红外线感应开关

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 并给出了被动式热释电红外探测器和可 见光探测器探测的数据 并通过单片机处理后与国家标准设定的数值进行了对比 简述了输出调节信号 控制 LED 驱动电路和照明系统对室内亮度进行调节的过 程 通过理论分析 提出了合理的稳压电源 连接方式 灯体结构的设计方法 解决 LED 的驱动电源 连接方式和散热三个问题 试安装一年结果表明 照明 效果稳定 节能超过 50 效果明显 关键词 LED 红外线 感应开关 探测区域 AbstractIn this paper a composition by infrared and a new type of LEDenergy saving lamps For general lighting people need more white lightsources As a new light source white LED with pollution free long lifevibration and shock resistant to the distinct characteristics Theprinciple of infra red sensors switches pyroelectric infrared probePT8A2621 will receive the weak signal to be amplified then drive relaysmade of pyroelectric infrared sensor switch The switch can detect thehuman body from a mobile infrared radiation as long as the human bodyto enter the detection area switch will automatically open The designcan be used as enterprises hotels shopping malls and residentialcorridors staircases elevator bathroom and the Treasury etc Automatic switch play the role of quotpeople from the bright lightsthe lights go out sincequot the role of both the new convenience andthe conservation of electricity in some places also act as a deterrentrole in theft prevention activities Simple structure of this designthe device power consumption is very small low cost covert and a widerange of applications it can be achieved through the expansion ofpractical application Keywords LED Infrared Sensor switch Detection of regional 目 录 摘要 Abstract 第 1 章 绪论 1 1 1 课题背景 1 1 2 目的意义 1 1 3 LED 的介绍 3 1 4 LED 光源的优点 6 1 5 LED 产业发展历程及相关企业背景 7 1 6 课题研究的主要内容 7 第 2 章 方案选择 8 2 1 方案选择 8 2 2 单元电路的设计 9 本章小结 9 第 3 章 红外线控制系统 10 3 1 红外线接收传感器 11 3 2 红外线感应灯控制系统的优点 11 3 3 红外线感应开关电路的原理 12 3 4 红外线感应灯控制系统的现状及发展趋势 13 本章 小结 13 第 4 章 整体设计 14 4 1 电路基本结构设计 14 4 2 系统主控模块功能 14 4 3 系统硬件设计 14 4 