熱釋電紅外自動(dòng)節(jié)能燈電路設(shè)計(jì)

1、熱釋電紅外自動(dòng)節(jié)能燈電路設(shè)計(jì)一課程設(shè)計(jì)背景近幾年，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，在各方面都取得了舉世矚目的成績(jī)， 人們過(guò)上 了幸福快樂(lè)的日子，但是，在經(jīng)濟(jì)的發(fā)展卻是以資源浪費(fèi)為代價(jià)，所以，在物質(zhì) 文化初步滿足的今天，人們?cè)絹?lái)越注重人與環(huán)境的和諧相處， 節(jié)約資源，保護(hù)環(huán) 境，成為這個(gè)時(shí)代人們的共同心聲。電能是這個(gè)年代人類所依賴的能源，作為學(xué) 生，從身邊小事做起，在教室里，無(wú)論是人多人少，白天黑夜，燈在無(wú)人管理的 情況下無(wú)時(shí)無(wú)刻不在亮著，造成了電能的極大浪費(fèi)，故本文設(shè)計(jì)了一個(gè)很小的電 路來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能功能。本次設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)模擬和數(shù)字電子電路的學(xué)習(xí)和掌握，自己動(dòng)手動(dòng)腦來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)熱釋電紅外自動(dòng)節(jié)能燈，通過(guò)紅外線傳感器

2、接收紅外信號(hào)， 并利用555延時(shí)器來(lái)滿足人來(lái)燈亮，人走后延時(shí)燈滅的要求。1引言此次課程設(shè)計(jì)我選擇了熱釋電紅外自動(dòng)節(jié)能燈設(shè)計(jì)。 此電路控制的燈在白天 光線強(qiáng)的時(shí)候不會(huì)照明，當(dāng)暮色降臨相對(duì)光線昏暗的時(shí)候，一旦有人進(jìn)入其紅外 傳感作用區(qū)域，電燈就會(huì)自動(dòng)點(diǎn)亮為行人照明，行人遠(yuǎn)去后，電燈就會(huì)自動(dòng)熄滅， 其功能充分體現(xiàn)了節(jié)能的特點(diǎn)及應(yīng)用于生活中的實(shí)用性。 本延時(shí)節(jié)能燈可以應(yīng)用 于樓道、衛(wèi)生間等公共場(chǎng)所。2總體設(shè)計(jì)方案2.1設(shè)計(jì)思路紅外感應(yīng)器件將人體發(fā)出的紅外線感應(yīng)出電信號(hào)，然后將其放大，用放大過(guò)后的信號(hào)去控制電燈電路的通斷。運(yùn)動(dòng)的人體發(fā)出紅外線，Q74能將運(yùn)動(dòng)的人體發(fā)出的紅外線轉(zhuǎn)換成0.3至3Hz的電信號(hào)

3、。然后用三極管和集成運(yùn)放電路將其放 大。將放大后的信號(hào)輸入到電壓比較器的輸入端，使用雙向晶閘管控制電燈的亮滅，使用555組成的當(dāng)穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器控制晶閘管的通斷。2.2總體設(shè)計(jì)框圖總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。圖1總體設(shè)計(jì)框圖3設(shè)計(jì)原理分析3.1元件介紹3.1.1熱釋電紅外傳感器熱釋電紅外傳感器是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的新型傳感器。專門用于檢測(cè)人體 輻射的紅外能，用它可以做成主動(dòng)式（檢測(cè)靜止或移動(dòng)極慢的人體）和被動(dòng)式（檢 測(cè)運(yùn)動(dòng)人體）的人體傳感器，與各種電路配合廣泛應(yīng)用于生活。熱釋電紅外傳感器在結(jié)構(gòu)上引入場(chǎng)效應(yīng)管， 其目的在于完成阻抗變換。由于 熱電元輸出的是電荷信號(hào)，并不能直接使用，因而需要用電阻將其轉(zhuǎn)換

4、為電壓形 式。故引入的N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)接成共漏形式來(lái)完成阻抗變換。熱釋電紅外傳感器由傳感探測(cè)元、干涉濾光片和場(chǎng)效應(yīng)管匹配器三部分組成。 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將高 熱電材料制成一定厚度的薄片，并在它的兩面鍍上金屬電極，然后加電對(duì)其進(jìn)行 極化，這樣便制成了熱釋電探測(cè)元。本電路使用的熱釋電紅外傳感器是 Q74,它由敏感元件、場(chǎng)效應(yīng)管、阻抗變 換器和濾光窗等組成，并在氨氣環(huán)境下封裝。其中敏感元件一般采用熱釋電材料， 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(cè)元件。在每個(gè)探測(cè)器內(nèi)裝入一個(gè)或兩個(gè)探測(cè)元件，并將兩 個(gè)探測(cè)元件以反極性串聯(lián)，以抑制由于自身溫度升高而

