測控技術(shù)與儀器 摘 要 紅外線 、 熱釋電和超聲波遙控電路由于其功耗低，可靠性高和互相干擾小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在現(xiàn)實(shí)生活中得到了廣泛的應(yīng)用，而熱釋電紅外控制在各類 照明器件的控制 和安全防護(hù)系統(tǒng)的檢測中更有著獨(dú)特的作用。 該設(shè)計(jì)是以 BISS0001 紅外控制電路組成的熱釋電紅外控制照明燈 的工作原理為依據(jù) 。 采用熱釋電紅外探頭將接收到的信號(hào)加以放大，放大的信號(hào)使 電子開關(guān) VT 導(dǎo)通 而 驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器 SSR 開通 ，控制照明燈具點(diǎn)亮發(fā)光。 本設(shè)計(jì)的核心是通過熱釋電紅外探頭 RE200B 探測 來自移動(dòng)人體的紅外輻射 ，只要人們進(jìn)入探測區(qū)域， 以 熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構(gòu)成被動(dòng)式的熱釋電紅外開關(guān)能自動(dòng)快速開啟 ，燈泡兩端有電壓而點(diǎn)亮。根據(jù)這一思想并且 了解和掌握它們的工作原理和電路結(jié)構(gòu) 后設(shè)計(jì)電路。經(jīng)過仿真，焊板，調(diào)試。不斷的修改電路，直到能夠?qū)崿F(xiàn)電路所需實(shí)現(xiàn)的功能。 該控制器能 夠 實(shí)現(xiàn)有人進(jìn)入 探測區(qū)域 燈亮，人走燈滅 的 控制。常用于許多公共場所，如辦公室、樓道和廁所 及 浴室、儲(chǔ)藏室、梳妝臺(tái)鏡前燈等 的 自動(dòng)控制。 關(guān)鍵詞： 熱釋電紅外傳感器 ； 紅外熱釋電處理芯片 BISS0001； 紅外輻射 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 錄 緒 論 . 1 1.1 課題背景及來源 . 1 1.2 熱釋電紅外傳感器的 發(fā)展現(xiàn)狀 . 1 1.3 本課題所研究的內(nèi)容 . 2 2 熱釋電人體探測燈控系統(tǒng)的組成 . 4 2.1 人體熱釋電紅外傳感器 . 4 2.1.1 熱釋電人體紅外線傳感器的基本結(jié)構(gòu) . 4 2.1.2 熱釋電人體紅外線傳感器工作原理 熱釋電效應(yīng) . 6 2.1.3 菲涅爾透鏡的簡介 . 7 2.1.4 被動(dòng)式紅外線熱釋電傳感器的優(yōu)缺點(diǎn) . 8 2.2 傳感器信號(hào)處理集成電路 . 9 2.2.1 概述 . 9 2.2.2 BISS0001 信號(hào)處理器芯片 . 10 2.3 固態(tài)繼電器簡介 . 14 2.4 三級管的開關(guān)作用 . 15 3 人體探測燈控電路 的總體設(shè)計(jì) . 17 3.1 設(shè)計(jì)思想 . 17 3.2 各模塊方案選擇和論證 . 17 3.3 總體電路的結(jié)構(gòu)劃分 . 18 3.4 電路圖的設(shè)計(jì) . 20 3.4.1 人體探測燈控電路框圖 . 20 3.4.2 電路中主要元器件選擇 . 21 3.4.3 人體探測電路工作原理 . 22 4 電路制作 . 23 4.1 整體電路制作問題 . 23 4.1.1 原件的散熱問題 . 23 4.1.2 電子電路的靜電保護(hù) . 23 4.2 電路的焊接與調(diào)試 . 24 4.2.1 電路焊接 與調(diào)試時(shí)注意事項(xiàng) . 24 4.2.2 調(diào)試條件與步驟 . 24 4.3 仿真與試驗(yàn)結(jié)果 . 25 4.3.1 電源電路的仿真與調(diào)試結(jié)果 . 25 4.3.2 紅外延時(shí)控制電路的仿真與調(diào)試結(jié)果分析 . 25 4.3.3 控制執(zhí)行電路的仿真與調(diào)試結(jié)果分析 . 26 總結(jié)與展望 . 27 致 謝 . 28 參考文獻(xiàn) . 29 東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 熱釋電人體探測燈控系統(tǒng)的組成 1 緒 論 1.1 課題背景及來源 隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市建設(shè)也隨著迅速發(fā)展，節(jié)能與環(huán)保已經(jīng)成為當(dāng)代產(chǎn)品開發(fā)中的首要考慮因素和最大賣點(diǎn)。我國在新能源研發(fā)方面處于落后局面，加上傳統(tǒng)的人工操作和維護(hù)控制 手段已不能適應(yīng)現(xiàn)代化城市發(fā)展的需求。目前市場上的普通船型開關(guān)、拉線開關(guān)仍能占據(jù)著燈具開關(guān)市場的主要位置，由于人們的日常生活中許多不可控因素的出現(xiàn)及人們?nèi)粘Ａ?xí)慣所限，造成了大量的電能的浪費(fèi)。這種現(xiàn)象在我們的日常生活中隨處可見。比如說：非常安靜的樓道內(nèi)燈火通明，空無一人的教室每一盞日關(guān)燈都亮著，衛(wèi)生間里沒有人卻不熄滅燈光 一年中，全國因此而損耗的電能可以以億度計(jì)量，再加上因燈具常亮，縮短了燈具的使用壽命，頻繁的更換燈具不但造成了人力的大量浪費(fèi)，也造成了財(cái)力的大量浪費(fèi)。通過這種直接和間接的損失，所以每年電能的損 耗就達(dá)數(shù)億元。當(dāng)前，以人體發(fā)出的紅外光為控制源的控制電路，在探測到人體發(fā)出的紅外光時(shí)，直接使用熱釋電傳感器被動(dòng)遠(yuǎn)紅外探測功能，使被動(dòng)探測變成主動(dòng)探測，加快了智能照明系統(tǒng)的發(fā)展。由于該技術(shù)日漸成熟和完善，應(yīng)用范圍和市場份額也在不斷擴(kuò)大。目前，市場上已出現(xiàn)多種較為成熟的產(chǎn)品?？梢哉f，智能照明系統(tǒng)已成為照明控制技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展的主流，同時(shí)也為樓宇智能化的做出了突出貢獻(xiàn)。采用智能照明系統(tǒng)不僅能提升照明效果、優(yōu)化照明控制方式，而且能減少照明用電、節(jié)省施工材料、提高工作效率等。 本文介紹的人體探測燈控電路則同時(shí)采用熱釋電 傳感器的被動(dòng)探測與主動(dòng)探測功能，人體無論活動(dòng)與否，都能準(zhǔn)確地檢測出人體信息，實(shí)現(xiàn)人來、人在開關(guān)接通，人離后延時(shí)數(shù)分鐘（可預(yù)設(shè)）斷開的自動(dòng)控制作用。該控制器用途廣泛，節(jié)省電能，使用壽命長，具有普通船型開關(guān)、拉線開關(guān)無法相比的優(yōu)點(diǎn)和作用。隨著現(xiàn)代化的發(fā)展 ,工業(yè) ,農(nóng)業(yè) ,商業(yè) ,教育等等行業(yè)的用電量都大幅度增加 ,在這種情況下電能的浪費(fèi)成為人們普遍關(guān)注的問題。本課題從實(shí)際出發(fā)，準(zhǔn)備對紅外線樓道自動(dòng)照明系統(tǒng)進(jìn)行探索研究，部分解決電能的損耗問題。 由此觀之，如何有效的減少照明用電的浪費(fèi)和更好的管理照明系統(tǒng)已成為一個(gè)不可忽 視問題。 1.2 熱釋電紅外傳感器的 發(fā)展現(xiàn)狀 熱釋電紅外傳感器是一種非常具有應(yīng)用潛力的人造傳感器。