《傳感器技術(shù)與應(yīng)用》課程設(shè)計

1、佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 課程設(shè)計名稱： 傳感器技術(shù)與應(yīng)用課程設(shè)計 題 目： 夜晚自動點亮的道路警示燈設(shè)計      專 業(yè)： 電氣自動化技術(shù) 班 級： 15級自動化1班 姓 名： 馮嘉俊 學(xué) 號： 32 課 程 設(shè) 計 成 績 評 定 表學(xué) 期第二學(xué)期姓名馮嘉俊專 業(yè)電氣自動化技術(shù)班級一班課題名稱傳感器技術(shù)與應(yīng)用課程設(shè)計論文題目新板簡易金屬探測器評定標(biāo)準(zhǔn)評定指標(biāo)分值得分知識創(chuàng)新性20理論正確性20內(nèi)容難易性15綜合實際性10知識掌握程度15書寫規(guī)范性10工作量10總成績100評語：任課教師時間備 注目 錄第1章：總體方案概要.11.1意義及研究現(xiàn)狀11.2設(shè)計

2、思路2第2章：設(shè)計方案各部分介紹.32.1熱電是傳感器的構(gòu)成及工作原理32.2低通濾波器42.3信號放大器6第3章：仿真電路的建立與分析.83.1仿真電路建立83.2仿真結(jié)果的分析8第4章：設(shè)計體會.10參考文獻(xiàn).10摘 要 本文介紹了紅外線感應(yīng)開關(guān)的原理，采用熱釋電紅外探頭（PT8A2621）將接收到的微弱信號加以放大，然后驅(qū)動繼電器，制成紅外熱釋電感應(yīng)開關(guān)。本開關(guān)能探測來自移動人體的紅外輻射，只要人體進(jìn)入探測區(qū)域，開關(guān)會自動開啟。該設(shè)計可作為企業(yè)、賓館、商場及住宅的走廊、樓梯、電梯間、衛(wèi)生間、庫房等處的自動開關(guān)，起到“人來燈自亮，人走燈自滅”的作用，既新穎方便，又節(jié)約用電，在某些場所還能起

3、到威懾盜竊活動的防范作用。本設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，本身不發(fā)任何類型的輻射，器件功耗很小，價格低廉，隱蔽性好，應(yīng)用范圍廣，所以可以通過擴(kuò)展而達(dá)到實際的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：紅外線 感應(yīng)開關(guān) 紅外輻射 探測區(qū)域 引 言 電力作為一種潔凈方便的能源廣泛的應(yīng)用于我們的生活與生產(chǎn)方面，因此電能的節(jié)能尤為重要，要節(jié)能首先就要做到節(jié)約能源，其次再通過科學(xué)研究發(fā)明更加人性化和節(jié)能的用電器。熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器。早在1938年，有人提出過利用熱釋電效應(yīng)探測紅外輻射，但并未受到重視，直到六十年代，隨著激光、紅外技術(shù)的迅速發(fā)展，才又推動了對熱釋電效應(yīng)的研究和對熱釋電晶體的應(yīng)用。熱釋電

4、晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測器，它可以作為紅外激光的一種較理想的探測器。它目標(biāo)正在被廣泛的應(yīng)用到各種自動化控制裝置中。正文第1章：總體方案概要1.1 意義及研究現(xiàn)狀 電力作為一種潔凈方便的能源廣泛的應(yīng)用于我們的生活與生產(chǎn)方面，因此電能的節(jié)能尤為重要，要節(jié)能首先就要做到節(jié)約能源，其次再通過科學(xué)研究發(fā)明更加人性化和節(jié)能的用電器。熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器。早在1938年，有人提出過利用熱釋電效應(yīng)探測紅外輻射，但并未受到重視，直到六十年代，隨著激光、紅外技術(shù)的迅速發(fā)展，才又推動了對熱釋電效應(yīng)的研究和對熱釋電晶體的應(yīng)用。熱釋電晶體已廣泛用于

5、紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測器，它可以作為紅外激光的一種較理想的探測器。它目標(biāo)正在被廣泛的應(yīng)用到各種自動化控制裝置中。（1）紅外線感應(yīng)燈控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢： 我國照明缺乏獨(dú)創(chuàng)產(chǎn)品，模仿產(chǎn)品居多，基礎(chǔ)加工落后，只顧外表，輕視功能，產(chǎn)品的品種比較單一，性能差。尤其是在“智能”照明方面，缺乏創(chuàng)新，與國外智能燈具在技術(shù)研究方面有著不小的差距。我國現(xiàn)階段的照明系統(tǒng)一般采用主電源經(jīng)配電箱分成多路配電輸出線，提供照明燈回路用電，由串接在照明燈回路中的開關(guān)面板直接接通或斷開供電線來實現(xiàn)對燈的控制，燈只有開和關(guān)兩種狀態(tài)，無邏輯時序及亮、暗調(diào)光控制，因而無法形成各種燈光亮度組合的場景及系統(tǒng)控

