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。该设计采用红外线反射式电路结构，红外线发射器与接收器需安装在同一方向的同一平面内，使发射器与接收器成为一体化结构，并使用同一个电源供电。这种工作方式适应电路的长期待机、短时间工作的工作状态。通过已学的模拟电路相关知识及红外线感应灯控制开关电路知识，再利用由光敏电阻组成的光敏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楼道照明系统。
利用红外感应技术和光学原理，通过控制电路来实现智能开关的，当人体进入感应范围内时，专用传感器探测到移动热源（人体红外线光谱）的变化，就会自动把灯点亮，当人离开之后，在预先设定的延时时间后，灯便会自动熄灭。人到灯亮，人离灯熄，亲切方便，安全节能。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。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。 关键词：红外线 感应开关 红外辐射 探测区域 照明
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ABSTRACT
This paper introduces the principle of the infrared sensor switch, the use of pyroelectric infrared sensor will receive the weak signal to be amplified, then drive the relay, made of piezoelectric infrared sensor switch. This design uses infrared light reflex circuit structure, infrared receiver transmitter and should be installed in the same direction, the same plane transmitter and receiver become integrated structure, and use the same power supply. This way of working right of the circuit to long–term and short-term work on standby working condition. Through the analong circuit design infrared sensor lamp control knowledge reusing switch circuit, by the photosensitive resistors light sensor circuit to control induction lamp switch triggered or not, will control switch and energy-saving family lighting system.
Using the infrared sensing technique and optical principle, through the control circuit to realize intelligent switch. When people enter induction range, special sensors to detect human infrared spectroscopy , will be the lamp, and when people leave, after a predetermined time delay, lights will to the lamp, people from the light energy security, convenience. The design can be used as enterprises, hotels, shopping malls and residential corridors, stairs, elevators, bathrooms, warehouse, etc. The automatic switch, act as a \"people to light from the light, people take the light from the off\" role, both new and convenient and conservation of electricity, in some places but also play a preventive role in deterring theft. The design of simple structure, itself does not send any type of radiation, the device power consumption is very small, cheap, good for hiding, and wide application, it can be extended to achieve practical application.
Key words: Infrared ray Sensor switch Infrared radiation Detecting area Lighting
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目录
摘 要 ................................................................................................................................. I ABSTRACT........................................................................................................................ II 目录 .................................................................................................................................. III 第1章 前言 ...................................................................................................................... 1
1.1课题的背景 .......................................................................................................... 1 1.2红外线感应楼道照明系统的现状和发展 ........................................................... 2 1.3热释电红外传感器的楼道照明系统设计的目的 ............................................... 3 1.4热释电红外传感器的楼道照明系统设计的意义 ............................................... 3 1.5红外线感应灯控制系统的优点 ........................................................................... 4 第2章 红外线感应楼道系统的总体设计 ....................................................................... 6