它不僅能檢測到人所發(fā)射出的紅外光，而且某些動(dòng)物發(fā)出的紅外光也能探測的到，并轉(zhuǎn)換成微弱的電東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 熱釋電人體探測燈控系統(tǒng)的組成 2 信號(hào)輸出。早在十九世紀(jì) 30 年代末，就有人提出利用熱釋電效應(yīng)原理制作一種探測器探測紅外輻射，但并未受到當(dāng)時(shí)人們的重視。一直到六十年代，隨著紅外技術(shù)、激光的迅速發(fā)展，才又推動(dòng)了對熱釋電效應(yīng)的研究和對熱釋電探測器的應(yīng)用開發(fā)。 在國內(nèi)， 20 世紀(jì) 80 年代一種新型高靈敏度探測元件 熱釋電紅外傳感器發(fā)展起來了。這種熱釋電紅外傳感器能以非接觸形 式探測出人體輻射的紅外熱量變化，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。將這個(gè)電壓信號(hào)加以調(diào)理之后便可驅(qū)動(dòng)各種控制電路，如用于電源的開關(guān)控制、防盜防火報(bào)警、自動(dòng)探測等。熱釋電紅外傳感器不僅適用于防盜報(bào)警場所，亦適用于對人體傷害極為嚴(yán)重的高壓電及 x 射線、 r 射線等場所的自動(dòng)報(bào)警等。 對熱釋電紅外傳感器的研究已達(dá) 20 幾年，但大多無法兼顧探測器探測的靈敏度和準(zhǔn)確性，在寵物、熱氣流等干擾下，信號(hào)識(shí)別的準(zhǔn)確率有所下降，誤報(bào)率較高。這使得熱釋電紅外探測器在智能住宅小區(qū)的安防應(yīng)用中遇到了瓶頸。探測器之所以產(chǎn)生如此之高的誤報(bào)，主要原因是因 為缺乏對 PIR 傳感器輸出的紅外信號(hào)進(jìn)行充分有效的分析，對信號(hào)中所含有的特征信息沒有進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)挖掘。僅僅采用脈沖計(jì)數(shù) /定時(shí)、設(shè)定信號(hào)幅度閾值觸發(fā)等簡單方法，導(dǎo)致探測器的報(bào)警準(zhǔn)確率不高，不利于產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中的推廣。 在國外，很多國家都很重視這方面的研究開發(fā)，隨著計(jì)算技術(shù)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了智能化算法與先進(jìn)的微處理技術(shù)結(jié)合進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)處理判別的探測器。 2006 年韓國釜山國立大學(xué)研發(fā)了基于熱釋電紅外傳感器（ PIR）陣列的室內(nèi)位置檢測系統(tǒng)。 ADEMCO International、德國西門子安防、加拿 大 PARADOX SUCURITY SYSTEMS LTD 等公司推出的智能 PIR 入侵探測器。這些智能化的 PIR入侵探測器除了在物理結(jié)構(gòu)上采用了獨(dú)具匠心且非常有效的設(shè)計(jì)來防止誤報(bào)、漏報(bào)外，更多的采用了先進(jìn)的數(shù)字化信號(hào)處理技術(shù)與智能化算法相結(jié)合的方法，有效監(jiān)測其所監(jiān)測范圍內(nèi)的人體移動(dòng)情況，具備良好的抗干擾誤報(bào)特性，且各方面性能穩(wěn)定可靠，在防誤報(bào)漏報(bào)方面已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。美國 SUREN 公司最近又推出一款高性能探測器，分別在透鏡，電路，信號(hào)處理方面做了改進(jìn)，使其性能得到極大提高，并已經(jīng)申請兩項(xiàng)專利。這些國外產(chǎn)品無 疑會(huì)對國內(nèi)防盜探測領(lǐng)域造成極大的沖擊。因此，進(jìn)行探測器的智能化的研究，跟蹤國際先進(jìn)探測器技術(shù)的發(fā)展，具有重要的意義。但都沒有進(jìn)行人體識(shí)別方面的研究。 1.3 本課題所研究的內(nèi)容 本課題主要是利用熱釋電紅外傳感器監(jiān)測人體發(fā)出的紅外線 ,輸出微弱的電信號(hào)后，經(jīng)過集成電路芯片 BISS0001 進(jìn)行信息的后續(xù)處理，產(chǎn)生輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器而完成燈具亮或滅的系統(tǒng) ,主要用于家居生活 ,探測有無人進(jìn)入探測范圍 .該系東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 熱釋電人體探測燈控系統(tǒng)的組成 3 統(tǒng)方便、穩(wěn)定 ,十分適合樓道、廁所、辦公室等公共場所的照明 。熱釋電紅外傳感器既可用于人體探測燈控裝置，也可以用于自動(dòng)控制 、接近開關(guān)、遙測等領(lǐng)域。用它制作的人體探測裝置與目前市場上銷售的許多人體探測器材相比，具有如下特點(diǎn)： 1) 不需要用紅外線或電磁波等發(fā)射源； 2) 靈敏度高、控制范圍大； 3) 蔽性好、可流動(dòng)安裝。 東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 熱釋電人體探測燈控系統(tǒng)的組成 4 2 熱釋電 人體探測燈控系統(tǒng) 的 組成 2.1 人體熱釋電紅外傳感器 熱釋電紅外傳感器主要是由一種高熱電系數(shù)的材料，如鋯鈦酸鉛系陶瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等制成尺寸為 2*1mm 的探測元件。在每個(gè)探測器內(nèi)裝入一個(gè)或兩個(gè)探測元件，并將兩個(gè)探測元件以反極性串聯(lián)，以抑制由于自身溫度升高而產(chǎn)生的干擾。由探測元件將探測并接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)變成微弱的電壓 信號(hào)，經(jīng)裝在探頭內(nèi)的場效應(yīng)管放大后向外輸出。 為了提高探測器的探測靈敏度以增大探測距離，一般在探測器的前方裝設(shè)一個(gè)菲涅爾透鏡，利用菲涅爾透鏡的特殊光學(xué)原理，在探測器前方產(chǎn)生一個(gè)交替變化的“ 盲區(qū) ” 和 “ 高靈敏區(qū) ” ，以提高它的探測接收靈敏度。當(dāng)有人從透鏡前走過時(shí)，人體發(fā)出的紅外線就不斷地交替從 “ 盲區(qū) ” 進(jìn)入 “ 高靈敏區(qū) ” ，這樣就使接收到的紅外信號(hào)以忽強(qiáng)忽弱的脈沖形式輸入，從而加強(qiáng)其能量幅度。 2.1.1 熱釋電人體紅外線傳感器的基本結(jié)構(gòu) 熱釋電人體紅外傳感器有多種型號(hào)，但結(jié)構(gòu)、外形和電參數(shù)大致相同，一般可以互換，其典型外形如圖所 示 ： 圖 2-1 引腳功能圖 圖 2-2 管腳排列圖 東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 熱釋電人體探測燈控系統(tǒng)的組成 5 其內(nèi)部原理圖見下圖： 圖 2-3 內(nèi)部原理圖 人體輻射的紅外線中心波長為 9 10um，而探測元件的波長靈敏度 0.2 20um范圍內(nèi)幾乎穩(wěn)定不變。在傳感器頂端開設(shè)了一個(gè)裝有濾光鏡片的窗口，這個(gè)濾光片可通過光的波長范圍為 7 10um，正好適合于人體紅外輻射的探測，而對其它波長的紅外線由濾光片予以吸收，這樣便形成了一種專門用作探測人體輻射的紅外線傳感器。