅尔透镜，使探测距离从一般的 2m 提高到 10 至 20m。在实验室试验时，可不加菲涅尔透镜。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。 图 2-4 探测器视图 该传感器由敏感元件、场效应管、阻抗变换器和滤光窗等构成，并在氮气环境下封装。 1) 敏感元件 敏感元件，是用热释电人体红外材料（通常是锆钛酸铝）制成的，先把热释电东华理工大学毕业设计（论文） 热释电人体探测灯控系统的组成 6 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器。将极性相反的两个敏感元做在同一晶片上，是为了抑 制由于环境与自身温度变化而产生热释电信号的干扰。而热释电人体红外传感器在实际使用时，前面要安装透镜，通过透镜的外来红外辐射只会聚在一个敏感元上，以增强接收信号。热释电人体红外传感器的特点是它只在由于外界的辐射而引起它本身的温度变化时，才给出一个相应的电信号，当温度的变化趋于稳定后就再没有信号输出，所以说热释电信号与它本身的温度的变化率成正比，或者说热释电红外传感器只对运动的人体敏感，应用于当今探测人体移动报警电路中。 2) 场效应管和高阻值电阻 RG 通常敏感元件材料阻值高达。因此，要用场效应管进行阻抗变换，场效应 管常用 2sk303v3、 2sk94x3 等来构成源极跟随器，高阻值电阻 Rg 的作用是释放栅极电荷，使场效应管正常工作。一般在源极输出接法下，源极电压约为 0.4 1.0v。通过场效应管，传感器输出信号就能用普通放大器进行处理。 3) 滤光窗 热释电人体红外传感器中的敏感元件是一种广谱材料，能探测各种波长辐射。为了使传感器对人体最敏感，而对太阳、电灯光等有抗干扰性，传感器采用了滤光片作窗口。滤光窗是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜构成的。滤光片是在基板上镀多层膜做成的。每个物体都发出红外辐射，其辐射最强的波长满足维恩位 移定律： m 2989（ m K）式中 最大波长， 绝对温度。人体温度为36 37，即 309 310 K，其辐射的红外波长 2989 309 310 9.67 9.64 。可见，人体辐射的红外线最强的波长正好在滤光片的响应波长 7.5 14mm 的中心处。故滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过，而阻止太阳光、灯光等可见光中的红外线通过，免除干扰。所以，热释电人体红外传感器只对人体和近似人体体温的动物有敏感作用。 综上所述，传感器只对移动或运动的人体和体温近似人体的物体起作用。 2.1.2 热释电人体红外线 传感器 工作原理 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。 通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被空气中附集在晶体外表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能显示出来。当温度变化时，晶体结构中的正、负电荷重心产生相对位移，晶体自发极化的值就会发生变化，在晶体表面就会产生电荷耗尽。 能产生热释电效应的晶体称为热释电体，又称为热电元件。图 2-5 表示了热释电效应形成的原理。热电元件常用的材料有单晶 (LiTaO3 等 )、压电陶瓷 (PZT 等 )及高分子薄膜 (PVF2 等 )。如果在热电元件两端并联上电阻，当元件受热时，则电阻上东华理工大学毕业设计（论文） 热释电人体探测灯控系统的组成 7 就有电流流过，在电阻两端也能得到电压信号。 图 2-5 热释电效应原理图 2.1.3 菲涅尔透镜的简介 菲涅尔透镜 (Fresnel lens) （见图 2-6） 是由聚烯烃材料制成的薄片，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是利用光的干涉和根据相对灵敏度和接收角度要求来设计的，透镜的要求很高，一片优质的透镜必须是表面光洁，纹理清晰，其厚度一般在 1mm 左右，特性为面积较大，厚度薄及侦测距离远。 