4 元件设计 16 本章 小结 18 结 论 19 致 谢 20 参考文献 错误 未定义书签 附录 1 译文 错误 未定义书签 附录 2 英文参考资料 25 第 1 章 绪论 1 1 课题背景 随着社会的发展和人们对生态环境的重视 声光控灯具和开关已慢慢不能 满足人们的需要 这就要求更加节能和环保的自动照明控制产品的出现 以满 足人们对高质量生活的需求 红外智能节电开关是以成熟的红外感应技术为平台 加入更多的高新技术 元素而形成的一种具有广阔市场前景的高科技产品 它的出现弥补了声光控技 术的缺陷 它的自动控制的实现不需要声音和其他会给环境造成影响的条件的 配合 而是人走过时身体向外界散发红外热量最终实现它的自动控制功能 1 2 目的意义 课题目的 本课题是设计一个红外线感应灯控制系统控制系统 通过本设 计了解红外线感应灯控制系统的工作原理 进而研究红外线感应灯控制系统的 设计方法 通过已学的模拟电路知识设计红外线感应灯控制开关电路 再利用 由光敏电阻组成的光感电路来控制感应灯开关的触发与否 将控制开关与节能 灯组成家庭照明系统 课题意义 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 3 LED 的介绍 1 3 1 LED 发光机理 PN 结的端电压构成一定势垒 当加正向偏置电压时势垒下降 P 区和 N 区的多数载流子向对方扩散 由于电子迁移率比空穴迁移率大得多 所以会出 现大量电子向 P 区扩散 构成对 P 区少数载流子的注入 这些电子与价带上 的空穴复合 复合时得到的能量以光能的形式释放出去 这就是 PN 结发光的 原理 1 3 2 LED 发光效率 一般称为组件的外部量子效率 其为组件的内部量子效率与组件的取出效 率的乘积 所谓组件的内部量子效率 其实就是组件本身的电光转换效率 主 要与组件本身的特性 如组件材料的能带 缺陷 杂质 组件的垒晶组成及 结构等相关 而组件的取出效率则指的是组件内部产生的光子 在经过组件本 身的吸收 折射 反射后 实际在组件外部可测量到的光子数目 因此 关于 取出效率的因素包括了组件材料本身的吸收 组件的几何结构 组件及封装材 料的折射率差及组件结构的散射特性等 而组件的内部量子效率与组件的取出 效率的乘积 就是整个组件的发光效果 也就是组件的外部量子效率 早期组 件发展集中在提高其内部量子效率 主要方法是通过提高垒晶的质量及改变垒 晶的结构 使电能不易转换成热能 进而间接提高 LED 的发光效率 从而可获 得 70 左右的理论内部量子效率 但是这样的内部量子效率几乎已经接近理论 上的极限 在这样的状况下 光靠提高组件的内部量子效率是不可能提高组件 的总光量的 因此提高组件的取出效率便成为重要的研究课题 目前的方法主 要是 晶粒外型的改变 TIP 结构 表面粗化技术 1 3 3 LED 电气特性 电流控制型器件 负载特性类似 PN 结的 UI 曲线 正向导通电压的极小 变化会引起正向电流的很大变化 指数级别 反向漏电流很小 有反向击穿 电压 在实际使用中 应选择 LED 正向电压随温度升高而变小 具有负温度 系数 LED 消耗功率 一部分转化为光能 这是我们需要的 剩下的就转化为 热能 使结温升高 LED 的电流 电压特性图 图 1 1 LED 的电流 电压特性图 如图 1 1 所示为 LED 工作的电流 电压 I V 特性图 发光二极管具有 与一般半导体三极管相似的输入伏安特性曲线 我们分别对图中所示的各段进 行说明 OA 段 正向死区 红色 LED VA 为开启 LED 发光的电压 黄色 的开启电压一般为 0 20 25V 绿色 蓝色 LED 的开启电压一般为 0 3 0 35V AB 段 工作区 在这一区段 一般是随着电压增加电流也跟着增加 发光亮度也跟着增大 但在这个区段内要特别注意 如果不加任何保护 当正向电压增加到一定值后 那么发光二极管的正向电压会减小 而正向电流会加大 如果没有保护电路 会因电流增大而烧坏发光二极管 OC 段 反向死区 发光二极管加反向电压是不发光的 不工作 但有反向电流 这个反向 电流通常很小 一般在几 A 之内 在 1990 1995 年 反向电流定为 10 A 1995 2000 年为 5 A 目前一般是在 3 A 以下 但基本上是 0 A CD 段 反向击穿区 