為提高傳感器的靈敏度，可在傳感器前 1 5cm 處放置菲涅爾透鏡，使探測距離從一般的 2m 提高到 10 至 20m。在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)時(shí)，可不加菲涅爾透鏡。在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器往往需要預(yù)熱，這是由傳感器本身決定的。一般被動(dòng)紅外探測器需要一分鐘左右的預(yù)熱時(shí)間。 圖 2-4 探測器視圖 該傳感器由敏感元件、場效應(yīng)管、阻抗變換器和濾光窗等構(gòu)成，并在氮?dú)猸h(huán)境下封裝。 1) 敏感元件 敏感元件，是用熱釋電人體紅外材料（通常是鋯鈦酸鋁）制成的，先把熱釋電東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 熱釋電人體探測燈控系統(tǒng)的組成 6 材料制成很小的薄片，再在薄片兩面鍍上電極，構(gòu)成兩個(gè)串聯(lián)的有極性的小電容器。將極性相反的兩個(gè)敏感元做在同一晶片上，是為了抑 制由于環(huán)境與自身溫度變化而產(chǎn)生熱釋電信號(hào)的干擾。而熱釋電人體紅外傳感器在實(shí)際使用時(shí)，前面要安裝透鏡，通過透鏡的外來紅外輻射只會(huì)聚在一個(gè)敏感元上，以增強(qiáng)接收信號(hào)。熱釋電人體紅外傳感器的特點(diǎn)是它只在由于外界的輻射而引起它本身的溫度變化時(shí)，才給出一個(gè)相應(yīng)的電信號(hào)，當(dāng)溫度的變化趨于穩(wěn)定后就再?zèng)]有信號(hào)輸出，所以說熱釋電信號(hào)與它本身的溫度的變化率成正比，或者說熱釋電紅外傳感器只對運(yùn)動(dòng)的人體敏感，應(yīng)用于當(dāng)今探測人體移動(dòng)報(bào)警電路中。 2) 場效應(yīng)管和高阻值電阻 RG 通常敏感元件材料阻值高達(dá)。因此，要用場效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換，場效應(yīng) 管常用 2sk303v3、 2sk94x3 等來構(gòu)成源極跟隨器，高阻值電阻 Rg 的作用是釋放柵極電荷，使場效應(yīng)管正常工作。一般在源極輸出接法下，源極電壓約為 0.4 1.0v。通過場效應(yīng)管，傳感器輸出信號(hào)就能用普通放大器進(jìn)行處理。 3) 濾光窗 熱釋電人體紅外傳感器中的敏感元件是一種廣譜材料，能探測各種波長輻射。為了使傳感器對人體最敏感，而對太陽、電燈光等有抗干擾性，傳感器采用了濾光片作窗口。濾光窗是由一塊薄玻璃片鍍上多層濾光層薄膜構(gòu)成的。濾光片是在基板上鍍多層膜做成的。每個(gè)物體都發(fā)出紅外輻射，其輻射最強(qiáng)的波長滿足維恩位 移定律： m 2989（ m K）式中 最大波長， 絕對溫度。人體溫度為36 37，即 309 310 K，其輻射的紅外波長 2989 309 310 9.67 9.64 ?？梢?，人體輻射的紅外線最強(qiáng)的波長正好在濾光片的響應(yīng)波長 7.5 14mm 的中心處。故濾光窗能有效地讓人體輻射的紅外線通過，而阻止太陽光、燈光等可見光中的紅外線通過，免除干擾。所以，熱釋電人體紅外傳感器只對人體和近似人體體溫的動(dòng)物有敏感作用。 綜上所述，傳感器只對移動(dòng)或運(yùn)動(dòng)的人體和體溫近似人體的物體起作用。 2.1.2 熱釋電人體紅外線 傳感器 工作原理 熱釋電效應(yīng) 當(dāng)一些晶體受熱時(shí)，在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷。這種由于熱變化而產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。 通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被空氣中附集在晶體外表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化電矩不能顯示出來。當(dāng)溫度變化時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)中的正、負(fù)電荷重心產(chǎn)生相對位移，晶體自發(fā)極化的值就會(huì)發(fā)生變化，在晶體表面就會(huì)產(chǎn)生電荷耗盡。 能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱為熱釋電體，又稱為熱電元件。圖 2-5 表示了熱釋電效應(yīng)形成的原理。熱電元件常用的材料有單晶 (LiTaO3 等 )、壓電陶瓷 (PZT 等 )及高分子薄膜 (PVF2 等 )。如果在熱電元件兩端并聯(lián)上電阻，當(dāng)元件受熱時(shí)，則電阻上東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 熱釋電人體探測燈控系統(tǒng)的組成 7 就有電流流過，在電阻兩端也能得到電壓信號(hào)。 圖 2-5 熱釋電效應(yīng)原理圖 2.1.3 菲涅爾透鏡的簡介 菲涅爾透鏡 (Fresnel lens) （見圖 2-6） 是由聚烯烴材料制成的薄片，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，它的紋理是利用光的干涉和根據(jù)相對靈敏度和接收角度要求來設(shè)計(jì)的，透鏡的要求很高，一片優(yōu)質(zhì)的透鏡必須是表面光潔，紋理清晰，其厚度一般在 1mm 左右，特性為面積較大，厚度薄及偵測距離遠(yuǎn)。 圖 2-6 菲涅 爾透鏡 菲涅爾透鏡作用有兩個(gè)：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號(hào)折射（反射）在 PIR上，第二個(gè)作用是將探測區(qū)域內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測區(qū)域的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在 PIR 上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號(hào)。 菲涅爾透鏡，簡單的說就是在透鏡的一側(cè)有等距的齒紋。通過這些齒紋，可以達(dá)到對指定光譜范圍的光帶通 (反射或者折射 )的作用。傳統(tǒng)的打磨光學(xué)器材的帶通東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 熱釋電人體探測燈控系統(tǒng)的組成 8 光學(xué)濾鏡造價(jià)昂貴。菲涅爾透鏡可以極大的降低成本。典型的例子就是 PIR（被動(dòng)紅外線探測器）。 PIR 廣泛的用在警報(bào)器上。如果你拿一個(gè)看看，你會(huì)發(fā)現(xiàn)在每個(gè)PIR 上都有個(gè)塑 料的小帽子。這就是菲涅爾透鏡。小帽子的內(nèi)部都刻上了齒紋。這種菲涅爾透鏡可以將入射光的頻率峰值限制到 10 微米左右（人體紅外線輻射的峰值）。成本相當(dāng)?shù)牡汀?目前在國內(nèi)市場上最常見的熱釋電紅外傳感器有日本尼賽拉公司生產(chǎn)的型號(hào)為RE200B、 RE03B 和德國海曼 LHi778、 LHi878、 LHi968 以及國內(nèi)自主品牌的產(chǎn)品等，其中日本尼賽拉公司的 RE200B 是市場上最常用的產(chǎn)品。 