图 2-6 菲涅 尔透镜 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。 菲涅尔透镜，简单的说就是在透镜的一侧有等距的齿纹。通过这些齿纹，可以达到对指定光谱范围的光带通 (反射或者折射 )的作用。传统的打磨光学器材的带通东华理工大学毕业设计（论文） 热释电人体探测灯控系统的组成 8 光学滤镜造价昂贵。菲涅尔透镜可以极大的降低成本。典型的例子就是 PIR（被动红外线探测器）。 PIR 广泛的用在警报器上。如果你拿一个看看，你会发现在每个PIR 上都有个塑 料的小帽子。这就是菲涅尔透镜。小帽子的内部都刻上了齿纹。这种菲涅尔透镜可以将入射光的频率峰值限制到 10 微米左右（人体红外线辐射的峰值）。成本相当的低。 目前在国内市场上最常见的热释电红外传感器有日本尼赛拉公司生产的型号为RE200B、 RE03B 和德国海曼 LHi778、 LHi878、 LHi968 以及国内自主品牌的产品等，其中日本尼赛拉公司的 RE200B 是市场上最常用的产品。 图 2-7 菲涅尔透镜示意图 2.1.4 被动式红外线热释电传感器的优缺点 不同于主动式红外传感器，被动红外传感器本身不会发生任何类型 的辐射能，隐蔽性好，器件功耗小，价格低廉。但是，被动式热释电传感器也有不足之处，如： 产生的信号幅度小，容易受各种热源、光源干扰； 被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收； 东华理工大学毕业设计（论文） 热释电人体探测灯控系统的组成 9 易受射频辐射的干扰； 环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵； 被动红外探测器的主要检测的运动方向为横向运动方向，对径向方向运动的物体检测能力比较差。 图 2-8 传感器敏感移动方向 红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感 , 而对于横切方向 (即与半径垂直的方向 )移动则最为敏感 . 在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。 2.2 传感器信号处理集成电路 2.2.1 概述 虽然被动式热释电红外探头有其不足之处，但是在利用特殊方法处理其信号后，仍然使它在某些领域具有立足之地，有着广 阔的应用前景。因此，国内国外有很多生产厂家根据热释电传感器的特性设计了专用信号处理器，比如 HOLTEK HT761X、PTI PT8A26XXP、 WELTREND、 WT8072、 BISS0001。 由于热释电传感器输出的信号幅值小、变化缓慢，针对这些特点，专用信号处理器一般分为三步处理，具体处理步骤如下： a) 滤波放大 普通热释电传感器输出的微弱信号大约只在几百微伏到几毫伏之间，为了使后续电路能够作出有效的信号处理，考虑到传感器的信噪比及其它因素，通常取增益为 72.5dB，通带在 0.3Hz 7Hz 之间。同时 ，由于处理的是模拟小信号，所以为了保证放大器能够工作的稳定可靠，电路中特别设计用一个稳压器给传感器、放大器和比较器供电。 东华理工大学毕业设计（论文） 热释电人体探测灯控系统的组成 10 b) 窗口比较器 窗口比较器包括差分电路级和负载电路级。差分电路级根据输入电压生成一对差分电流，当输入电压为一参考电压时，差分电流根据具有最大值和最小值的输入电压变化，负载电路级从参考电流和与从差分电流中选出的电流相对应的电流生成输出电压。通过产生参考电流和所述电流，按第二电流是否大于参考电流来确定一电压范围。由于窗口比较器的窗口按所述电流和参考电流形成，从而输出电压电平根据输入电压是否落入 电压范围发生变化。 热释电传感器输出信号经过放大后的信号通过窗口比较器后检出满足幅值要求的信号后，再转换成一系列数字脉冲信号。 c) 噪声抑制数字信号处理 长期以来，根据各国专家对人体运动中的特点以及传感器的特性的研究，用在一定时间内计算脉冲个数及测量脉冲宽度的方法来甄别有人体发出的有效信号，这里由系统振荡器提供时钟源（ 16kHz）。 经过上述三步处理后就能准确、可靠地判断人体发出的信号。