发光二极管的反向电压一般不要超过 10V 最大不得超过 15V 超过这个 电压 就会出现反向击穿 导致 LED 报废 1 3 4 LED 光学特性 LED 提供的是半宽度很大的单色光 由于半导体的能隙随温度的上升而减 小 因此它所发射的峰值波长随温度的上升而增长 即光谱红移 LED 发光亮 度 L 与正向电流 近似成比例 另外发光亮度也与环境温度有关 环境温度高 时 复合效率下降 发光强度减小 1 3 5 LED 热学特性 小电流下 LED 温升不明显 若环境温度较高 LED 的主波长就会红移 亮度会下降 发光均匀性 一致性变差 尤其点阵 大显示屏的温升对 LED 的 可靠性 稳定性影响更为显著 所以散热设计很关键 1 3 6 白光 LED 类自然光谱白光 LED 主要有三种 第一种是比较成熟且已商业化的蓝 光芯片黄色荧光粉来获得白光 这种白光成本最低 但是蓝光晶粒发光波长的 偏移 强度的变化及荧光粉涂布厚度的改变均会影响白光的均匀度 而且光谱 呈带状较窄 色彩不全 色温偏高 显色性偏低 灯光对眼睛不柔和不协调 人眼经过进化最适应的是太阳光 白炽灯的连续光谱是最好的 色温为 2500K 显色 指数为 100 所以这种白光还需要改进 比如加多发光过程来改 善光谱 使之连续且足够宽 第二种是紫外光或紫光芯片红 蓝 绿三基色荧 光粉来获得白光 发光原理类似于日光灯 该方法显色性更好 而且 UV LED 不参与白光的配色 所以 UV LED 波长与强度的波动对于配出的白光而言不会 特别地敏感 并可由各色荧光粉的选择和配比 调制出可接受色温及演色性的 白光 但同样存在所用荧光粉有效转化效率低 尤其是红色荧光粉的效率需要 大幅度提高的问题 这类荧光粉发光稳定性差 光衰较大 配合荧光粉紫外光 波长的选择 UV LED 制作的难度及抗 UV 封装材料的开发也是需要克服的困难 第三种是利用三基色原理将 RGB 三种超高亮度 LED 混合成白光 该方法的优 点是不需经过荧光粉的转换而直接配出白光 除了可避免荧光粉转换的损失而 得到较佳的发光效率外 更可以分开控制红 绿 蓝光 LED 的发光强度 达成 全彩的变色效果 可变色温 并可由 LED 波长及强度的选择得到较佳的演色 性 但这种办法的问题是绿光的转换效率低 混光困难 驱动电路设计复杂 另外 由于这三种光色都是热源 散热问题更是其它封装形式的 3 倍 增加了 使用上的困难 偏振 LED 和三波长全彩化的白光 LED 将是未来的发展方向 1 3 7 LED 组成结构及原材料 以普通直插式 LED 为例 如仪表上所用的 LED 指示灯 通常 LED 由 以下几部分组成 支架 银胶 晶片 金线 环氧树脂外壳等 其中支架主要 起导电和支撑 LED 的作用 不同的 LED 使用的支架种类也不一样 银胶的作 用主要是固定晶片以及导电 晶片是由能发光的半导体材料组成 是 LED 最核 心的部分 晶片基本上决定了整颗 LED 的特性 金线的作用是连接晶片 PAD 焊垫 与支架 并使其能够导通 环氧树脂的作用 保护 LED 的内部结 构 可稍微改变 LED 的发光颜色 亮度及角度 如图 1 2 图 1 3 图 1 2 LED 组成结构图 图 1 3 LED 组成结构图 1 4 LED 光源的优点 1 4 1 发光效率高 LED 经过几十年的技术改良 其发光效率有了较大的提升 白炽灯 卤钨 灯光效为 12 24 lm W 荧光灯 50 70 lm W 钠灯 90 140lm W 大部分的耗电 变成热量损耗 LED 光效经改良后将达到 100 200 lm W 而且其光的单色性好 光谱窄 无需过滤可直接发出有色可见光 目前 世界各国都加紧了提高 LED 光效方面的研究 在不远的将来其发光效率将有更大提高 1 4 2 耗电量少 LED 的反应速度快 可在高频作同样明效果的情况下 耗电量是白炽灯的 八分之一 荧光灯管的二分之一 本估计 如采用光效比荧光灯还要高两倍的 LED 替代本一般的白炽灯和荧光灯 每年可节约资源相当于 60 亿升原油 就 桥梁护栏灯而言 同样效果的一只光灯 40W 而采用 LED 每只的功率只有 8W 而且可以七彩变化 1 4 3 使用寿命长 LED 采用电子光场辐射发光 灯丝发光易烧 热沉积 光衰减等缺点 而 采用 LED 灯体积小 重量轻 环氧树脂封装 