圖 2-7 菲涅爾透鏡示意圖 2.1.4 被動(dòng)式紅外線熱釋電傳感器的優(yōu)缺點(diǎn) 不同于主動(dòng)式紅外傳感器，被動(dòng)紅外傳感器本身不會(huì)發(fā)生任何類型 的輻射能，隱蔽性好，器件功耗小，價(jià)格低廉。但是，被動(dòng)式熱釋電傳感器也有不足之處，如： 產(chǎn)生的信號(hào)幅度小，容易受各種熱源、光源干擾； 被動(dòng)紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收； 東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 熱釋電人體探測燈控系統(tǒng)的組成 9 易受射頻輻射的干擾； 環(huán)境溫度和人體溫度接近時(shí)，探測和靈敏度明顯下降，有時(shí)造成短時(shí)失靈； 被動(dòng)紅外探測器的主要檢測的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闄M向運(yùn)動(dòng)方向，對徑向方向運(yùn)動(dòng)的物體檢測能力比較差。 圖 2-8 傳感器敏感移動(dòng)方向 紅外線熱釋電傳感器對人體的敏感程度還和人的運(yùn)動(dòng)方向關(guān)系很大。紅外線熱釋電傳感器對于徑向移動(dòng)反應(yīng)最不敏感 , 而對于橫切方向 (即與半徑垂直的方向 )移動(dòng)則最為敏感 . 在現(xiàn)場選擇合適的安裝位置是避免紅外探頭誤報(bào)、求得最佳檢測靈敏度極為重要的一環(huán)。 2.2 傳感器信號(hào)處理集成電路 2.2.1 概述 雖然被動(dòng)式熱釋電紅外探頭有其不足之處，但是在利用特殊方法處理其信號(hào)后，仍然使它在某些領(lǐng)域具有立足之地，有著廣 闊的應(yīng)用前景。因此，國內(nèi)國外有很多生產(chǎn)廠家根據(jù)熱釋電傳感器的特性設(shè)計(jì)了專用信號(hào)處理器，比如 HOLTEK HT761X、PTI PT8A26XXP、 WELTREND、 WT8072、 BISS0001。 由于熱釋電傳感器輸出的信號(hào)幅值小、變化緩慢，針對這些特點(diǎn)，專用信號(hào)處理器一般分為三步處理，具體處理步驟如下： a) 濾波放大 普通熱釋電傳感器輸出的微弱信號(hào)大約只在幾百微伏到幾毫伏之間，為了使后續(xù)電路能夠作出有效的信號(hào)處理，考慮到傳感器的信噪比及其它因素，通常取增益為 72.5dB，通帶在 0.3Hz 7Hz 之間。同時(shí) ，由于處理的是模擬小信號(hào)，所以為了保證放大器能夠工作的穩(wěn)定可靠，電路中特別設(shè)計(jì)用一個(gè)穩(wěn)壓器給傳感器、放大器和比較器供電。 東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 熱釋電人體探測燈控系統(tǒng)的組成 10 b) 窗口比較器 窗口比較器包括差分電路級和負(fù)載電路級。差分電路級根據(jù)輸入電壓生成一對差分電流，當(dāng)輸入電壓為一參考電壓時(shí)，差分電流根據(jù)具有最大值和最小值的輸入電壓變化，負(fù)載電路級從參考電流和與從差分電流中選出的電流相對應(yīng)的電流生成輸出電壓。通過產(chǎn)生參考電流和所述電流，按第二電流是否大于參考電流來確定一電壓范圍。由于窗口比較器的窗口按所述電流和參考電流形成，從而輸出電壓電平根據(jù)輸入電壓是否落入 電壓范圍發(fā)生變化。 熱釋電傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過放大后的信號(hào)通過窗口比較器后檢出滿足幅值要求的信號(hào)后，再轉(zhuǎn)換成一系列數(shù)字脈沖信號(hào)。 c) 噪聲抑制數(shù)字信號(hào)處理 長期以來，根據(jù)各國專家對人體運(yùn)動(dòng)中的特點(diǎn)以及傳感器的特性的研究，用在一定時(shí)間內(nèi)計(jì)算脈沖個(gè)數(shù)及測量脈沖寬度的方法來甄別有人體發(fā)出的有效信號(hào)，這里由系統(tǒng)振蕩器提供時(shí)鐘源（ 16kHz）。 經(jīng)過上述三步處理后就能準(zhǔn)確、可靠地判斷人體發(fā)出的信號(hào)。根據(jù)具體的應(yīng)用場合以實(shí)現(xiàn)既定控制，例如報(bào)警器自動(dòng)報(bào)警，自動(dòng)開啟某個(gè)設(shè)備等。 2.2.2 BISS0001 信號(hào)處理器芯片 BISS0001 是一款具有較高性能的傳感信號(hào)處理集成電路。它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構(gòu)成被動(dòng)式的熱釋電紅外開關(guān)。它能自動(dòng)快速開啟各類白炙燈、熒光燈、蜂鳴器、自動(dòng)門、電風(fēng)扇、烘干機(jī)和自動(dòng)洗手池等裝置，特別適用于企業(yè)、賓館、商場、庫房及家庭的過道等敏感區(qū)域，或用于安全區(qū)域的自動(dòng)燈光、照明和報(bào)警系統(tǒng)。見圖 2-9。 圖 2-9 BISS0001 芯片 BISS0001 芯片功能敘述如下： CMOS 數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐?。具有獨(dú)立的高輸入阻抗運(yùn)算放大器，可與多種傳感器匹配，進(jìn)行信號(hào)與處理。雙向鑒幅器，可有效東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 熱釋電人體探測燈控系統(tǒng)的組成 11 抑制干擾 。內(nèi)設(shè)延遲時(shí)間定時(shí)器和封鎖時(shí)間定時(shí)器，結(jié)構(gòu)新穎，穩(wěn)定可靠，調(diào)解范圍寬。內(nèi)置參考電壓。工作電壓范圍 2V 6V，采用 16 腳 DIP 和 SOP 封裝。其管腳圖見圖 2-10。各個(gè)引腳的說明見表 2-1，芯片的工作電壓和電流見表 2-2，芯片性能見表 2-3。 圖 2-10 BISS0001 管腳圖 表 2-1 BISS0001 各個(gè)引腳的 說明 引腳 名稱 I/O 功能說明 1 A I 可重復(fù)觸發(fā)和不可重復(fù)觸發(fā)選擇端。當(dāng) A 為 “ 1” 時(shí)，允許重復(fù)觸發(fā)；反之，不可重復(fù)觸發(fā) 2 VO O 控制信號(hào)輸出端。由 VS 的上跳前沿觸發(fā)，使 Vo 輸出從低電平跳變到高電平時(shí)視為有效觸發(fā)。在輸出延遲時(shí)間 Tx 之外和無 VS 的上跳變時(shí)， Vo 保持低電平狀態(tài)。 3 RR1 - 輸出延遲時(shí)間 Tx 的調(diào)節(jié)端 4 RC1 - 輸出延遲時(shí)間 Tx 的調(diào)節(jié)端 5 RC2 - 觸發(fā)封鎖時(shí)間 Ti 的調(diào)節(jié)端 6 RR2 - 觸發(fā)封鎖時(shí)間 Ti 的調(diào)節(jié)端 7 VSS - 工作電源負(fù)端 8 VRF I 參考電壓及復(fù)位輸入端。通常接 VDD，當(dāng)接 “0”時(shí)可使定時(shí)器復(fù)位 9 VC I 觸發(fā)禁止端。