根据具体的应用场合以实现既定控制，例如报警器自动报警，自动开启某个设备等。 2.2.2 BISS0001 信号处理器芯片 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。见图 2-9。 图 2-9 BISS0001 芯片 BISS0001 芯片功能叙述如下： 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，可有效东华理工大学毕业设计（论文） 热释电人体探测灯控系统的组成 11 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。内置参考电压。工作电压范围 2V 6V，采用 16 脚 DIP 和 SOP 封装。其管脚图见图 2-10。各个引脚的说明见表 2-1，芯片的工作电压和电流见表 2-2，芯片性能见表 2-3。 图 2-10 BISS0001 管脚图 表 2-1 BISS0001 各个引脚的 说明 引脚 名称 I/O 功能说明 1 A I 可重复触发和不可重复触发选择端。当 A 为 “ 1” 时，允许重复触发；反之，不可重复触发 2 VO O 控制信号输出端。由 VS 的上跳前沿触发，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。 3 RR1 - 输出延迟时间 Tx 的调节端 4 RC1 - 输出延迟时间 Tx 的调节端 5 RC2 - 触发封锁时间 Ti 的调节端 6 RR2 - 触发封锁时间 Ti 的调节端 7 VSS - 工作电源负端 8 VRF I 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 9 VC I 触发禁止端。当 VcVR 时允许触发 (VR0.2VDD) 10 IB - 运算放大器偏置电流设置端 11 VDD - 工作电源正端 12 2OUT O 第二级运算放大器的输出端 13 2IN- I 第二级运算放大器的反相输入端 东华理工大学毕业设计（论文） 热释电人体探测灯控系统的组成 12 14 1IN+ I 第一级运算放大器的同相输入端 15 1IN- I 第一级运算放大器的反相输入端 16 1OUT O 第一级运算放大器的输出端 表 2-2 BISS0001 芯片的工作电压和电流 符号 参数 测试条件 参数范围 单位 V0 电源电压 - -0.36.0 V Vi/Vo 输入 /输出电压 - VSS-0.3VDDZ=0.3 V Iout 最大输出电流 V0=5.0v 10 mA Topr 工作温度 - -20+20 Tstg 贮存温度 - -40+125 表 2-3 BISS0001 芯片性能 符号 参数 测试条件 最小值 最大值 单位 Vco 工作电压范围 - 3 5 V Ico 工作电流 无负载 50 uA 100 uA Vos 输入失调电压 5V 50 mA Ios 输入失调电流 5V 50 nA Ayo 开环电压增益 5V,Rl=1.5M 60 dB CMRR 共模抑制比 5V,Rl=1.5M 60 dB Vyh 运放输出高电平 5V,R=500K 4.25v V Vyl 运放输出低电平 5V 0.75 V Vrh Vc 端输入高电平 5V,0.5mA 1.1 V Vrl Vc 端输入低电平 5V,0.1mA 0.9 V Voh Vo 端输出高电平 5V 4 V Vol Vo 端输出高电平 5V 0.4 V Vah A 端输入高电平 3.5 V Val A 端输入低电平 1.5 V BISS0001 是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封东华理工大学毕业设计（论文） 热释电人体探测灯控系统的组成 13 锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。内部框图见图 2-11。 图 2-11 BISS0001 内部框图 图 2-12 所示的不可重复触发工作方式下的波形，来说明其工作过程。 不可重复触发工作方式下的波形。 