5、產(chǎn)生的干擾。 由探測(cè)元件 將探測(cè)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(chǎng)效應(yīng)管放大后向外輸出。為了提高探測(cè)器的探測(cè)靈敏度以增大探測(cè)距離，一般在探測(cè)器的 前方裝設(shè)一個(gè)菲涅爾透鏡，該透鏡用透明塑料制成，將透鏡的上、下兩部分各分 成若干等份，制成一種具有特殊光學(xué)系統(tǒng)的透鏡， 它和放大電路相配合，可將信 號(hào)放大70分貝以上，這樣就可以測(cè)出20米范圍內(nèi)人的行動(dòng)。這種材料在外加電 場(chǎng)撤除后，仍然保持極化狀態(tài)，也即存在自發(fā)極化，且自發(fā)極化強(qiáng)度PS隨溫度升高而下降。在制作敏感單元時(shí)，要先把熱釋電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，因此由溫度的變化而輸出的

6、熱 釋電信號(hào)也是有極性的。該傳感器的特點(diǎn)是，它只在由于外界的輻射而引起本身 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，就不再有信 號(hào)輸出，所以熱釋電信號(hào)與它本身的溫度變化率呈正比，即熱釋電傳感器只對(duì)運(yùn)動(dòng)的人體敏感。它的探測(cè)元的熱/電效應(yīng)的工作波長(zhǎng)為910微米，如果要增大 探測(cè)距離，可在傳感器前面配上相應(yīng)的菲涅爾透鏡。而且在實(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(cè)器需要一分鐘左右 的預(yù)熱時(shí)間。3.1.2高阻抗運(yùn)算放大器IC1采用的是高增益、低噪聲運(yùn)算放大器CA3140是美國(guó)無(wú)線電公司研制開發(fā)的一種BiMOS高電壓的運(yùn)算放大器在一片集成芯片上，該

7、CA3140A和CA3140BiMOS運(yùn)算放大器功能保護(hù) MOSFE的柵極（PMO上）中的晶體管輸入電路提供 非常高的輸入阻抗，極低輸入電流和高速性能。操作電源電壓從4V至36V（無(wú)論單或雙電源）,它結(jié)合了壓電PMOS1體管工藝和高電壓雙授晶體管的優(yōu)點(diǎn).（互 補(bǔ)對(duì)稱金屬氧化物半導(dǎo)體）卓越性能的運(yùn)放.它主要用于同相及反相放大、減法 器、對(duì)數(shù)處理等應(yīng)用。輸入級(jí)采用 PMOS吉構(gòu)形式，而CA3140引腳中間級(jí)、輸出 級(jí)、偏置、保護(hù)等采用雙結(jié)構(gòu)工藝形式。3.1.3雙電壓比較器IC2采用低功耗低失調(diào)雙電壓比較器 LM393內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖3.它具有工作電 壓范圍寬，單電源+2+36V,雙電源+1+18V,電

8、路電流小，典型值0.6mA共 模輸入電壓范圍寬，集電極開路輸出等特點(diǎn)。圖3 LM393部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)3.1.4 555定時(shí)器555定時(shí)器是一種多用途的數(shù)字一模擬混合集成電路，利用它能極方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。由于使用靈活、 方便，所以555定時(shí)器在波形的產(chǎn)生與變換、測(cè)量與控制、家用電器、電子玩具 等許多領(lǐng)域中都得到了應(yīng)用。正因?yàn)槿绱?，自從Signetics公司于1972年推出這種產(chǎn)品以后，國(guó)際上各 主要的電子器件公司也都相繼地生產(chǎn)了各自的555定時(shí)器產(chǎn)品。盡管產(chǎn)品型號(hào)繁多，但所有雙極型產(chǎn)品型號(hào)最后的 3位數(shù)碼都是555,所有CMO產(chǎn)品型號(hào)最后 的4位數(shù)碼都是7555。而

9、且，它們的功能和外部引腳的排列完全相同。為了提 高集成度，隨后又生產(chǎn)了雙定時(shí)器產(chǎn)品556（雙極型）和7556（CMO型）。圖4是555的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖。它由比較器 C1和C2基本RS觸發(fā)器和集 電極開路的放電三極管TD三部分組成。VI1是比較器C1的輸入端（也稱閾值端， 用TH標(biāo)注），VI2是比較器C2的輸入端（也稱觸發(fā)端，用 TR標(biāo)注）。C1和C2 的參考電壓（電壓比較的基準(zhǔn)）VR1和VR2由VCC經(jīng)三個(gè)5KQ電阻分壓給出。在 控制電壓輸入端 VCO懸空時(shí)，VR1=2/3VCCVR2=1/3VCC如果VCC外接固定電壓， 貝U VR1=VCpVR2=1/2VCO圖4 555內(nèi)部結(jié)構(gòu)RD是置零