可承受高强度机械冲击和震动 不易破碎 单个 LED 发光二极管 当亮度减半时 理论寿命可达到 10 万小时 LED 灯具使用寿命可达 5 10 年 可以大大降低灯具的维护费用 避免经常换 灯之苦 而且 LED 照明器材的整体封装材料如灯带塑料和灯壳在晒雨淋下容 易损坏 也直接影响 LED 照明器材的整体寿命 1 4 4 安全可靠性强 LED 发热量低 无热辐射 冷光源 可以安全接触 能精确控制光型及 发光角度 光色柔和 无眩光 不含汞 钠元素等可能危害健康的物质 内置 微处理器可以控制发光强度 调整发光方式 实现光与艺术的结合 LED 尺寸 小 重量轻 不易破碎 防震以及 24V 的工作电压等特点 所以在各种环境下 都显得十分安全可靠 1 4 5 环保 LED 为全固体发光体 抗震动 耐冲击 不易破碎 废弃物可回收没污染 光源体积小 可以随意组合 易开发成轻便薄短小型照明产品 也便于安装和 维护 当然 节能也是我们考虑使用 LED 的主要原因 也许 LED 光源要比传 统光源昂 但是用一年时间的节能收回光源的投资 从而获得 4 9 年中每年几 倍的节能净收益期 如果应用在夜景照明 可以以简洁明快的夜景照明方式突 出建筑物的形状特点和使用功能 充分体现建筑师的设计风格及意图 通过相 邻面间的亮度变化和颜色差异 突出建筑物的轮廓 保证建筑物的完整性并具 有良好的立体感 避免大量使用大功率投光灯 以减少眩光和由此产生的光污 染 使灯光对环境的干扰降低到最小值 1 4 6 其它优点 在照明领域中 特别是在景观照明中 还有很多优势 如 低压供电 无高压环节 为了绝缘的开销要小得多 可靠性高 附件简单 无启动器 镇流器或超高压变压器 结构简单 具有固体光源的最大优点 不充气 无 玻璃外壳 无气体密封问题 耐冲击 可控性好 响应时间快 微秒数量级 可反复频繁亮灭 基本无惰性 不会疲倦 色彩纯厚 由半导体 PN 结自 身产生色彩 纯正 浓厚 色彩丰富 三基色加数码技术 可演变任意色彩 轻质结构 节材 节约费用 对灯具强度和刚度要求很低 总之 LED 同其 他传统光源相比具有很大的优势 预计在不久的将来它将主宰照明行业 成为 新一代的理想光源 为揉的照明史谱写新的篇章 1 5 LED 产业发展历程及相关企业背景 LED 所用半导体材料实际在 20 世纪初就被发现 但实际可用的 LED 最早 是由 GE 公司研究人员 Nick Holonyak Jr 尼克何伦亚克于 1962 年发明 当 时所用的材料为 GaAsP 发红光 p650nm 到 20 世纪 70 年代中期 引 入元 使素 In 和 N LED 产生绿光 光 p590nm 橙 p610nm p555nm 黄 和光 到 1996 年 日本 Nichia 公司 日亚 成功开发出 白色 LED LED 光谱得以健全 此后 LED 产业步入高速发展的轨道 发展到现在 LED 已不单局限在小功率指示和照明范围内 随着技术水 平的提高 以其节能环保长寿命发光效率高的特性 在家用照明 汽车尾灯 路灯 灯饰 背光模组 多媒体显示等领域都有高速的发展 按照 LED 的构成及生产环节 通常将 LED 产业链划分为上 中 下游三 部分 上游产品主要为单晶片 中游产品主要为晶粒 下流产品即为封装好 的 LED 目前上游晶片主要为欧美日企业所掌控 如美国 Cree Lumileds GelCore 日本 Nichia ToyodaGosei 德国 Osram 韩国及台湾厂 商主要在中低端晶片部分进行竞争 日美这些企业几乎掌握了上游产业大部分 的专利技术 代表了整个 LED 产业的最高水平 日亚化学 Nichia 和丰田合成 ToyodaGosei 在 LED 发展中占有重要地位 都形成了 LED 完整的产业链 其 中日亚化学 1994 年第一个生产出蓝光芯片 并在专利技术方面具有垄断优势 Cree GelCore 等都有自己成熟的技术体系 但其在产业链上只集中在外延和 芯片的制备上 Lumileds 则关注于大功率 LED 的研发 在白光照明领域实力 雄厚 中游产业部分 日本企业几乎占据了全球 LED 产能的一半 除此之外 韩国及台湾地区的企业也有相当的实力 如 Samsung 晶电 杰圆 元砷 光 磊等厂商 而下游产业 特别是小功率 LED 台湾地区封装产量最高 占到世 界的 60 以