图 2-12 不可重复触发工作方式下的波形 首先，根据实际需要，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，再进行第二级放大，同时将直流电位抬高为东华理工大学毕业设计（论文） 热释电人体探测灯控系统的组成 14 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 VH 0.7VDD、 VL 0.3VDD，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 Vc=VR 时， 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，直至 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。 图 2-13 所示的可重复触发工作方式下的波形，来说明其工作过程。 可重复触发工作方式下的波形在 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。 图 2-13 可重复触发工作方式下的波形 2.3 固态继电器简介 固态继电器（亦称固体继电器）英文名称为 Solid State Relay，简称 SSR。它是具有隔离功能的无触点电子开关器件，单相 SSR 为四端有源器件，其中两个输入控制端，两个输出端，输入输出间为光隔离，输入端加上直流或脉冲信号到一定电流值后 ，输出端就能从断态转变成通态。固态继电器工作可靠，寿命长，无噪声，无东华理工大学毕业设计（论文） 热释电人体探测灯控系统的组成 15 火花，无电磁干扰，开关速度快，抗干扰能力强，且体积小，耐冲击，耐振荡、防爆、防潮、防腐蚀、能与 TTL、 DTL、 HTL 等逻辑电路兼容，以微小的控制信号达到直接驱动大电流负载。 图 2-14 固态继电器 图 2-15 固态继电器的等效电路 2.4 三级管的开关作用 如图 2-16 所示，三级管工作在饱和导通状态（发射结和集电结都是正偏置）时，其 c-e 极间电压很小，比 PN 结的导通电压还要小（硅管在 0.5V 以下）， c-e 极间相当于“短路”，即呈“开 ”的状态。 图 2-16 饱和态如同通路 东华理工大学毕业设计（论文） 热释电人体探测灯控系统的组成 16 如图 2-17 所示，三极管在截止状态（发射结和集电结都是反偏置）时，其 c-e极间电流很小（硅管基本上量不到），相当于“断开（即关）”的状态。 图 2-17 截止态如同断路线图 三极管开关电路的特点是开关速度极快，远远比机械开关快，没有机械接点，不产生电火花。开关的控制灵敏，对控制信号的要求低，导通时开关的电压降比机械开关大，关断时开关的漏电流比机械开关大。不宜直接用于高电压、强电流的控制。 东华理工大学毕业设计（论文） 人体探测灯控电路的总体设计 17 3 人体探测灯控电路的总体设计 3.1 设计思想 人体探测灯控电路由于触发的 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。 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，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，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。 3.2 各模块方案选择和论证 1) 探测器模块的设计 方案一： 采用 BISS0001 芯片组成的探测电路稳定性一般，电路设计简单，检测到人体的距离也比较的远。 方案二： 采用 LM324 芯片组成的探测电路的稳定性一般，但电路较复杂。调试比较困难。 方案三： 采用红外对管收发电路，但是红外对管不单检测到人，而且物体经过也会检测到，由于题目所要求的是只是检测到人经过，所以排除本方案。 综合以上三种方案，选择方案一来做探测电路。 2) 控制执行模块的设计 方案一： 东华理工大学毕业设计（论文） 人体探测灯控电路的总体设计 18 采用固态继电器 SSR 作为灯控开关。 固态继电器只是相当于一个开关 ,不能调节电流。但固态继电器动作电压与控制电压通过内部电路例如光耦进行分离的。