當(dāng) VcVR 時(shí)允許觸發(fā) (VR0.2VDD) 10 IB - 運(yùn)算放大器偏置電流設(shè)置端 11 VDD - 工作電源正端 12 2OUT O 第二級運(yùn)算放大器的輸出端 13 2IN- I 第二級運(yùn)算放大器的反相輸入端 東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 熱釋電人體探測燈控系統(tǒng)的組成 12 14 1IN+ I 第一級運(yùn)算放大器的同相輸入端 15 1IN- I 第一級運(yùn)算放大器的反相輸入端 16 1OUT O 第一級運(yùn)算放大器的輸出端 表 2-2 BISS0001 芯片的工作電壓和電流 符號(hào) 參數(shù) 測試條件 參數(shù)范圍 單位 V0 電源電壓 - -0.36.0 V Vi/Vo 輸入 /輸出電壓 - VSS-0.3VDDZ=0.3 V Iout 最大輸出電流 V0=5.0v 10 mA Topr 工作溫度 - -20+20 Tstg 貯存溫度 - -40+125 表 2-3 BISS0001 芯片性能 符號(hào) 參數(shù) 測試條件 最小值 最大值 單位 Vco 工作電壓范圍 - 3 5 V Ico 工作電流 無負(fù)載 50 uA 100 uA Vos 輸入失調(diào)電壓 5V 50 mA Ios 輸入失調(diào)電流 5V 50 nA Ayo 開環(huán)電壓增益 5V,Rl=1.5M 60 dB CMRR 共模抑制比 5V,Rl=1.5M 60 dB Vyh 運(yùn)放輸出高電平 5V,R=500K 4.25v V Vyl 運(yùn)放輸出低電平 5V 0.75 V Vrh Vc 端輸入高電平 5V,0.5mA 1.1 V Vrl Vc 端輸入低電平 5V,0.1mA 0.9 V Voh Vo 端輸出高電平 5V 4 V Vol Vo 端輸出高電平 5V 0.4 V Vah A 端輸入高電平 3.5 V Val A 端輸入低電平 1.5 V BISS0001 是由運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器以及封東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 熱釋電人體探測燈控系統(tǒng)的組成 13 鎖時(shí)間定時(shí)器等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐贰?nèi)部框圖見圖 2-11。 圖 2-11 BISS0001 內(nèi)部框圖 圖 2-12 所示的不可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形，來說明其工作過程。 不可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形。 圖 2-12 不可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形 首先，根據(jù)實(shí)際需要，利用運(yùn)算放大器 OP1 組成傳感信號(hào)預(yù)處理電路，將信號(hào)放大。然后耦合給運(yùn)算放大器 OP2，再進(jìn)行第二級放大，同時(shí)將直流電位抬高為東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 熱釋電人體探測燈控系統(tǒng)的組成 14 VM( 0.5VDD)后，將輸出信號(hào) V2 送到由比較器 COP1 和 COP2 組成的雙向鑒幅器，檢出有效觸發(fā)信號(hào) Vs。由于 VH 0.7VDD、 VL 0.3VDD，所以，當(dāng) VDD=5V 時(shí)，可有效抑制 1V 的噪聲干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。 COP3 是一個(gè)條件比較器。當(dāng)輸入電壓 Vc=VR 時(shí)， COP3 輸出為高電平，進(jìn)入延時(shí)周期。 當(dāng) A 端接 “ 0” 電平時(shí)，在 Tx 時(shí)間內(nèi)任何 V2 的變化都被忽略，直至 Tx 時(shí)間結(jié)束，即所謂不可重復(fù)觸發(fā)工作方式。當(dāng) Tx 時(shí)間結(jié)束時(shí)， Vo 下跳回低電平，同時(shí)啟動(dòng)封鎖時(shí)間定時(shí)器而進(jìn)入封鎖周期 Ti。在 Ti 時(shí)間內(nèi)，任何 V2 的變化都不能使 Vo 跳變?yōu)橛行顟B(tài)（高電平） ,可有效抑制負(fù)載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾。 圖 2-13 所示的可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形，來說明其工作過程。 可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形在 Vc=“ 0” 、 A=“ 0” 期間，信號(hào) Vs 不能觸發(fā) Vo 為有效狀態(tài)。在 Vc=“ 1” 、 A=“ 1” 時(shí)， Vs 可重復(fù)觸發(fā) Vo 為有效狀態(tài)，并可促使 Vo 在 Tx周期內(nèi)一直保持有效狀態(tài)。在 Tx 時(shí)間內(nèi)，只要 Vs 發(fā)生上跳變，則 Vo 將從 Vs 上跳變時(shí)刻 起繼續(xù)延長一個(gè) Tx 周期；若 Vs 保持為 “ 1” 狀態(tài)，則 Vo 一直保持有效狀態(tài)；若 Vs 保持為 “ 0” 狀態(tài)，則在 Tx 周期結(jié)束后 Vo 恢復(fù)為無效狀態(tài)，并且，同樣在封鎖時(shí)間 Ti 時(shí)間內(nèi)，任何 Vs 的變化都不能觸發(fā) Vo 為有效狀態(tài)。 圖 2-13 可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形 2.3 固態(tài)繼電器簡介 固態(tài)繼電器（亦稱固體繼電器）英文名稱為 Solid State Relay，簡稱 SSR。它是具有隔離功能的無觸點(diǎn)電子開關(guān)器件，單相 SSR 為四端有源器件，其中兩個(gè)輸入控制端，兩個(gè)輸出端，輸入輸出間為光隔離，輸入端加上直流或脈沖信號(hào)到一定電流值后 ，輸出端就能從斷態(tài)轉(zhuǎn)變成通態(tài)。固態(tài)繼電器工作可靠，壽命長，無噪聲，無東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 熱釋電人體探測燈控系統(tǒng)的組成 15 火花，無電磁干擾，開關(guān)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，且體積小，耐沖擊，耐振蕩、防爆、防潮、防腐蝕、能與 TTL、 DTL、 HTL 等邏輯電路兼容，以微小的控制信號(hào)達(dá)到直接驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載。 圖 2-14 固態(tài)繼電器 圖 2-15 固態(tài)繼電器的等效電路 2.4 三級管的開關(guān)作用 如圖 2-16 所示，三級管工作在飽和導(dǎo)通狀態(tài)（發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都是正偏置）時(shí)，其 c-e 極間電壓很小，比 PN 結(jié)的導(dǎo)通電壓還要?。ü韫茉?0.5V 以下）， c-e 極間相當(dāng)于“短路”，即呈“開 ”的狀態(tài)。 圖 2-16 飽和態(tài)如同通路 東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 熱釋電人體探測燈控系統(tǒng)的組成 16 如圖 2-17 所示，三極管在截止?fàn)顟B(tài)（發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都是反偏置）時(shí)，其 c-e極間電流很?。ü韫芑旧狭坎坏剑喈?dāng)于“斷開（即關(guān)）”的狀態(tài)。 