2.1热释电红外感应开关简述及原理 ....................................................................... 6 2.2红外线感应开关电路的控制方式 ....................................................................... 7 2.3 应用简述 ............................................................................................................. 8 2.4人体红外线楼道自动照明系统电路 ................................................................... 9
2.4.1 BIS0001的概述及原理 ............................................................................ 9 2.5红外线遥控调光灯电路的设计及原理 ............................................................. 15 2.6红外控制和传统开关控制的比较 ..................................................................... 19 第3章 光电器件 ............................................................................................................ 20
3.1光敏电阻 ............................................................................................................ 20
3.1.1光敏电阻的结构及工作原理 .................................................................. 20 3.1.2光敏电阻的主要参数与基本特性 .......................................................... 23 3.1.3光敏电阻的应用 ...................................................................................... 24 3.2可控硅元件的工作原理及基本特征 ................................................................. 24
3.2.1可控硅简介 .............................................................................................. 24 3.2.2工作原理.................................................................................................. 28 3.2.3基本伏安特性 .......................................................................................... 29 3.2.4 可控硅的触发导通 ................................................................................. 31
第4章 热释电红外传感器的设计 ............................................................................... 32
4.1传感器 ................................................................................................................ 32
4.1.1元器件的选择 .......................................................................................... 32 4.1.2热释电红外线传感器的基本结构和原理 .............................................. 32 4.2红外传感器的应用 ............................................................................................. 39
4.2.1光控电路原理 .......................................................................................... 39 4.2.2红外传感器的应用 .................................................................................. 39 4.3热释电红外线传感器的优缺点 ......................................................................... 40
4.2.1CDS传感器 .............................................................................................. 42
第5章 基于红外线传感器的智能照明系统的硬件设计 ............................................. 43
5.1系统及工作流程设计 ......................................................................................... 43
5.1.1双元热释电红外传感器的工作原理 ...................................................... 45 5.1.2信号处理电路设计 .................................................................................. 46 5.2 电路原理图 ....................................................................................................... 48
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5.3电路的工作原理................................................................................................. 49 第6章 电路制作问题................................................................................................... 51
6.1整体电路制作问题 ............................................................................................. 51
6.1.1元件的散热问题 ...................................................................................... 51 6.1.2电子电路的静电保护 .............................................................................. 52
第7章 结 论 .......................................................................................................... 53 第8章 致谢 .................................................................................................................... 54 参考文献 .......................................................................................................................... 55