造成的误差小。 方案二： 采用可控硅作为灯控开关。 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。 综合以上两种方案，选择方案一来做控制执行电路。 3.3 总体电路的结构划分 设计的电路主要由三部分组成： 1) 电源电路： 电源变压器 T、整流二极管 VD1 VD4、滤波电容 C7、 C9、旁路电容 C8、三端稳压集成电路 IC2 组成 。 图 3-1 电源电路 电源电路设计的目的是把 220V 交流电通过降压、整流、滤波和稳压后形成稳定的 5V 直流电压给整个控制电路供电。 2) 红外延时控制电路： 由热释电红外传感器 PIR、灵敏度电位器 RP1、热释电红外传感信号处理集成电路 BISS00O1（ IC1）及延时元件 R1、 C2、电位器 RP2、光敏电阻 RG 等外围元件组成。 东华理工大学毕业设计（论文） 人体探测灯控电路的总体设计 19 图 3-2 红外延时电路 红外延时控制电路能可靠地将运动的人体与运动的物体加以区别，可避免误动作。延时时间由延时元件 R1 与 C2 的时间常数决定，图所示时间为 15s。由于芯片第 1 脚接高电平，电路处于允许重复触发状态，即在延时时间（ 15s）内，只要人稍微移动一下，电路就重新 被触发，第 2 脚再输出一个脉宽为 15s 的高电平信号。所以只要有人在浴室内，照明灯具 H 将始终被点亮。只有人离开后，延时 15s 后，电路复位，照明灯具 H 自动熄灭。 3) 控制执行电路 ： 由电子开关 VT、固态继电器 SSR 和照明灯具 H 组成。 图 3-3 控制执行电路 电子开关 VT 在控制信号输出端为低电平时处于截止状态，固态继电器 SSR 关断，照明灯具不亮。反之，则亮。 东华理工大学毕业设计（论文） 人体探测灯控电路的总体设计 20 3.4 电路图的设计 总电路的主要元件是热释电红外传感器，因其抗干扰性好、探测灵敏度高、工作温度范围宽等优点被广泛应用于防盗报警、自动门、 感应灯、自动水阀、自动马达控制等工业和生产领域 。 BISS0001 是专门为热释电红外传感器（ PIR）配套设计的集成电路，采用 CMOS 工艺制造，具有性能指标高、一致性好、功耗低、外围电路简单、安装调试方便、工作可靠性 高等优点。 图 3-4 利用 BISS0001 构成的热释电红外延时照明控制器电路 3.4.1 人体探测灯控电路框图 东华理工大学毕业设计（论文） 人体探测灯控电路的总体设计 21 图 3-5 人体探测灯控电路结构框图 3.4.2 电路 中 主要元器件选择 由图 3-1 可知，该热释电红外延时照明控制器由电源电路、红外延时控制电路和控制执行电路组成。其中，电源电路由电源变压器 T、整流二极管 VD1 VD4、滤波电容 C7、 C9、旁路电容 C8、三端稳压集成电路 IC2 组成。实际应用时， T 常选用 220V/9V、 5VA 小型优质电源变压器； VD1 VD4 选用 IN4001 型整流二极管；IC2 选用 LM7805 型三端稳压集成电路。 220V 交流电通过降压、整流、滤波和稳压后形成稳定的 +5V 直流电压给整个控制电路供电。 红外延时控制电路由热释电红外传感器 PIR、灵敏度电位器 RP1、热释电红外传感信号处理集成电路 BISS0001（ IC1）及延时元件 R1、 C2、电位器 RP2、光敏电阻 RG 等外围元件组成。实际应用时， PIR 常选用 P2288、 PH5324、 LH1956 型等热释电红外传感器，为了提高 PIR 传感器感受红外线的灵敏度，在传感器前应加装配套的抛物面形或 半球形的菲涅耳透镜； RG 选用 MG45 型等光敏电阻，且要求亮电阻与暗电阻相差倍数越大越好； RP1、 RP2 选用 WSW 型有机实心微调电位器。 控制执行电路由电子开关 VT、固态继电器 SSR 和照明灯具 H 组成。实际应用时， VT 常选用 9013 型 NPN 三极管，要求 100； SSR 选用 JCX 2F DC5V 型过零紧凑型固态继电器； H 可根据需要选用 100W 以下的白炽灯泡。 