圖 2-17 截止態(tài)如同斷路線圖 三極管開關(guān)電路的特點(diǎn)是開關(guān)速度極快，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比機(jī)械開關(guān)快，沒有機(jī)械接點(diǎn)，不產(chǎn)生電火花。開關(guān)的控制靈敏，對控制信號(hào)的要求低，導(dǎo)通時(shí)開關(guān)的電壓降比機(jī)械開關(guān)大，關(guān)斷時(shí)開關(guān)的漏電流比機(jī)械開關(guān)大。不宜直接用于高電壓、強(qiáng)電流的控制。 東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 人體探測燈控電路的總體設(shè)計(jì) 17 3 人體探測燈控電路的總體設(shè)計(jì) 3.1 設(shè)計(jì)思想 人體探測燈控電路由于觸發(fā)的 時(shí)候不需要人發(fā)出任何聲音，而是人走過時(shí)身體向外界散發(fā)紅外熱量最終控制燈具的開啟，當(dāng)人離開后，經(jīng)過一定時(shí)間的延時(shí)，自動(dòng)熄滅。因?yàn)椴煌诼暪饪責(zé)?，不需要聲音和開關(guān)控制，從而避免了聲控噪音的侵?jǐn)_，同時(shí)因?yàn)樗歉袘?yīng)人體熱量控制開關(guān)，所以避免了無效電能的損耗，達(dá)到節(jié)能效果。 此類設(shè)計(jì)的要點(diǎn)在于對紅外線信號(hào)的放大及處理，尤其是從系統(tǒng)的穩(wěn)定性上下功夫，運(yùn)放用作放大電路已為電子設(shè)計(jì)師所常用，因?yàn)槠浞糯蟊稊?shù)完全可以通過反饋量的大小來進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)外圍電路非常簡單，性能也較好，但是作為放大從傳感器接收下來的人體紅外信號(hào)時(shí)，由于 傳感器易受熱噪聲的影響，放大器放大倍數(shù)的選擇是一大難點(diǎn)，也是本設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵所在，選大了，無法關(guān)斷所控制的照明燈，選小了，又檢測不到人體發(fā)出的紅外線信號(hào)。另外，前級的放大倍數(shù)與干擾比較電路的參數(shù)選擇應(yīng)配合起來，如何區(qū)分是熱噪聲信號(hào)還是有效的人體信號(hào)，另一方面還取決于對比較器參考電壓的選擇，至于延時(shí)部分的選擇相對來說比較簡單，只要前面部分的工作可靠了，一般后續(xù)電路就較為容易實(shí)現(xiàn)了。 3.2 各模塊方案選擇和論證 1) 探測器模塊的設(shè)計(jì) 方案一： 采用 BISS0001 芯片組成的探測電路穩(wěn)定性一般，電路設(shè)計(jì)簡單，檢測到人體的距離也比較的遠(yuǎn)。 方案二： 采用 LM324 芯片組成的探測電路的穩(wěn)定性一般，但電路較復(fù)雜。調(diào)試比較困難。 方案三： 采用紅外對管收發(fā)電路，但是紅外對管不單檢測到人，而且物體經(jīng)過也會(huì)檢測到，由于題目所要求的是只是檢測到人經(jīng)過，所以排除本方案。 綜合以上三種方案，選擇方案一來做探測電路。 2) 控制執(zhí)行模塊的設(shè)計(jì) 方案一： 東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 人體探測燈控電路的總體設(shè)計(jì) 18 采用固態(tài)繼電器 SSR 作為燈控開關(guān)。 固態(tài)繼電器只是相當(dāng)于一個(gè)開關(guān) ,不能調(diào)節(jié)電流。但固態(tài)繼電器動(dòng)作電壓與控制電壓通過內(nèi)部電路例如光耦進(jìn)行分離的。造成的誤差小。 方案二： 采用可控硅作為燈控開關(guān)。 由于可控硅只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開關(guān)特性，這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化。 綜合以上兩種方案，選擇方案一來做控制執(zhí)行電路。 3.3 總體電路的結(jié)構(gòu)劃分 設(shè)計(jì)的電路主要由三部分組成： 1) 電源電路： 電源變壓器 T、整流二極管 VD1 VD4、濾波電容 C7、 C9、旁路電容 C8、三端穩(wěn)壓集成電路 IC2 組成 。 圖 3-1 電源電路 電源電路設(shè)計(jì)的目的是把 220V 交流電通過降壓、整流、濾波和穩(wěn)壓后形成穩(wěn)定的 5V 直流電壓給整個(gè)控制電路供電。 2) 紅外延時(shí)控制電路： 由熱釋電紅外傳感器 PIR、靈敏度電位器 RP1、熱釋電紅外傳感信號(hào)處理集成電路 BISS00O1（ IC1）及延時(shí)元件 R1、 C2、電位器 RP2、光敏電阻 RG 等外圍元件組成。 東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 人體探測燈控電路的總體設(shè)計(jì) 19 圖 3-2 紅外延時(shí)電路 紅外延時(shí)控制電路能可靠地將運(yùn)動(dòng)的人體與運(yùn)動(dòng)的物體加以區(qū)別，可避免誤動(dòng)作。延時(shí)時(shí)間由延時(shí)元件 R1 與 C2 的時(shí)間常數(shù)決定，圖所示時(shí)間為 15s。由于芯片第 1 腳接高電平，電路處于允許重復(fù)觸發(fā)狀態(tài)，即在延時(shí)時(shí)間（ 15s）內(nèi)，只要人稍微移動(dòng)一下，電路就重新 被觸發(fā)，第 2 腳再輸出一個(gè)脈寬為 15s 的高電平信號(hào)。所以只要有人在浴室內(nèi)，照明燈具 H 將始終被點(diǎn)亮。只有人離開后，延時(shí) 15s 后，電路復(fù)位，照明燈具 H 自動(dòng)熄滅。 3) 控制執(zhí)行電路 ： 由電子開關(guān) VT、固態(tài)繼電器 SSR 和照明燈具 H 組成。 圖 3-3 控制執(zhí)行電路 電子開關(guān) VT 在控制信號(hào)輸出端為低電平時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，固態(tài)繼電器 SSR 關(guān)斷，照明燈具不亮。反之，則亮。 東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 人體探測燈控電路的總體設(shè)計(jì) 20 3.4 電路圖的設(shè)計(jì) 總電路的主要元件是熱釋電紅外傳感器，因其抗干擾性好、探測靈敏度高、工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于防盜報(bào)警、自動(dòng)門、 感應(yīng)燈、自動(dòng)水閥、自動(dòng)馬達(dá)控制等工業(yè)和生產(chǎn)領(lǐng)域 。 BISS0001 是專門為熱釋電紅外傳感器（ PIR）配套設(shè)計(jì)的集成電路，采用 CMOS 工藝制造，具有性能指標(biāo)高、一致性好、功耗低、外圍電路簡單、安裝調(diào)試方便、工作可靠性 高等優(yōu)點(diǎn)。 圖 3-4 利用 BISS0001 構(gòu)成的熱釋電紅外延時(shí)照明控制器電路 3.4.1 人體探測燈控電路框圖 東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 人體探測燈控電路的總體設(shè)計(jì) 21 圖 3-5 人體探測燈控電路結(jié)構(gòu)框圖 3.4.2 電路 中 主要元器件選擇 由圖 3-1 可知，該熱釋電紅外延時(shí)照明控制器由電源電路、紅外延時(shí)控制電路和控制執(zhí)行電路組成。