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第1章 前言
1.1课题的背景
节能与环保已经成为当代产品开发的首要考虑因素和最大卖点。由于我国在新能源研发方面处于落后局面，目前市场上的普通船型开关、拉线开关占据着灯具开关市场的主要位置。然而由于许多不可控因素的出现及人们日常习惯所限，造成了大量的电能的浪费。这种现象在我们的生活中随处可见。空无一人的教室十多盏日光灯依然亮着，非常安静的楼道内灯火通明，卫生间无人使用却不熄灭灯光……全国每年因此而损耗的电能可以以亿度计量，同时因灯具使用时间的过长，也缩短了灯具的使用寿命，频繁的更换灯具也造成了人力、财力的大量浪费。所以通过这种直接和间接的损耗，每年电能的损失就达数亿元。近十年以来，随着我国建筑体系的不断发展，也对照明系统提出了更高的要求。随着大量采用电子技术的家用电器面市, 住宅电子化出现。近几年楼宇智能化（智能家居是以家为平台，兼备建筑、网络通讯、信息家电、网络家电、自动化和智能化，集系统、结构、服务、管理、控制于一体的高效、舒适、安全、便利、节能、健康、环保的家居环境）又飞速发展起来，其中实现自动照明系统可以减少电能浪费成为实现现代化住宅的重要一笔。本课题从实际出发，准备对红外线楼道自动照明系统进行探索，随着现代化的高速发展,工业、农业、商业、教育等行业的用电量都大幅度增加,在这种情况下电能的浪费成为人们普遍关注的问题。
电力作为一种洁净方便的能源广泛的应用于我们的生活与生产方面，因此电能的节能尤为重要，要节能首先就要做到节约能源，其次再通过科学研究发明更加人性化和节能的用电器。热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。早在1938年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代，随着
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激光、红外技术的迅速发展，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器，它可以作为红外激光的一种较理想的探测器。它目前正在被广泛的应用到各种自动化控制装置中。因此，如何有效的减少照明用电的浪费和更好的管理照明系统已成为一个不可忽视问题。
1.2红外线感应楼道照明系统的现状和发展
国内外研究综述智能照明系统的研究在国内外早就开始了，并投入市场，让人们尝试到它的魅力，但由于成本较高，因此没有被广泛普及。而在我国，智能照明系统才刚刚起步，技术上有所欠缺，致使性能不稳定；另外成本较高，只有极少数人可以消费，但它的市场越来越大，国内外都在大力研究新型的智能照明系统以满足消费者的需求。我国照明缺乏独创产品，模仿产品居多，基础加工落后，只顾外表，轻视功能，产品的品种比较单一，性能较差。尤其是在智能方面，缺乏创新，与国外智能灯具在技术研究方面有着不小的差距。我国现阶段的照明系统一般采用主电源配电箱分成多路配电输出线，提供照明灯回路用电，由串接在照明灯回路中的开关面板直接接通或断开供电线来实现对灯的控制，灯只有开和关两种状态，无逻辑时序及亮、暗调光控制，因而无法形成各种灯光亮度组合的场景及系统控制。全球性的能源短缺和环境污染在经济高速发展的中国表现得尤为突出，节能和环保是中国实现社会经济可持续发展急需解决的问题。每年照明电能消耗约占全部电能消耗的12%~15%，作为能源消耗的大户，必须尽快寻找可以替代传统光源的节能环保光源。LED以其较之于传统照明光源所没有的优势，诸如较低的功率需求、较快的响应速度、绿色环保以及不断快速提高的发光效率等，成为我国今后照明系统的发展方向。基于目前国内国际形势，尤其是能源紧缺，智能系统必是以后照明系统的发展方向。智能照明将会使人们利用起来更加便利，改善家庭环境。
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不仅为建筑照明系统提供多种艺术效果，而且使灯具控制和维护变得更为简单，还具有可靠性高，安装布线容易等优点。
1.3热释电红外传感器的楼道照明系统设计的目的
本课题是利用热释电红外传感器来设计一个楼道照明控制系统，通过本设计了解热释电红外感应楼道照明系统的工作原理，进而研究红外线感应楼道照明系统的设计方法。通过已学过的模拟电路的知识设计红外感应灯控制开关电路，再利用由光敏电阻组成的光敏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楼道照明系统。
1.4热释电红外传感器的楼道照明系统设计的意义
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，使用单开关来控制，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越来越重要。而在商品房的建设热潮中，各大楼盘和房地产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响声，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，经过一定的时间的延时，灯自动熄灭。因为不同于声光控灯，不需要声音和开关控制，从而避免了升空噪音的干扰，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，达到节能的效果。
现在的公共场所照明，如公共走廊及楼梯间，应用最多的还是几年前出现的声光控制延时灯具和开关，这种灯具和开关的出现，实现了人来灯亮，人走灯灭，目前已经成为公共场所照明开关的主流产品。当然，这种
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产品在某种程度上说确实达到了节能的效果，但同时也给人们的生存环境造成了一定的破坏。由于产品本身性能的，这种声光控灯具和开关自动控制的实现需要超过60dB声音的配合，这就给大众需要的安静环境造成一定的噪声污染。随着社会的发展和人们对生态环境的重视，这种声光控灯具和开关已远远不能满足人们的需要，这就要研究一种更加节能和环保的自动照明控制技术，以满足人们对高质量生活的需求。
红外感应楼道照明系统是以成熟的红外感应技术为平台，加入更多的高兴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。
1.5红外线感应灯控制系统的优点
随着现代科技进步的不断发展，人们物质文化和精神生活水平迅速的提高，智能化已经成为当今建筑发展的主流技术，涵盖从空调系统、消防系统到安全防范系统以及完善的计算机网络和通信系统。但是长期以来，智能照明在国内一直被忽视，大多数建筑物仍然沿用传统的照明控制方式，部分智能大厦采用楼宇自控（BA）系统来监控照明，但也只能实现简单的区域照明和定时开关功能。相比之下，智能照明系统体现出强大的优越性，它在智能建筑中的应用越来越广泛。智能照明系统在智能建筑中的应用效果如下：
(1)改善工作环境，提高工作效率。 (2)可观的节能效果。
智能照明控制系统使用了先进的电力电子技术，能对大多数灯具（包括白炽灯、日光灯，配以特殊镇流器的钠灯、水银灯、霓虹灯等）进行智
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能调光。当室外光较强时，室内照度自动调暗，室外光较弱时，室内照度则自动调亮，使室内的照度始终保持在恒定值附近，从而能够充分利用自然光实现节能的目的。除此之外，智能照明的管理系统采用设置照明工作状态等方式，通过智能化管理实现节能。 (3)提高管理水平，减少维护费用。
智能照明控制系统将普通照明人为的开与关转换成了智能化管理，不仅使大楼的管理者能将其高素质的管理意识运用于照明控制系统中去，而且将大大减少大楼的运行维护费用，并带来较大的投资回报。
（4）实现照明控制智能化。
采用智能照明系统，可以使照明系统工作在全自动状态，系统将按先设定的若干基本状态进行工作，这些状态会按预先设定的时间相互自动地切换。
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第2章 红外线感应楼道系统的总体设计