10、輸入端。只要在 RD端加上低電平，輸出端 V0便立即被置成低電 平，不受其他輸入端狀態(tài)的影響。正常工作時(shí)必須使RD處于高電平。3.1.5光敏電阻光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱 而改變的電阻器，又稱為光電導(dǎo)探測(cè)器；入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻 增大。還有另一種入射光弱，電阻減小，入射光強(qiáng)，電阻增大。光敏電阻器一般 用于光的測(cè)量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。常用的光 敏電阻器硫化鎘光敏電阻器，它是由半導(dǎo)體材料制成的。光敏電阻器對(duì)光的敏感 性（即光譜特性）與人眼對(duì)可見光的響應(yīng)很接近，只要人眼可感受的光，都會(huì)引 起它的阻值變化。設(shè)計(jì)光控電路時(shí)

11、，都用白熾燈泡（小電珠）光線或自然光線作 控制光源，使設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化。本電路可選用硫化鎘光敏電阻器，它的波長(zhǎng)在0.4 0.76卩m可見光光譜范圍內(nèi)，可選用MG41 MG4或MG4饉系列電阻，其中MG45 型為非密封型結(jié)構(gòu)，不宜在潮濕環(huán)境下使用。3.1.6可控硅可控硅，簡(jiǎn)稱晶閘管。它是由四層半導(dǎo)體材料組成的，有三個(gè) PN結(jié)，對(duì)外 有三個(gè)電極：第一層P型半導(dǎo)體引出的電極叫陽(yáng)極 A,第三層P型半導(dǎo)體引出的 電極叫控制極G第四層N型半導(dǎo)體引出的電極叫陰極 K。從晶閘管的電路符號(hào) 可以看到，它和二極管一樣是一種單方向?qū)щ姷钠骷?關(guān)鍵是多了一個(gè)控制極 G, 這就使它具有與二極管完全不同的工作特性。 可控硅

12、的優(yōu)點(diǎn)很多，例如：以小功 率控制大功率，功率放大倍數(shù)高達(dá)幾十萬(wàn)倍；反應(yīng)極快，在微秒級(jí)內(nèi)開通、關(guān)斷； 無(wú)觸點(diǎn)運(yùn)行，無(wú)火花、無(wú)噪音；效率高，成本低等等可控硅起到控制電燈的作用，其接收到555腳3輸出的高電平即可導(dǎo)通，使電燈點(diǎn)亮3.2電路原理圖電路原理圖如圖5所示i+ h Ri皿U14fll51Cl47 uFta丄燈土-0.01 iFp |丄CBRP2HJfilkOhn/501R14INI Ohm81 k OhmR13 IMUmH7 91k OhmC523 uF61 fOhir R1 3 左 M OhmR141 M Oh用RF3代光輸克阻RP3(R/1 00 k Ohm /85%r90M圖9 555

13、 一時(shí)基電路及光電開關(guān)-QNb cc -7H DS DOT innC8100RP2(R/51 kOhm/50%RP2 R14和VT2組成了光電開關(guān)。光敏電阻在白天受光照時(shí)，電阻極小（手動(dòng) 將RP3調(diào)?。渑cR15 RP1分壓后，使VT2飽和導(dǎo)通，其飽和管壓降僅0.3V， 所以555的腳4被牢牢的箝在低電平，使得555處于強(qiáng)制復(fù)位狀態(tài)。555時(shí)基電 路與R13 C6等組成一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)延時(shí)電路。天黑后，光電開關(guān)閉合，555的腳4呈高電位而處于等待觸發(fā)狀態(tài)。在其腳 2接收到一個(gè)低跳變（1/3Vcc ）脈 沖觸發(fā)時(shí)，555被觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，腳3輸出呈高電平，將雙向可控硅觸發(fā)導(dǎo)通，電燈 點(diǎn)亮。電燈亮的時(shí)間