其中，電源電路由電源變壓器 T、整流二極管 VD1 VD4、濾波電容 C7、 C9、旁路電容 C8、三端穩(wěn)壓集成電路 IC2 組成。實(shí)際應(yīng)用時(shí)， T 常選用 220V/9V、 5VA 小型優(yōu)質(zhì)電源變壓器； VD1 VD4 選用 IN4001 型整流二極管；IC2 選用 LM7805 型三端穩(wěn)壓集成電路。 220V 交流電通過降壓、整流、濾波和穩(wěn)壓后形成穩(wěn)定的 +5V 直流電壓給整個(gè)控制電路供電。 紅外延時(shí)控制電路由熱釋電紅外傳感器 PIR、靈敏度電位器 RP1、熱釋電紅外傳感信號(hào)處理集成電路 BISS0001（ IC1）及延時(shí)元件 R1、 C2、電位器 RP2、光敏電阻 RG 等外圍元件組成。實(shí)際應(yīng)用時(shí)， PIR 常選用 P2288、 PH5324、 LH1956 型等熱釋電紅外傳感器，為了提高 PIR 傳感器感受紅外線的靈敏度，在傳感器前應(yīng)加裝配套的拋物面形或 半球形的菲涅耳透鏡； RG 選用 MG45 型等光敏電阻，且要求亮電阻與暗電阻相差倍數(shù)越大越好； RP1、 RP2 選用 WSW 型有機(jī)實(shí)心微調(diào)電位器。 控制執(zhí)行電路由電子開關(guān) VT、固態(tài)繼電器 SSR 和照明燈具 H 組成。實(shí)際應(yīng)用時(shí)， VT 常選用 9013 型 NPN 三極管，要求 100； SSR 選用 JCX 2F DC5V 型過零緊湊型固態(tài)繼電器； H 可根據(jù)需要選用 100W 以下的白熾燈泡。 人體紅外線 熱釋電紅外探頭 熱釋電紅外處理芯片 控制執(zhí)行電路 燈具 電源電路 東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 人體探測燈控電路的總體設(shè)計(jì) 22 3.4.3 人體探測電路工作原理 電路通電后，當(dāng)無人進(jìn)人熱釋電傳感器 PIR 監(jiān)控范圍時(shí)，熱釋電紅外傳感信號(hào)處理集成電路 BISS0001 處于復(fù)位狀態(tài)，控制信號(hào)輸出端（第 2 腳） Vo 輸出為低電平，電子開關(guān) VT 處于截止?fàn)顟B(tài)，固態(tài)繼電器 SSR 關(guān)斷，照明燈具 H 不亮，控制器處于監(jiān)控狀態(tài)。當(dāng)有人進(jìn)人熱釋電傳感器 PIR 監(jiān)控范圍并移動(dòng)時(shí)， PIR 可將人體散發(fā)出的紅外線變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，輸出信號(hào)頻率為 0.1 10Hz。 RP2 與 RG 組成光控電路，白天光敏電阻 RG 受自然光照射呈現(xiàn)低電阻，當(dāng) BISS0001 第 9 腳電平Vo 02VDD 時(shí)，觸發(fā)禁止， BISS0001 等后級電路不工作，照明燈具 H 不亮。晚上或環(huán)境光線較暗時(shí)， RG 阻值增大，當(dāng) BISS0001 第 9 腳電平玩 0.2Vpp 時(shí)， BISS0001處 于監(jiān)控狀態(tài)，輸出端仍為低電平。如果此時(shí)有人在 PIR 監(jiān)控范圍內(nèi)移動(dòng)， PIR便輸出隨人體移動(dòng)而變化的電信號(hào)，通過 RP1 送人 BISS0001 芯片內(nèi)部獨(dú)立高輸人阻抗運(yùn)算放大器 OP1 的輸入端 11N+（第 14 腳），經(jīng) OP1 前置放大后，由第 16 腳輸出，經(jīng) C4 耦合到第 13 腳 2IN-端，再經(jīng)芯片內(nèi)部第 2 級運(yùn)算放大器 OP2 進(jìn)行放大，然后經(jīng)芯片內(nèi)部雙向鑒幅器處理，輸出有效觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)芯片內(nèi)部的延時(shí)定時(shí)器 TX，最后由狀態(tài)控制器從 BISS0001 第 2 腳輸出高電平控制信號(hào)，使電子開關(guān)VT 導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器 SSR 開通，照明燈具 H 點(diǎn)亮發(fā) 光。 BISS0001 第 2 腳輸出高電平控制信號(hào)時(shí)間等于電路的延時(shí)時(shí)間，它由延時(shí)元件 R1 與 C2 的時(shí)間常數(shù)決定，圖所示時(shí)間為 15s。由于芯片第 1 腳接高電平，電路處于允許重復(fù)觸發(fā)狀態(tài)，即在延時(shí)時(shí)間（ 15s）內(nèi)，只要人稍微移動(dòng)一下，電路就重新被觸發(fā)，第 2 腳再輸出一個(gè)脈寬為 15s 的高電平信號(hào)。所以只要有人在浴室內(nèi)，照明燈具 H 將始終被點(diǎn)亮。只有人離開后，延時(shí) 15s 后，電路復(fù)位，照明燈具 H 自動(dòng)熄滅。 東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 電路制作 23 4 電路制作 4.1 整體電路制作問題 4.1.1 原件的散熱問題 電子設(shè)備的內(nèi)部熱源主要是一些發(fā)熱的電子元器件，如功率管、集成電路、變壓器、功率 損耗大的電阻等，為了不使元器件和電子設(shè)備的溫度過高，必須采取措施將發(fā)熱元件所產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去。不同的元器件，其散熱處理方法也不同。 A. 阻容散熱 a) 電阻的散熱 電阻的溫升與功率損耗、電阻結(jié)構(gòu)與尺寸、表面狀態(tài)、與其他元件的距離、安裝位置及周圍環(huán)境有關(guān)。 b) 電容的散熱 電容的參數(shù)包括額定電壓（耐壓）、電容量、絕緣電阻、損耗因數(shù)（損耗角正切值）等，它們的大小都直接與溫度有關(guān)，溫度升高，對所有參數(shù)都有害。要使電容處于正常工作狀態(tài)，應(yīng)將電容與高溫元件隔離。 B. 變壓器和扼流圈的散熱 變壓器的熱源是鐵芯和線包，其自然散熱的途徑 對變壓器本身而言主要是熱傳導(dǎo)，外部散熱主要是熱對流、熱傳導(dǎo)，其次是熱輻射。為了提高對流散熱效果，可將變壓器墊起一定高度，并在底板上開設(shè)通風(fēng)孔。 C. 集成電路的散熱 集成電路及復(fù)合固態(tài)器件的散熱與小功率晶體管相似，其引線數(shù)比較多，可供自然對流的面積大，功耗較大的集成電路常利用導(dǎo)熱條進(jìn)行傳導(dǎo)散熱。 4.1.2 電子電路的靜電保護(hù) 兩種物體相互摩擦?xí)r，由于電子與離子的親和性不同，會(huì)在兩物體間引起電子與離子的移動(dòng)，形成一面帶正電荷，另一面帶負(fù)電荷。當(dāng)兩物體離開后，在各物體上產(chǎn)生額外的電荷，當(dāng)積累的電荷達(dá)到一定量后，電荷會(huì)向相反極性 的一方遷移，這時(shí)就發(fā)生放電現(xiàn)象。人體的轉(zhuǎn)動(dòng)引起衣服間的相互摩擦，或人在地毯 (非防靜電地毯 )上行走，都會(huì)使人體帶靜電，其電壓可達(dá) 2 kV 15 kV。 一個(gè)良好的電子系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)該在電路設(shè)計(jì)的最初階段就考慮瞬態(tài)保護(hù)要求。