2.1热释电红外感应开关简述及原理
任何温度超过绝对零度（-273摄氏度）的物体都会发出电磁辐射。人体温度产生的辐射在光谱中属于红外线的范围。红外感应器，也称为活动探测器，能对活动的人体热能辐射做出反应，自动开启和关闭电源。而人体各部分的温度存在差异，这就使得人体成为最方便的开关。任何发热物体都会产生红外线，热释电人体红外线传感器对红外线的敏感程度主要表现在传感器敏感单元的温度所发生的变化上，而温度的变化导致电信号的产生。环境与自身的温度变化由其内部结构决定了它不不向输出信号。而传感器的低频响应（一般为0.1Hz ~10Hz）和对特定波长红外线（一般为5μm~15μm）的响应决定了传感器只对外界的红外线的辐射而引起传感器的温度的变化而敏感，而这种变化对人体而言就是移动。所以，传感器对人体的移动或运动敏感，对静止或移动缓慢的人体不敏感。它可以抗可见光和大部分红外线的干扰。
普通人体会发射10μm左右的特定波长红外线，用专门设计的传感器就可以针对性的检测这种红外线的存在与否。当人体红外线照射到传感器上后，因热释电效应将向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生控制信号。这种专门设计的探头只对波长为10μm左右的红外辐射敏感，所以除人体以外的其他物体不会引发探头动作。探头内包含两个互相串联或并联的热释电元，而且制成的两个电极化方向正好相反，环境辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生的热释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。一旦人进入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，由于两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，因此不能抵消，于是输出检测信号。人体是一特定波长红外线的发射体，由红外传感器检测到这种红外线的变化并予以放大选频处理后，可
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以推动适当的负载，即人体红外自动开关。这一检测技术较之超声、哑声、微波方式更为灵敏与准确。它要求PIR热释电人体红外传感器的信号放大处理电路有很高的灵敏度并要能准确鉴别生物体与非生物体的运动，使误动作率降到最小，且体积小，自耗电少。采用热释电红外传感器及专用单片集成电路构成的这种开关能达到人到灯亮、人走灯灭的效果。它安装方便，可直接替换面板式开关，无需改动线路。
2.2红外线感应开关电路的控制方式
以下主要介绍红外线及其控制的基本原理。红外光发射及红外发收系统的组成，红外遥控系统的基本结构和控制方式 (1)红外光波谱
红外光又称为红外线或红外辐射。红外光是一种电磁波，人眼看不见。通常，将电磁波波谱中间间隔为0.76μm到1000μm的波普段称为红外光谱区。一般把红外光谱分为即近红外、中红外、中远红外和远红外区四个区域。
采用近红外光作为红外遥控的光源，其原因主要如下：
一般接收用的光电二极管、光敏三极管大都采用硅半导体材料制作而成，这类管子对波长为780nm到1550nm的红外光的探测灵敏度最高。红外光发射器件，尤其是采用GaAs、AlGaAs等半导体材料制作的红外发光二极管，发射波长在880nm到1700nm范围内，这与硅光电接收器件的相应波长相匹配，使探测灵敏度高，升高了工作效率。 (2)红外收发系统
① 驱动方式
红外发光二极管是一种由PN结构成的注入电流型发光器件，在加上
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合适的正向偏置电压后，就可以发出一定波长的近红外光，投入到实践当中。
驱动方式除直流电流驱动方式外，发光二极管还有交流电流驱动方式和脉动电流驱动方式等。
在红外遥控系统中，通常采用脉动电流驱动方式，即脉冲式红外光发射方式；而不采用恒定直流驱动方式，即平均发射方式。 ② 红外接收系统的组成
红外光遥控接收系统主要由红外发射电路和红外接收电路组成。在红外发射电路中，脉冲信号由波形发生器产生，经驱动级放大后驱动红外发光二极管，使红外发光二极管发射出一列等幅的红外光脉冲信号。
③ 红外遥控系统的控制方式
红外光遥控系统分为单通道红外遥控开关方式、单通道步进式红外遥控方式、双光束红外遥控方式、多通道红外遥控方式。
④ 红外遥控的基本原理
主要介绍红外遥控的发射电路原理和红外接收、控制电路原理。红外遥控的发射电路是采用红外发光二极管来发出经过调制的红外光波；红外接收电路由红外接收二极管、三极管或可控硅组成，它们将红外发射器发射的红外光转换为相应的电信号，再将所得到的电信号送达到后置放大器。
2.3 应用简述
安装只需火线、零线。它能够智能探测光度和感应区域内是否有人在活动，只有当环境温度低于感应器设置的光敏值，并有人在感应区域内活动时感应器才会启动其连接的负载。当人离开感应区域，感应器进入延时
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状态，待已设置的延时时间断过后，感应器自动关闭其连接的负载。
2.4人体红外线楼道自动照明系统电路
该电路的主要元件是热释电红外传感器，因其抗干扰性好、探测灵敏度高、工作温度范围宽等优点被广泛应用于防盗报警、自动门、 感应灯、自动水阀、自动马达控制等工业和生产领域。BISS0001是专为热释电红外传感器（PIR）配套设计的集成电路，采用 CMOS工艺制造，具有性能指标高、一致性好、功耗低、外围电路简单、安装调试方便、工作可靠性高等优点。
2.4.1 BIS0001的概述及原理
BIS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路。它配以热释电红外传感器和少量外接元器件就可构成被动式的热释电红外开关、报警用人体热释电传感器等。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。 （一）芯片特点：
（1）CMOS工艺制造； （2）数模混合；
（3）具有的高输入阻抗运算放大器； （4）内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰； （5）内设延迟时间定时器和封锁时间定时器； （6）采用16脚DIP封装。 （二）管脚功能：
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（三）管脚说明：
引脚 1 名称 I/O 功能说明 可重复触发和不可重复触发选择端。当A为“1”时，允许重复触发；反之，不可重复触发 A I 2 VO O 控制信号输出端。由VS的上跳变沿触发，使Vo输出从低电平跳变到高电平时视为有效触发。在输出延迟时间Tx之外和无VS的上跳变时，Vo保持低电平状态。 3 4 5 6 7 RR1 RC1 RC2 RR2 VSS 输出延迟时间Tx的调节端 输出延迟时间Tx的调节端 触发封锁时间Ti的调节端 触发封锁时间Ti的调节端 工作电源负端 - 10 -
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8 VRF I 参考电压及复位输入端。通常接VDD，当接“0”时可使定时器复位 9 VC I 触发禁止端。当Vc IB VDD 2OUT 2IN- 1IN+ 1IN- 1OUT 运算放大器偏置电流设置端 工作电源正端 O I I I O 第二级运算放大器的输出端 第二级运算放大器的反相输入端 第一级运算放大器的同相输入端 第一级运算放大器的反相输入端 第一级运算放大器的输出端 （四）工作原理简介： BIS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。 1. 不可重复触发工作方式 利用图2-1所示的不可重复触发工作方式下的波形来说明其工作过程 - 11 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 图2-1不可重复触发工作方式波形 利用图1所示的不可重复触发工作方式下的波形，来说明其工作过程，下面以图2-2为其内部结构示意图： 图2-2 内部结构示意图 - 12 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 首先，根据实际需要，利用运算放大器OP1组成传感信号预处理电路，将信号放大。