热释电红外自动节能灯电路设计

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，通过红外线传感器接收红外信号，并

2、利用 555 延时器来满足人来灯亮，人走后延时灯灭的要求。1 1 引言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 2 总体设计方案总体设计方案2.12.1 设计思路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

3、线转换成 0.3 至 3Hz 的电信号。 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。2.22.2 总体设计框图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 3 设计原理分析设计原理分析3.13.1 元件介绍元件介绍3.1.13.1.1 热释电红外传感器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

4、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，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂

5、、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，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

6、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。3.1.23.1.2 高

7、阻抗运算放大器高阻抗运算放大器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集成芯片上，该 CA3140A 和 CA3140BiMOS 运算放大器功能保护 MOSFET 的栅极（PMOS 上）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 PMOS 晶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 结构形式，而 CA3140 引脚中间级

8、、输出级、偏置、保护等采用双结构工艺形式。3.1.33.1.3 双电压比较器双电压比较器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+36V，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。图 3LM393 部分内部结构3.1.43.1.4 555555 定时器定时器555 定时器是一种多用途的数字模拟混合集成电路，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

9、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 CMOS 产品型号最后的 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(CMOS 型)。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），V

10、I2 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 VCC 经三个 5K电阻分压给出。在控制电压输入端 VCO 悬空时， VR1=2/3VCC， VR2=1/3VCC。 如果 VCO 外接固定电压，则 VR1=VCO，VR2=1/2VCO。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。3.1.53.1.5 光敏电阻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

11、，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 0.40.76m 可见光光谱范围内，可选用 MG41、MG42 或 MG45 型系列电阻，其中 MG45型为非密封型结构

12、，不宜在潮湿环境下使用。3.1.63.1.6 可控硅可控硅可控硅，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

13、到 555 脚 3 输出的高电平即可导通，使电灯点亮。3.23.2 电路原理图电路原理图电路原理图如图 5 所示。3.33.3 原理分析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 IC1 和比较电路 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图 5 电路原理图（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

14、 IC1 的同向端。IC1 采用高增益、低噪声运算放大器 CA3140，它与 R8、C4 及 R7、C3 等组成低频（0.28Hz）的电信号与 IC2 的 5 脚上的基准电压（由R10、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 M几十 M），它和 R15，RP2 的分压极大，调

15、节 RP2，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 触发导通，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 的大小可调节灯亮时间的长短。电路的供电采用 9V 的直流电源。3.43.4 电路原理电路原理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.图 6 前置放大电路3.4.2 高阻抗集

16、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 C3、R7 等组成了低频（0.28HZ）放大极，将信号输入信号输出电信号经过处理后，把信号放大到足够大，由脚 6 输出。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 LM393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

17、置位。3.4.4 555 时基电路及光电开关图 8 电压比较电路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、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 0.3V，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

18、 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220V 50Hz的交流电源。4 4 总结与体会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

19、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图 9 555 时基电路及光电开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，

20、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