人体红外线 热释电红外探头 热释电红外处理芯片 控制执行电路 灯具 电源电路 东华理工大学毕业设计（论文） 人体探测灯控电路的总体设计 22 3.4.3 人体探测电路工作原理 电路通电后，当无人进人热释电传感器 PIR 监控范围时，热释电红外传感信号处理集成电路 BISS0001 处于复位状态，控制信号输出端（第 2 脚） Vo 输出为低电平，电子开关 VT 处于截止状态，固态继电器 SSR 关断，照明灯具 H 不亮，控制器处于监控状态。当有人进人热释电传感器 PIR 监控范围并移动时， PIR 可将人体散发出的红外线变化转换为电信号输出，输出信号频率为 0.1 10Hz。 RP2 与 RG 组成光控电路，白天光敏电阻 RG 受自然光照射呈现低电阻，当 BISS0001 第 9 脚电平Vo 02VDD 时，触发禁止， BISS0001 等后级电路不工作，照明灯具 H 不亮。晚上或环境光线较暗时， RG 阻值增大，当 BISS0001 第 9 脚电平玩 0.2Vpp 时， BISS0001处 于监控状态，输出端仍为低电平。如果此时有人在 PIR 监控范围内移动， PIR便输出随人体移动而变化的电信号，通过 RP1 送人 BISS0001 芯片内部独立高输人阻抗运算放大器 OP1 的输入端 11N+（第 14 脚），经 OP1 前置放大后，由第 16 脚输出，经 C4 耦合到第 13 脚 2IN-端，再经芯片内部第 2 级运算放大器 OP2 进行放大，然后经芯片内部双向鉴幅器处理，输出有效触发信号启动芯片内部的延时定时器 TX，最后由状态控制器从 BISS0001 第 2 脚输出高电平控制信号，使电子开关VT 导通驱动固态继电器 SSR 开通，照明灯具 H 点亮发 光。 BISS0001 第 2 脚输出高电平控制信号时间等于电路的延时时间，它由延时元件 R1 与 C2 的时间常数决定，图所示时间为 15s。由于芯片第 1 脚接高电平，电路处于允许重复触发状态，即在延时时间（ 15s）内，只要人稍微移动一下，电路就重新被触发，第 2 脚再输出一个脉宽为 15s 的高电平信号。所以只要有人在浴室内，照明灯具 H 将始终被点亮。只有人离开后，延时 15s 后，电路复位，照明灯具 H 自动熄灭。 东华理工大学毕业设计（论文） 电路制作 23 4 电路制作 4.1 整体电路制作问题 4.1.1 原件的散热问题 电子设备的内部热源主要是一些发热的电子元器件，如功率管、集成电路、变压器、功率 损耗大的电阻等，为了不使元器件和电子设备的温度过高，必须采取措施将发热元件所产生的热量散发出去。不同的元器件，其散热处理方法也不同。 A. 阻容散热 a) 电阻的散热 电阻的温升与功率损耗、电阻结构与尺寸、表面状态、与其他元件的距离、安装位置及周围环境有关。 b) 电容的散热 电容的参数包括额定电压（耐压）、电容量、绝缘电阻、损耗因数（损耗角正切值）等，它们的大小都直接与温度有关，温度升高，对所有参数都有害。要使电容处于正常工作状态，应将电容与高温元件隔离。 B. 变压器和扼流圈的散热 变压器的热源是铁芯和线包，其自然散热的途径 对变压器本身而言主要是热传导，外部散热主要是热对流、热传导，其次是热辐射。为了提高对流散热效果，可将变压器垫起一定高度，并在底板上开设通风孔。 C. 集成电路的散热 集成电路及复合固态器件的散热与小功率晶体管相似，其引线数比较多，可供自然对流的面积大，功耗较大的集成电路常利用导热条进行传导散热。 4.1.2 电子电路的静电保护 两种物体相互摩擦时，由于电子与离子的亲和性不同，会在两物体间引起电子与离子的移动，形成一面带正电荷，另一面带负电荷。当两物体离开后，在各物体上产生额外的电荷，当积累的电荷达到一定量后，电荷会向相反极性 的一方迁移，这时就发生放电现象。人体的转动引起衣服间的相互摩擦，或人在地毯 (非防静电地毯 )上行走，都会使人体带静电，其电压可达 2 kV 15 kV。 一个良好的电子系统设备应该在电路设计的最初阶段就考虑瞬态保护要求。保护电路的基本原理是，使用电压箝位电路阻止高压进入栅极，同时提供大电流分流东华理工大学毕业设计（论文） 电路制作 24 通道。有多种电路设计可以达到 ESD 保护的目的，但选用时必须考虑以下原则，并在性能和成本之间加以权衡： i. 速度要快，这是 ESD 干扰的特点决定的； ii. 能应付大的电流通过； iii. 