6、制。全球性的能源短缺和環(huán)境污染在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的中國表現(xiàn)得尤為突出，節(jié)能和環(huán)保是中國實現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展所急需解決的問題。每年照明電能消耗約占全部電能消耗的12%15%，作為能源消耗的大戶，必須盡快尋找可以替代傳統(tǒng)光源的節(jié)能環(huán)保光源。LED以其較之于傳統(tǒng)照明光源所沒有的優(yōu)勢，諸如較低的功率需求、較快的響應(yīng)速度、綠色環(huán)保以及不斷快速提高的發(fā)光效率等，成為目前我國今后照明系統(tǒng)發(fā)展的方向。基于目前國內(nèi)國際形勢，尤其是能源緊缺，智能照明必是以后照明系統(tǒng)的發(fā)展方向。智能照明將會使人們利用起來更加便利，改善家庭環(huán)境，不僅為建筑照明提供多種的藝術(shù)效果，而且使燈具控制和維護(hù)變得更為簡單，而且具有可靠性高、安裝

7、布線容易。 （2）紅外線感應(yīng)燈控制系統(tǒng)的優(yōu)點： 智能化已經(jīng)成為當(dāng)今建筑發(fā)展的主流技術(shù)，涵蓋從空調(diào)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)到安全防范系統(tǒng)以及完善的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信系統(tǒng)。但是長期以來，智能照明在國內(nèi)一直被忽視，大多數(shù)建筑物仍然沿用傳統(tǒng)的照明控制方式，部分智能大廈采用樓宇自控（BA）系統(tǒng)來監(jiān)控照明，但也只能實現(xiàn)簡單的區(qū)域照明和定時開關(guān)功能。相比之下，智能照明系統(tǒng)體現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)越性，它在智能建筑中的應(yīng)用越來越廣泛。智能照明系統(tǒng)在智能建筑中的應(yīng)用效果如下： 1)改善工作環(huán)境，提高工作效率。 2) 可觀的節(jié)能效果。智能照明控制系統(tǒng)使用了先進(jìn)的電力電子技術(shù)，進(jìn)行智能調(diào)

8、光。當(dāng)室外光較強(qiáng)時，室內(nèi)照度自動調(diào)暗，室外光較弱時，室內(nèi)照度則自動調(diào)亮，使室內(nèi)的照度始終保持在恒定值附近，從而能夠充分利用自然光實現(xiàn)節(jié)能的目的。除此之外，智能照明的管理系統(tǒng)采用設(shè)置照明工作狀態(tài)等方式，通過智能化管理實現(xiàn)節(jié)能。 3)提高管理水平，減少維護(hù)費(fèi)用。智能照明控制系統(tǒng)將普通照明人為的開與關(guān)轉(zhuǎn)換成了智能化管理，不僅使大樓的管理者能將其高素質(zhì)的管理意識運(yùn)用于照明控制系統(tǒng)中去，而且將大大減少大樓的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，并帶來較大的投資回報。1.2 設(shè)計思路通過熱釋電傳感器感應(yīng)人體紅外輻射后輸出一個微弱的交流信號，然后經(jīng)過濾波整理，再將信號放大處理后，將信號輸出。熱釋電傳感器輸出的信號是一個毫

9、伏級的微弱交流信號，且不穩(wěn)定，這個信號頻率與人體運(yùn)動速度有關(guān)，當(dāng)人運(yùn)動速度越大，信號也越強(qiáng)。經(jīng)過濾波電路后，可以排除雜波及突變信號的干擾，再經(jīng)過信號放大處理，輸出一定的電信號使燈點亮。當(dāng)人離開后，由于沒有觸發(fā)信號，燈自然會滅。實現(xiàn)了“夜間人來燈亮，人走燈滅”的目的。第2章：設(shè)計方案各部分介紹2.1熱釋電傳感器的構(gòu)成及工作原理熱釋電紅外（PIR）傳感器，亦稱為熱紅外傳感器，是一種能檢測人體發(fā)射的紅外線的新型高靈敏度紅外探測元件。它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。將輸出的電壓信號加以放大，便可驅(qū)動各種控制電路，如作電源開關(guān)控制、防盜防火報警等。目前市場上常

10、見的熱釋電人體紅外傳感器主要有上海塞拉公司的SD02、PH5324，德國Perkinelmer公司的LHi954、LHi958,美國Hamastsu公司的P2288，日本Nippon Ceramic公司的SCA02-1、RS02D等。雖然它們的型號不一樣，但其結(jié)構(gòu)、外型和特性參數(shù)都大致相同，大部分可以彼此互換使用。熱釋電紅外線傳感器由探測元、濾光窗和場效應(yīng)管等阻抗變換器等三大部分組成，對不同的傳感器來說，探測元的制造材料有所不同。如SD02的敏感單元由鋯鈦酸鉛制成；92288有LiTa03制成。將這些材料做成很薄的薄片，每一片薄片相對的兩面各引出一根電極，在電極兩端則形成一個等效的小電容。因為