然后耦合给运算放大器OP2，再进行第二级放大，同时将直流电位抬高为VM(≈0.5VDD)后，将输出信号V2送到由比较器COP1和COP2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号Vs。由于VH≈0.7VDD、VL≈0.3VDD，所以，当VDD=5V时，可有效抑制±1V的噪声干扰，提高系统的可靠性。 COP3是一个条件比较器。当输入电压Vc 图2-3可重复触发工作方式波形图 - 13 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 以上图所示的可重复触发工作方式下的波形，来说明其工作过程。 可重复触发工作方式下的波形在Vc=“0”、A=“0”期间，信号Vs不能触发Vo为有效状态。在Vc=“1”、A=“1”时，Vs可重复触发Vo为有效状态，并可促使Vo在Tx周期内一直保持有效状态。 在Tx时间内，只要Vs发生上跳变，则Vo将从Vs上跳变时刻起继续延长一个Tx周期；若Vs保持为“1”状态，则Vo一直保持有效状态；若Vs保持为“0”状态，则在Tx周期结束后Vo恢复为无效状态，并且，同样在封锁时间Ti时间内，任何Vs的变化都不能触发Vo为有效状态。 （五）BIS0001的热释电红外开关应用电路图： 图2-4 BIS0001的热释电红外开关应用电路图 上图中，运算放大器OP1将热释电红外传感器的输出信号作第一级放大， - 14 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 然后由C3耦合给运算放大器OP2进行第二级放大，再经由电压比较器COP1和COP2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号Vs去启动延迟时间定时器，输出信号Vo经晶体管T1放大驱动继电器去接通负载。 上图中，R3为光敏电阻，用来检测环境照度。当作为照明控制时，若环境较明亮，R3的电阻值会降低，使9脚的输入保持为低电平，从而封锁触发信号Vs。SW1是工作方式选择开关，当SW1与1端连通时，芯片处于可重复触发工作方式；当SW1与2端连通时，芯片则处于不可重复触发工作方式。输出延迟时间Tx由外部的R9和C7的大小调整，值为Tx≈24576xR9C7；触发封锁时间Ti由外部的R10和C6的大小调整，值为Ti≈24xR10C6。 2.5红外线遥控调光灯电路的设计及原理 本电路采用KA2184红外线接收专用集成电路制作的红外线遥控调光灯电路如图2-2所示。红外线发射由驱动脉冲发生器由NE555组成。NE555时机集成电路产生的40kHz的脉冲经放大晶体管VT放大后，由SE303红外线发射管向外发射。 图a 发射器电 - 15 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 图b 接收器电路 图2-5 红外线遥控调光灯电路原理图 红外线遥控接收电路由KA2184组成。当红外线接收管接收到发射器发出的遥控信号后，经KA2184处理后由7脚输出低电平。这一低电平直接加到VT的基极，使其导通，它的集电极输出的电流在R4上端形成一个高电平输出。这一高电平通过R6加至IS7232调光电路的辅助输入端6脚，作为调光的控制信号。 - 16 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 IS7232集成调光电路的6脚输入触发信号后，它的8脚就会连续输出控制双向晶闸管导通角的控制脉冲，使双向晶闸管的导通角在410-1590之间变化。随着双向晶闸管导通程度的变化，电灯也由暗变亮或由亮变暗，从而实现了对电灯的调光。在调光过程中，当需要电灯由暗变亮时，可按住遥控器的发射按键使之不断发送控制信号。这是可以看到电灯在逐渐变亮，当达到所需亮度时立即松开发射按键，这时电灯的亮度便停留在这个状态。如果再继续按下去，电灯又会由亮变暗，直至熄灭。 需要注意的是，IS7232是一种PMOS型集成电路，因此它的电源极性与常用的CMOS电路相反，及它的场电源端应当接电源的负极，而瑰端则应该接电源的正极。 本例电路电源仍采用交流供电、电容降压、二极管半波整流。与其它电容降压的供电电路不同的是，该电源的降压电容器C6并联了一只220tH的电感器，该电感器的作用是用来吸收IS7232所产生的谐波，防止其通过电源线干扰其他用电器。本例电路图如图6所示采用红外线反射式电路结构，红外线发射器与接收器需安装在同一方向的同一平面内，是发射器与接收器成为一体化结构，并使用同一个电源供电。这种工作方式适应电路的长期待机、短时工作的工作状态。电路中IC1(NE555)时基集成电路组成的多谢振荡器作为红外线发射管的驱动电路。多谢振荡电路的振荡频率由R1、R2、R3与C1的值决定。通常用于红外线的发射的驱动频率为38-40kHz，电路中采用可调电阻器R1将其频率调整在这样范围内，并与接收电路的频率相一致，使接收电路呈最佳接收状态。多谢振荡器的振荡频率可由公式f=1.443/(R1+R2+2R3)*C1来计算。 当红外线接收管PH302接收到红外线反射信号后输入KA2184，通过电路内对输入信号的放大与解调后，由7脚输出低电平。这一低电平通过R8驱动PNP型晶体管，使其导通，发射极输出低电平，这一低电平又作为下一级单稳态触发器的触发信号。 - 17 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 图2-6 采用KA2184的红外感应式延时照明灯电路原理图 IC3是一个由555时基集成电路组成的脉冲启动型单稳态触发器平时电路处于稳定态，2脚为高电平，3脚输出低电平。当有负脉冲或低电平加至它的2脚后，电路立即翻转，3脚变为高电平，这一高电平使继电器K通电吸合，将照明灯的电源电路接通，照明灯EL亮。当 IC3的3脚输出高电平时，电路进入暂稳态，同时由电源通过电阻器R11向电容器C8充电。电容器C8的充电过程便是该暂稳态的暂稳时间，当C8充电电压达到电源电压2VDD/3(6脚的翻转电压)时，电路翻转，单稳态电路的暂稳过程结束，3脚变为低电平。继电器K失电后释放，断开照明灯的电源，照明灯EL灭。 - 18 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 电路中，电灯开启后需要保持多长时间，可以通过电路中的电容器C8的电容量和电阻器R11的电阻值来确定.一般情况下，这种单稳态电路的最大延时时间可达3分钟。在IC3的4脚与地之间接有 光敏电阻器RL，它的作用是使电路不能再白天被触发，只有在夜间或光线较暗时才能被触发。它是利用光敏电阻器在白天的亮阻远小于夜间的暗阻这一原理，将555时基集成电路的强复位端4脚在白天置于低电平，使电路保持复位状态而不能被触发翻转。而在夜间，由于RL的电阻值变大，使4脚恢复高电平，将电路的复位解除，电路进入正常控制工作状态。 本电路采用发射、接收一体化固定安装，电路处于长期待机、短期工作的状态，因此采用交流供电方式。交流电源经降压电容器C11降压、桥式整流VD2-VD5、C10滤波以及VS1稳压后向工作电路供电。电路中的R9为9V电源与5V电源之间的隔离电阻器。 2.6红外控制和传统开关控制的比较 ①传统开关的缺陷：没有简单的方法实现全开全关的操作，离家前还得检查一遍是否所有的灯已经关闭，非常麻烦。双控开关布线复杂，更无法实现三控和多控。在装修好的房子里增加灯和开关，就会破坏装修，房间越大就越不方便。关灯原理不合乎节能的要求。因力，由于关灯不方便，造成关灯不及时而浪费电。没有调光功能，有的时候灯太亮却无法调暗，刺激人眼，而且费电，只有更换灯泡才能解决问题。 ②红外线感应开关的优势：集中控制和多种操作功能，在任何一个地方的终端均可控制不同地方的灯；或者是在不同地方的终端可以控制同一盏灯。开灯时，灯光由暗逐渐变亮，关灯时，灯光由亮渐渐变暗，避免亮度的突然变化刺激人眼，给人眼一个缓冲，保护眼睛。而且避免大电流和高温的突变对灯丝的冲击，保护灯泡，延长使用寿命。 - 19 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 第3章 光电器件 3.1光敏电阻 3.1.1光敏电阻的结构及工作原理 光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件，光敏电阻没有极性，是一个电阻器件。制作光敏电阻的材料一般是金属硫化物，通常采用涂敷、喷涂等方法，早陶瓷基片上涂上半导体薄膜，经烧结而成。 光敏电阻(光导管) 在黑暗的环境下，它的阻值很高；当受到光照并且光辐射能量足够大时，光导材料禁带中的电子受到能量大于其禁带宽度ΔEg 的光子激发，由价带越过禁带而跃迁到导带，使其导带的电子和价带的空穴增加，电阻率变小。 