14、，即單穩(wěn)態(tài)電路的觸發(fā)后的暫穩(wěn)時(shí)間為td=1.1R13C6。3.4.5供電部分電路直流供電部分由九伏直流電源組成。電燈供電是220V50HZ的交流電源。4總結(jié)與體會(huì)隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新日異，電力電子技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)中占據(jù)著非 常重要的地位，電力電子技術(shù)應(yīng)用在是生活中可以說(shuō)得是無(wú)處不在如果把計(jì)算機(jī) 控制比喻為人的大腦，電磁機(jī)械等動(dòng)力機(jī)構(gòu)喻為人的四肢的話，則電力電子技術(shù)則可喻為循環(huán)和消化系統(tǒng)，它是能力轉(zhuǎn)化和傳遞的渠道。因此作為二十一世紀(jì)的 電氣專業(yè)的學(xué)生而言掌握電力電子應(yīng)用技術(shù)十分重要。電力電子課程設(shè)計(jì)的目的在于進(jìn)一步鞏固和加深所學(xué)電力電子基本理論知識(shí)。使學(xué)生能綜合運(yùn)用相關(guān) 關(guān)課程的基本知識(shí)，通

15、過(guò)本課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考能力，學(xué)會(huì)和認(rèn)識(shí)查閱 和占有技術(shù)資料的重要性，了解專業(yè)工程設(shè)計(jì)的特點(diǎn)、思路、以及具體的方法和 步驟，掌握專業(yè)課程設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)計(jì)算、軟件編制，硬件設(shè)計(jì)及整體調(diào)試。通過(guò) 設(shè)計(jì)過(guò)程學(xué)習(xí)和管理，樹立正確的設(shè)計(jì)思想和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)， 以期達(dá)到提高學(xué) 生設(shè)計(jì)能力。從理論到實(shí)踐，在專業(yè)課程設(shè)計(jì)持續(xù)的日子里，可以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)到很多東 西，不僅可以鞏固了以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書本上所沒(méi)有學(xué)到過(guò) 的知識(shí)。通過(guò)課程設(shè)計(jì)教育學(xué)生認(rèn)識(shí)理論與實(shí)際相結(jié)合的重要性，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論， 才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際

16、動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中隨時(shí)會(huì)遇到各式各樣的問(wèn)題， 同時(shí)會(huì)不斷發(fā)現(xiàn)自己的不足之處。 整了個(gè) 設(shè)計(jì)過(guò)程對(duì)很多學(xué)生而言可以說(shuō)是困難重重， 譬如對(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不 夠深刻，掌握得不夠牢固，不會(huì)查閱資料，覺(jué)得無(wú)從下手等等。在課程設(shè)計(jì)過(guò)程 中通過(guò)互動(dòng)指導(dǎo)，教育學(xué)生一步一步的制定并依次實(shí)施計(jì)劃， 并在設(shè)計(jì)計(jì)劃執(zhí)行 過(guò)程中教會(huì)他們查閱資料，鼓勵(lì)他們克服心理上的不良情緒，不斷的學(xué)習(xí)和解決 難題，不斷磨練煉學(xué)生意志的過(guò)程?？偨Y(jié)本次課程設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)過(guò)程學(xué)生表現(xiàn) 以及實(shí)習(xí)報(bào)告，本次課程設(shè)計(jì)有效培養(yǎng)了學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，發(fā)現(xiàn)，提出， 分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。通過(guò)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)踐，使學(xué)生

17、所學(xué)的基礎(chǔ)理論 和專業(yè)知識(shí)得到鞏固，并使學(xué)生得到運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的初步訓(xùn) 練；使學(xué)生接觸和了解實(shí)際局部設(shè)計(jì)從收集資料、方案比較、軟硬件設(shè)計(jì)及整體 調(diào)試的全過(guò)程，進(jìn)一步提高學(xué)生的分析、綜合能力以及工程設(shè)計(jì)中分析設(shè)計(jì)的基 本能力。這次課程設(shè)計(jì)我選擇了熱釋電紅外自動(dòng)節(jié)能燈設(shè)計(jì)， 是因?yàn)榫臀覀€(gè)人而言對(duì) 熱釋電紅外節(jié)能燈這個(gè)課題感性趣。 是希望通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我能夠?qū)⒗碚摾?解得更深刻，將理論和實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來(lái)，同時(shí)能夠更好的對(duì)集成電路的功能和 作用進(jìn)一步的學(xué)習(xí)。電路的工作狀態(tài)是白天不點(diǎn)亮，當(dāng)天黑后，有人進(jìn)入紅外傳 感作用區(qū)內(nèi)時(shí)，電燈會(huì)自動(dòng)點(diǎn)亮，為行人照明，人走后，燈自動(dòng)熄滅。在此次實(shí) 踐中，通過(guò)設(shè)計(jì)和調(diào)試實(shí)驗(yàn)，我對(duì)電路設(shè)計(jì)有了更深一步的認(rèn)識(shí)， 我發(fā)現(xiàn)電子產(chǎn) 品制作離我們真的很近。同時(shí)，我切實(shí)的發(fā)現(xiàn)自己的學(xué)習(xí)能力以及動(dòng)手能力增強(qiáng) 了，將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的