11、這兩個小電容是做在同意硅晶片上的，因此形成的等效小電容能自身產(chǎn)生極化，在電容的兩端產(chǎn)生極性相反的正負(fù)電荷。傳感器中兩個電容是極性相反串聯(lián)的。當(dāng)傳感器沒有檢測到人體輻射出的紅外線信號時，在電容兩端產(chǎn)生極性相反、電量相等的正、負(fù)電荷，所以，正負(fù)電荷相互抵消，回路中無電流，傳感器無輸出。當(dāng)人體靜止在傳感器的檢測區(qū)域內(nèi)時，照射到兩電容上的紅外線光能量相等，且達(dá)到平衡，極性相反、能量想等的光電流在回路中相互地向，唇干起仍然沒有信號輸出。當(dāng)人體在傳感器的檢測區(qū)域內(nèi)移動時，照射到兩個電容上的紅外線能量不相等，光電流在回路中不能相互抵消，傳感器有信號輸出。綜上所述，傳感器只對移動或運(yùn)動的人體和體溫近似的物體起

12、作用。濾光窗是由一塊薄玻璃片鍍上多層薄膜而形成的，能夠有效地濾除7.014um波長意外的紅外線。人體的正常體溫為3637.5°C，即309310.5K，其輻射的最強(qiáng)的紅外線的波長為m=2989/(309310.5)=9.679.64um，中心波長為9.65um，正好落在濾光窗的響應(yīng)波長的中心。所以，濾光窗能有效地讓人體輻射的紅外線通過，而最大限度地阻止陽光、燈光中的紅外線通過，以免引起干擾。熱釋電紅外傳感器在結(jié)構(gòu)上引入場效應(yīng)管的目的在于完成阻抗變換。由于探測元輸出的是電荷信號，不能直接使用，因而需要將其轉(zhuǎn)換為電壓形式。場效應(yīng)管輸入阻抗高達(dá)104M，接成共漏極形式來完成阻抗變換。使用時

13、D端接電源正極,G端接電源負(fù)極，S端為信號輸出。對于移動速度非常緩慢的物體，如陽光，兩個電容上的紅外線光能能量仍然可以看作是相等的，在賄賂中相互抵消；再加上傳感器的響應(yīng)頻率很低（一班為0.110Hz），即傳感器對紅外光的波長的敏感范圍很窄（一般為515um）,因此，傳感器對它們不敏感，因而無輸出。本設(shè)計中熱釋電紅外傳感器選用PIR325，為了達(dá)到要求中“人體感應(yīng)探測范圍1m以上 ，視場角100度以上”。可加裝一個菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學(xué)原理，在探測器前方產(chǎn)生一個交替變化的“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，人體發(fā)出的紅外線就不斷地交替從“盲區(qū)

14、”進(jìn)入“高靈敏區(qū)”，這樣就使接收到的紅外信號以忽強(qiáng)忽弱的脈沖形式輸入，從而強(qiáng)其能量幅度。菲涅爾透鏡作用有兩個：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號折射（反射）在PIR上，第二個作用是將探測區(qū)域內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測區(qū)域的移動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。2.2低通濾波器通過電阻、電容及運(yùn)算放大器組成低通濾波電路，其特征頻率： （式2-2-1） （式2-2-2） LM324系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到3。0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流

15、的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運(yùn)算放大器可用圖1所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324系列由四個獨(dú)立的，高增益，內(nèi)部頻率補(bǔ)償運(yùn)算放大器，其中專為從單電源供電的電壓范圍經(jīng)營。從分裂電源的操作也有可能和低電源電流消耗是獨(dú)立的電源電壓的幅度。   應(yīng)用領(lǐng)域包

16、括傳感器放大器，直流增益模塊和所有傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器現(xiàn)在可以更容易地在單電源系統(tǒng)中實現(xiàn)的電路。例如，可直接操作的LM324系列，這是用來在數(shù)字系統(tǒng)中，輕松地將提供所需的接口電路，而無需額外的±15V電源標(biāo)準(zhǔn)的5V電源電壓。 2.3信號放大器作用就是將提供的微弱信號放大到可以驅(qū)動負(fù)載正常工作。第3章：仿真電路的建立與分析3.1仿真電路建立：3.2仿真結(jié)果的分析：當(dāng)有人進(jìn)入到熱釋電紅外線傳感器探測范圍內(nèi)時就會有一個微弱的交流信號產(chǎn)生，然后經(jīng)過濾波整理，再將信號放大處理后，從而驅(qū)動燈正常點亮，實現(xiàn)了夜間人來燈亮，當(dāng)人走后就沒有信號輸入，燈持續(xù)一段時間后就會自然滅，實現(xiàn)了人走燈滅。第4章：設(shè)計體會經(jīng)過了一個星期的課程設(shè)計，使我們對所學(xué)的知識有了更多的體會，對課題進(jìn)行分析、設(shè)計時我們發(fā)現(xiàn)，所要用到的知識不僅僅局限于課本，再搜索資料的同時擴(kuò)展了課本中所學(xué)的知識。