图3-1光敏电阻工作原理图 光敏电阻的工作原理和结构： 当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg，即 - 20 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 式中ν和λ—入射光的频率和波长。一种光电导体，存在一个照射光的波长限λC，只有波长小于λC的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。 光敏电阻的结构如图3-2所示。管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用硫状图案，结构见下图。 图3-2金属封装的硫化镉光敏电阻结构图 它是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。这种硫状电极，由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。图（c）是光敏电阻的代表符号。 - 21 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 a b c 图3-3 CDS光敏电阻的结构和符号: 引脚说明： 1--光导层； 2--玻璃窗口； 3--金属外壳； 4--电极； 5--陶瓷基座； 6--黑色绝缘玻璃； 7--电阻引线。 光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，其连线电路如图所示。光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。 - 22 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 3.1.2光敏电阻的主要参数与基本特性 （1）光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电流 暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流。 亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流。 光电流：亮电流与暗电流之差。光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1MΩ,甚至高达100MΩ，而亮电阻则在几千欧以下，暗电阻与亮电阻之比在102～106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。 （2）光敏电阻的光照特性 在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。 （3）光敏电阻的光谱特性 光谱特性与光敏电阻的材料有关。硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。 （4）光敏电阻的频率特性 当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏，电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图。硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电。 - 23 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 （5）光敏电阻的温度特性 其性能(灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，阻的时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。 3.1.3光敏电阻的应用 常用的光敏电阻器是硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线的强弱变化而变化。在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1M ~10M欧；在强光条件下（100LX)下，它的阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性（光谱特性）与人眼对可见光（0.4 um ~0.7um）的响应很近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。 本电路采用MG型CDS光敏电阻，CDS光敏电阻属半导体光敏器件，产品经受强化老练实验，除具有灵敏度高、反应速度快、光谱特性好等特点外，在高温、多湿的恶劣环境下，仍能保持其高度的稳定性和可靠性。 3.2可控硅元件的工作原理及基本特征 3.2.1可控硅简介 可控硅是一种无触点可控开关,它将半导体器件的应用从弱电领域扩展到强电领域,在自动控制电路如调光,调温,调速,调频中都有广泛应用. 可控硅是硅晶体闸流管的俗称，简称晶闸管。可控硅常用的类型有：单向型、双向型。 单向可控硅 单向可控硅由P型和N型半导体四层交替叠合而成.他有三个电极:阳极A(从外层P型半导体引出),阴极K(从外层N型半导体引出),门级G(从内层P型半导体引出)导通。 - 24 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 让门极相对阴极成正极性，使产生门极电流，闸流管立即导通。当门极电压达到阀值电压VGT，并导致门极电流达到阀值IGT，经过很短时间TGT（称作门极控制导通时间）负载电流从正极流向阴极。假如门极电流由很窄的脉冲构成，比方说1μs，它的峰值应增大，以保证触发。当负载电流达到闸流管的闩锁电流值IL 时，即使断开门极电流，负载电流将维持不变。只要有足够的电流继续流动，闸流管将继续在没有门极电流的条件下导通。这种状态称作闩锁状态。注意，VGT，IGT 和IL 参数的值都是25℃下的数据。在低温下这些值将增大，所以驱动电路必须提供足够的电压、电流振幅和持续时间，按可能遇到的、最低的运行温度考虑。灵敏的门极控制闸流管，如BT150，容易在高温下因阳极至阴极的漏电而导通。假如结温Tj 高于Tjmax ,将达到一种状态，此时漏电流足以触发灵敏的闸流管门极。闸流管将丧失维持截止状态的能力，没有门极电流触发已处于导通。要避免这种自发导通，可采用下列解决办法中的一种或几种： 1）确保温度不超过Timax。 2）采用门极灵敏度较低的闸流管，如BT151，或在门极和阴极间串入1kΩ或阻值更小的电阻，降低已有闸流管的灵敏度。 3）若由于电路要求，不能选用低灵敏度的闸流管，可在截止周期采用较小的门极反向偏流。这措施能增大IL。应用负门极电流时，特别要注意降低门极的功率耗散。 截止（换向） 要断开闸流管的电流，需把负载电流降到维持电流IH 之下，并历经必要时间，让所有的载流子撤出结。在直流电路中可用“强迫换向”，而在交流电路中则在导通半周终点实现。（负载电路使负载电流降到零，导致闸流管断开，称作强迫换向。）然后，闸流管将回复至完全截止的状态。假如负载电流不能维持在IH 之下足够长的时间， 在阳极和阴极之间电压再度上升之前，闸流管不能回复至完全截止的状态。它可能在没有外部门极电流作用的情况下，回到导通状态。注意，IH 亦在室温下定义，和IL 一样，温度高时其值减小。所以，为保证成功的切换，电路应充许有足够时间，让负载电流降到IH 之下，并考虑可能遇到的最高运行温度。 双向可控硅 双向可控硅由NPNPN五层半导体叠合而成。它实质上也可看成是由一 - 25 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 个控制极的两只反向并联的单向可控硅构成。它有三个电极：控制极G、主电极T1 和T2 ，T1 和T2 无阴阳极之分。 工作特点：双向可控硅的主电极T1 、T2 无论加正向还是反向电压，其控制极G的触发信号无论是正向还是反向，它都能被触发导通。 导通：和闸流管不同，双向可控硅可以用门极和MT1 间的正向或负向电流触发。（VGT，IGT 和IL 的选择原则和闸流管相同，见规则1）因而能在四个“象限触发，如图3-4所示。 。 图3-4 双向可控硅触发象限 在负载电流过零时，门极用直流或单极脉冲触发，优先采用负的门极电流，理由如下。若运行在3+象限，由于双向可控硅的内部结构，门极离主载流区域较远，导致下列后果： 在负载电流过零时，门极用直流或单极脉冲触发，优先采用负的门极电流，理由如下。