考虑瞬态电压会在正、负极性两个方向发生； iv. 对信号增加的电 容效应和电阻效应控制在允许范围内； 4.2 电路的焊接与调试 4.2.1 电路焊接与调试时注意事项 1) 在进行焊接前要判断好各管子的管脚，以免发生错误最终导致实验失败； 2) 电路中有电解电容存在，因此在焊接前应注意其正负极性； 3) 在焊接时注意安全，防止被烫伤； 4) 由于电路板较小，在焊接后注意检查，防止焊点相接触； 5) 由于此开关电路的输入电压是 220V 交流电，因此在做调试时应注意不要用手接触电路，以免发生触电危险。 4.2.2 调试条件与步骤 本次 调试 是在实验室的试验桌上测试的，而且电路板没有任何的屏蔽措施，实验室的电磁干扰也比较的大。 所以在调试过 程中应该注意的事情很多，在调试前应根据 IC1 的大小，在无孔开关盖板上开一个适当大小的孔，将 IC1 的传感面朝外，与盖板外表面平齐，用 502 胶水粘牢。其余元件焊在一块电路板上，用软线与 IC1连接。光敏电阻最好和 IC1 同样安装，以便受光，整个装置置于开关盒内。由于人进出楼道时身体离红外感应开关很近，所以该开关一般均能可靠工作。如欲增大探测距离，可在传感器前面配上相应的菲涅尔透镜。调试时，首先断开光敏电阻，调整 RP1，让人通过传感器旁边时灯泡点亮。接着焊上光敏电阻，遮住光线再细调一次便可。然后调整 RP2 让灯泡发光时 间长短适当即可。 做好如上准备后，电路的调试的具体步骤大致如下： 1) 通电观察： 通电后不要急于测量电气指标，而要观察电路有无异常现象，例如有无冒烟现象，有无异常气味，手摸集成电路外封装，是否发烫等。如果出现异常现象，应立即关断电源，待排除故障后再通电。 东华理工大学毕业设计（论文） 电路制作 25 2) 静态调试： 静态调试一般是指在不加输入信号，或只输入固定的电平信号的条件下所进行的直流测试，可用万用表测出电路中各点的电位，通过和理论估算值比较，结合电路原理的分析，判断电路直流工作状态是否正常，及时发现电路中已损坏或处于临界工作状态的元器件。通过更换器件或调 整电路参数，使电路直流工作状态符合设计要求。 3) 动态调试： 动态调试是在静态调试的基础上进行的，在电路的输入端输入合适的信号，按信号的流向，顺序检测各测试点的输出信号，若发现不正常现象，应分析其原因，并排除故障，再进行调试，直到满足要求。 4.3 仿真与试验结果 4.3.1 电源电路的仿真与调试结果 电路中 4.3.2 红外延时控制电路的仿真与调试结果分析 电路中设计红外延时控制电路的目的是为了将热释电传感器发出的微弱信号进行放大，提高工作电压，保证开光电路正常工作。图 4-1 为集成芯片构成的红外延时电路的仿真电路图。 图 4-1 红外延时控制模块 在 Multision10.0环境下设计集成芯片 BISSOOO1构成的比较放大电路仿真电路图。由信号发生器产生峰值为 5mv，频率为 50HZ 的矩形波，用示波器观察输入、输东华理工大学毕业设计（论文） 电路制作 26 出波形和电压由图 4-2 可以看出，仿真开始波形稳定后，输出波形峰值为 4V 左右。能触发开关电路中的三级管导通，从而驱动继电器导通，电路正常工作。 图 4-2 示波器仿真波形 4.3.3 控制执行电路的仿真与调试结果分析 东华理工大学毕业设计（论文） 总结与展望 27 总结与展望 通过本次实习，不仅让我温故了以前所学的知识，也让我更深的体会 “温故而知新 ”这句话的意思。以前总在感觉，大学四年自己几乎是学一门丢一门。大家都在讨论说，曾经学到的东西在考试完之后不久就已经全部归还给老师了。但是经过这次实习之后，我发现，其实我们学到的知识并没有丢给老师，只是因为所学的知识没有应用的 空间，所以暂时的存储在大脑中。这也使我认识到， 测控技术与仪器 专业是一个注重理论与实践相结合的专业。记不住，只是因为缺少实践的机会。因而，为了能让我们学有所用，学有所得，我们应积极参加实践，同时也肯定了我们其实我们的未来的学习与生活是美好的。至少我们有着我们的发展空间。或许对我们这些对未来畏惧，对未来未知的畏惧的大学生有着不同的意义。 本次设计的主要芯片是红外热释电处理芯片 BISS0001，它是一款兼具多重功能的集成芯片，由 热释电传感器 输出的信号，经芯片处理后 输出触发信