保護(hù)電路的基本原理是，使用電壓箝位電路阻止高壓進(jìn)入柵極，同時(shí)提供大電流分流東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 電路制作 24 通道。有多種電路設(shè)計(jì)可以達(dá)到 ESD 保護(hù)的目的，但選用時(shí)必須考慮以下原則，并在性能和成本之間加以權(quán)衡： i. 速度要快，這是 ESD 干擾的特點(diǎn)決定的； ii. 能應(yīng)付大的電流通過； iii. 考慮瞬態(tài)電壓會(huì)在正、負(fù)極性兩個(gè)方向發(fā)生； iv. 對信號(hào)增加的電 容效應(yīng)和電阻效應(yīng)控制在允許范圍內(nèi)； 4.2 電路的焊接與調(diào)試 4.2.1 電路焊接與調(diào)試時(shí)注意事項(xiàng) 1) 在進(jìn)行焊接前要判斷好各管子的管腳，以免發(fā)生錯(cuò)誤最終導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失??； 2) 電路中有電解電容存在，因此在焊接前應(yīng)注意其正負(fù)極性； 3) 在焊接時(shí)注意安全，防止被燙傷； 4) 由于電路板較小，在焊接后注意檢查，防止焊點(diǎn)相接觸； 5) 由于此開關(guān)電路的輸入電壓是 220V 交流電，因此在做調(diào)試時(shí)應(yīng)注意不要用手接觸電路，以免發(fā)生觸電危險(xiǎn)。 4.2.2 調(diào)試條件與步驟 本次 調(diào)試 是在實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)桌上測試的，而且電路板沒有任何的屏蔽措施，實(shí)驗(yàn)室的電磁干擾也比較的大。 所以在調(diào)試過 程中應(yīng)該注意的事情很多，在調(diào)試前應(yīng)根據(jù) IC1 的大小，在無孔開關(guān)蓋板上開一個(gè)適當(dāng)大小的孔，將 IC1 的傳感面朝外，與蓋板外表面平齊，用 502 膠水粘牢。其余元件焊在一塊電路板上，用軟線與 IC1連接。光敏電阻最好和 IC1 同樣安裝，以便受光，整個(gè)裝置置于開關(guān)盒內(nèi)。由于人進(jìn)出樓道時(shí)身體離紅外感應(yīng)開關(guān)很近，所以該開關(guān)一般均能可靠工作。如欲增大探測距離，可在傳感器前面配上相應(yīng)的菲涅爾透鏡。調(diào)試時(shí)，首先斷開光敏電阻，調(diào)整 RP1，讓人通過傳感器旁邊時(shí)燈泡點(diǎn)亮。接著焊上光敏電阻，遮住光線再細(xì)調(diào)一次便可。然后調(diào)整 RP2 讓燈泡發(fā)光時(shí) 間長短適當(dāng)即可。 做好如上準(zhǔn)備后，電路的調(diào)試的具體步驟大致如下： 1) 通電觀察： 通電后不要急于測量電氣指標(biāo)，而要觀察電路有無異?，F(xiàn)象，例如有無冒煙現(xiàn)象，有無異常氣味，手摸集成電路外封裝，是否發(fā)燙等。如果出現(xiàn)異常現(xiàn)象，應(yīng)立即關(guān)斷電源，待排除故障后再通電。 東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 電路制作 25 2) 靜態(tài)調(diào)試： 靜態(tài)調(diào)試一般是指在不加輸入信號(hào)，或只輸入固定的電平信號(hào)的條件下所進(jìn)行的直流測試，可用萬用表測出電路中各點(diǎn)的電位，通過和理論估算值比較，結(jié)合電路原理的分析，判斷電路直流工作狀態(tài)是否正常，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電路中已損壞或處于臨界工作狀態(tài)的元器件。通過更換器件或調(diào) 整電路參數(shù)，使電路直流工作狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。 3) 動(dòng)態(tài)調(diào)試： 動(dòng)態(tài)調(diào)試是在靜態(tài)調(diào)試的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，在電路的輸入端輸入合適的信號(hào)，按信號(hào)的流向，順序檢測各測試點(diǎn)的輸出信號(hào)，若發(fā)現(xiàn)不正常現(xiàn)象，應(yīng)分析其原因，并排除故障，再進(jìn)行調(diào)試，直到滿足要求。 4.3 仿真與試驗(yàn)結(jié)果 4.3.1 電源電路的仿真與調(diào)試結(jié)果 電路中 4.3.2 紅外延時(shí)控制電路的仿真與調(diào)試結(jié)果分析 電路中設(shè)計(jì)紅外延時(shí)控制電路的目的是為了將熱釋電傳感器發(fā)出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，提高工作電壓，保證開光電路正常工作。圖 4-1 為集成芯片構(gòu)成的紅外延時(shí)電路的仿真電路圖。 圖 4-1 紅外延時(shí)控制模塊 在 Multision10.0環(huán)境下設(shè)計(jì)集成芯片 BISSOOO1構(gòu)成的比較放大電路仿真電路圖。由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生峰值為 5mv，頻率為 50HZ 的矩形波，用示波器觀察輸入、輸東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 電路制作 26 出波形和電壓由圖 4-2 可以看出，仿真開始波形穩(wěn)定后，輸出波形峰值為 4V 左右。能觸發(fā)開關(guān)電路中的三級管導(dǎo)通，從而驅(qū)動(dòng)繼電器導(dǎo)通，電路正常工作。 圖 4-2 示波器仿真波形 4.3.3 控制執(zhí)行電路的仿真與調(diào)試結(jié)果分析 東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 總結(jié)與展望 27 總結(jié)與展望 通過本次實(shí)習(xí)，不僅讓我溫故了以前所學(xué)的知識(shí)，也讓我更深的體會(huì) “溫故而知新 ”這句話的意思。以前總在感覺，大學(xué)四年自己幾乎是學(xué)一門丟一門。大家都在討論說，曾經(jīng)學(xué)到的東西在考試完之后不久就已經(jīng)全部歸還給老師了。但是經(jīng)過這次實(shí)習(xí)之后，我發(fā)現(xiàn)，其實(shí)我們學(xué)到的知識(shí)并沒有丟給老師，只是因?yàn)樗鶎W(xué)的知識(shí)沒有應(yīng)用的 空間，所以暫時(shí)的存儲(chǔ)在大腦中。這也使我認(rèn)識(shí)到， 測控技術(shù)與儀器 專業(yè)是一個(gè)注重理論與實(shí)踐相結(jié)合的專業(yè)。記不住，只是因?yàn)槿鄙賹?shí)踐的機(jī)會(huì)。因而，為了能讓我們學(xué)有所用，學(xué)有所得，我們應(yīng)積極參加實(shí)踐，同時(shí)也肯定了我們其實(shí)我們的未來的學(xué)習(xí)與生活是美好的。至少我們有著我們的發(fā)展空間。或許對我們這些對未來畏懼，對未來未知的畏懼的大學(xué)生有著不同的意義。 本次設(shè)計(jì)的主要芯片是紅外熱釋電處理芯片 BISS0001，它是一款兼具多重功能的集成芯片，由 熱釋電傳感器 輸出的信號(hào)，經(jīng)芯片處理后 輸出觸發(fā)信