若运行在3+象限，由于双向可控硅的内部结构，门极离主载流区域较远，导致下列后果： 1）高IGT -> 需要高峰值IG。 2）由IG 触发到负载电流开始流动，两者之间迟后时间较长–> 要求IG 维持较长时间。 3）低得多的dIT/dt 承受能力—> 若控制负载具有高dI/dt 值（例如白炽灯的冷灯丝），门极可能发生强烈退化。 - 26 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 4）高IL 值（1-工况亦如此）—>对于很小的负载，若在电源半周起始点导通，可能需要较长时间的IG，才能让负载电流达到较高的IL。在标准的AC 相位控制电路中，如灯具调光器和家用电器转速控制，门极和MT2 的极性始终不变。这表明，工况总是在1+和3-象限，这里双向可控硅的切换参数相同。这导致对称的双向可控硅切换，门极此时最灵敏。 这是从双向可控硅的V/I 特性图导出的代号。正的MT2相应正电流进入MT2，相反也是（见图3-5）。实际上，工作只能存在1 和3 象限中。上标+和-分别表示门极输入或输出电流。 图3-5 双向可控硅V/I特性曲线（象限1、3导通） 本为零时，V1才截止。当电源为负半周时，重复上述过程。如此循环，电热毯的温度就逐渐升高。调节RP，改变C3充电快慢，即可改变V1的导通角，也即改变了RL的通电时间，因而实现了调温。（ND指示灯、LC1高频滤波、R2C2保护电路）。 - 27 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 3.2.2工作原理 可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，其等效图解如图3-6所示 图3-6 可控硅等效图解 当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=β2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=β1ib1=β1β2ib2。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。 由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的.由于可 - 28 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，此条件见表3-1 表3-1 可控硅导通和关断条件 3.2.3基本伏安特性 图3-7可控硅的基本伏安特性如图所示 (1)反向特性 当控制极开路，阳极加上反向电压时（见图3-8），J2结正偏，但J1、J2结反偏。此时只能流过很小的反向饱和电流，当电压进一步提高到J1结的雪崩击穿电压后，接差J3结也击穿，电流迅速增加，图3的特性开始弯曲，如特性OR段所示，弯曲处的电压URO叫“反向转折电压”。此时，可控硅会发生永久性反向击穿。 - 29 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 图3-8阳极加反向电压 （2）正向特性 当控制极开路，阳极上加上正向电压时（见图15），J1、J3结正偏，但J2结反偏，这与普通PN结的反向特性相似，也只能流过很小电流，这叫正向阻断状态，当电压增加，图3-9的特性发生了弯曲，如特性OA段所示，弯曲处的是UBO叫：正向转折电压? 图3-9阳极加正向电压 由于电压升高到J2结的雪崩击穿电压后，J2结发生雪崩倍增效应，在结区产生大量的电子和空穴，电子时入N1区，空穴时入P2区。进入N1区的电子与由P1区通过J1结注入N1区的空穴复合，同样，进入P2区的空穴与由N2区通过J3结注入P2区的电子复合，雪崩击穿，进入N1区的电子与进入P2区的空穴各自不能全部复合掉，这样，在N1区就有电子积累，在P2区就有空穴积累，结果使P2区的电位升高，N1区的电位下降，J2结变成正偏，只要电流稍增加，电压便迅速下降，出现所谓负阻特性，见图3的虚线AB段。 - 30 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 这时J1、J2、J3三个结均处于正偏，可控硅便进入正向导电状态---通态，此时，它的特性与普通的PN结正向特性相似，见图2中的BC段 3.2.4 可控硅的触发导通 在控制极G上加入正向电压时因J3正偏，P2区的空穴时入N2区，N2区的电子进入P2区，形成触发电流IGT。在可控硅的内部正反馈作用的基础上，加上IGT的作用，使可控硅提前导通，导致图3的伏安特性OA段左移，IGT越大，特性左移越快。 图3-10阳极和控制极均加正向电压 利用可控硅的触发导通性能就可以实现对照明灯的控制，即相当于一个开关的作用。 - 31 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 第4章 热释电红外传感器的设计 4.1传感器 传感器是将感受的物理量、化学量等信息，按一定规律转换成便于测量和传输的电信号的装置。电信号易于传输和处理，所以大多数的传感器是将物理量等信息转换成电信号输出的。 4.1.1元器件的选择 红外线发射中的IC选用NE555、VA5555、LM555或SL555等时基集成电路，IC1宜选用KA2184红外线发射集成电路，IC2选用KA2184红外线发射集成电路，它的性能、参数和引脚功能与CX20106完全相同，可直接互换使用。VTH选用普通小型塑料封装双向晶闸管，如1VIAC94A4或MAC97A6等型号。VS选用12V、0.5W硅稳压二极管，如2CW60-12V或1N5242、1N5242B、1N6002、2CW5242或UZ-12B等型号。 4.1.2热释电红外线传感器的基本结构和原理 热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰 该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化 并将其转换为电信号输出。热释电红外传感器在结构上引入场效应管的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。该电阻阻抗高达104MΩ，故引 - 32 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 入的Ｎ沟道结型场效应管应接成共漏形式 即源极跟随器 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。由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。 热释电红外传感器多用于检测人体发射的红外线，其检测区呈球形，视角为70度左右。由于敏感元件的输出阻抗极高，而且输出电压极其微弱，故在传感器内部装有场效应管及偏置厚膜电阻（RG、RS），构成信号放大及阻抗变换电路，其内部电路如图1。这种传感器采用金属外壳封装，顶部开有窗口，窗口上装有源光镜，它可以防止不需要的红外线进入的传感器。热释电红外传感器自身的接收灵敏度较低，一般检测距离仅2m左右。配用菲涅尔透镜后，可使有效检测距离达12m左右。目前自动门、自动消防水龙头、电梯、照明控制、防盗报警等领域应用最为广泛。 较为完整的热释电红外探测电路应包括：传感器，高、低通放大器、电压比较器、延时电路及执行电路（或电器）等单元。从资料手册中查看到如图2所示的典型应用电路，按原图连接线路后做实验，发现不能正常工作，进分析发现该电路存在一些不妥之处。 人体辐射的红外线中心波长为9μm~10μm，而探测元件的波长灵敏度在0.2μm~20μm范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7μm~10μm，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。其中红光的波长范围为0.62μm～0.76μm，紫光的波长范围为0.38μm～0.46μm。比紫光光波长更短的光叫紫外线，比红光波长更长的光叫红外线。热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。 - 33 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 一般人体都有恒定的体温，一般在37度左右，所以会发出特定波长10μm左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10μm左右的红外线而进行工作的。人体发射的10μm左右的红外线通过菲尼尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检验处理后即可产生报警信号。人体热释电红外线传感器（以下简称：传感器）由敏感单元、阻抗变换器和滤光窗等三大部分组成。热释电传感器是对温度变化敏感的传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，在元件两个表面做成电极，在传感器监测范围内温度有ΔT的变化时，热释电效应会在两个电极上产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生一微弱的电压ΔV。由于它的输出阻抗极高，在传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷ΔQ会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，ΔT=0，则传感器无输出。当人体进入检测区，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有ΔT输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出了。所以这种传感器是检测人体或者动物的活动传感器。 由实验证明，传感器不加光学透镜(也称菲涅尔透镜)时，其检测距离小于2m，而加上光学透镜后，其检测距离可大于7m。 1) 热释电效应 当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度，图3-1表示了热释电效应形成的原理。能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件，其常用的材料有单 - 34 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 晶(LiTaO3 等)、压电陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等） 温度变化 悬浮电荷 热能 热平衡条件T[K] 极化 温度变化造成极化T+ △T[K] 图4-1热释电效应的形成原理 热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。它由 陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，远见两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有△T的变化时，热释电效应会在两个电极上产生电荷△Q，即在两电极之间产生一微弱电压△V。由于它的输出阻抗很高，所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷△Q会跟空气中的离子所结合而消失，当坏境温度稳定不变时，△T=0，传感器无输出。当人体进入检测区域时，因人体温度与环境温度有差别时，产生△T，则有信号输出；若人体进入检测区域不动时，则温度没有变化，传感器也没有输出。所以这种传感器能够检测人体或动物的活动。传感器主要由外壳、滤光片、热释电元件PZT、场效应管FET等组成。其中，滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。滤光片为6mm多层膜干涉滤光片，对太阳光和荧光灯光的短波长（约5mm以下）可很好滤除。热释电元件PZT将波长在8mm～12mm之间的红外信号的微弱变化转变为电信号，为了只对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅耳滤 - 35 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。 对不同的传感器来说，敏感单元的制造材料有所不同。如，SD02的敏感单元由锆钛酸铅制成；P2288由LiTaO3 制成。这些材料再做成很薄的薄片，每一片薄片相对的两面各引出一根电极，在电极两端则形成一个等效的小电容 ，例P1、P2。因为这两个小电容是做在同一硅晶片上的，而它们形成的等效小电容能自身产生极化，极化的结果是，在电容的两端产生极性相反的正、负电荷。但这两个电容的极性是相反串联的。这正是传感器的独特设计之处，因而使得它具有独特的抗干扰性。当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时，由于P1、P2自身产生极化，在电容的两端产生极性相反、电量相等的正、负电荷，而这两个电容的极性是相反串联的，所以，正、负电荷相互抵消，回路中无电流，传感器无输出。当人体静止在传感器的检测区域内时，照射到P1、P2上的红外线光能能量相等，且达到平衡，极性相反、能量相等的光电流在回路中相互抵消。传感器仍然没有信号输出。同理，在灯光或阳光下，因阳光移动的速度非常缓慢，P1、P2上的红外线光能能量仍然可以看作是相等的，且在回路中相互抵消；再加上传感器的响应频率很低（一般为0.1Hz ~10Hz），即传感器对红外光的波长的敏感范围很窄（一般为5μm ~15μm），因此，传感器对它们不敏感。 当环境温度变化而引起传感器本身的温度发生变化时，因P1、P2做在同一硅晶片上的，它所产生的极性相反、能量相等的光电流在回路中仍然相互抵消，传感器无输出。从原理上讲，任何发热体都会产生红外线，热释电人体红外线传感器对红外线的敏感程度主要表现在传感器敏感单元的温度所发生的变化，而温度的变化导致电信号的产生。环境与自身的温度变化由其内部结构决定了它不向外输出信号；而传感器的低频响应（一般为0.1Hz ~10Hz）和对特定波长红外线（一般为5μm ~15μm的响应决定了传感器只对外界的红外线的辐射而引起传感器的温度的变化而敏 - 36 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 感，而这种变化对人体而言就是移动。所以，传感器对人体的移动或运动敏感，对静止或移动很缓慢的人体不敏感；它可以抵抗可见光和大部分红外线的干扰。 2) 滤光窗 它是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的，滤光窗能有效地滤除7.0~14um波长以外的红外线。例如，SCA02-1对7.5μm~14μm波长的红外线的穿透量为70%，在6.5μm处时下降为65%，而在5.0μm处时陡降为0.1%；P2288的响应波长为6μm~14μm，中心波长为10μm。 物体发射出的红外线辐射能，最强波长和温度的关系满足λm*T=29（um.k）（其中λm为最大波长，T为绝对温度）。人体的正常体温为36。C ~37.5。C ，即309 K ~310.5K，其辐射的最强的红外线的波长为λm=29/（309~310.5）=9.67μm~9.μm，中心波长为9.65μm。因此，人体辐射的最强的红外线的波长正好落在滤光窗的响应波长（7μm~14μm）的中心。所以，滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过，而最大限度地阻止阳光、灯光等可见光中的红外线的通过，以免引起干扰。 综上所述，传感器只对移动或运动的人体和体温近似人体的物体起作用。 菲涅尔透镜 根据菲涅耳原理制成，把红外光线分成可见区和盲区，同时又有聚焦的作用，使热释电人体红外传感器 (PIR) 灵敏度大大增加。菲涅耳透镜折射式和反射式两种形式，其作用一是聚焦作用，将热释的红外信号折射（反射）在PIR上；二是将检测区内分为若干个明区和暗区，使进入检测区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样PIR就能产生变化电信号。不使用菲涅尔透镜时传感器的探测半径不足2米，只有配合菲涅尔透镜使用才能发挥最大作用。配上菲涅尔透镜时传感器的探测半径可达到10米。例如，一些传感器对远在20米处 - 37 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 快速行驶的汽车里的人体也能可靠地检测到。菲涅尔透镜采用塑料片制作而成。图18为它的平面图。从图中可以看出，透镜在水平方向上分寸成3个部分，每一部分在竖直方向上又等分成若干不同的区域。最上面部分的每一等份为一个透镜单元，它们由一个个同心圆构成，同心圆圆心在透镜单元内。中间和下半部分的每一等份也为分别一个透镜单元，同样由同心圆构成，但同心圆圆心不在透镜单元内。当光线通过这些透镜单元后，就会形成明暗相间的可见区和盲区。由于每一个透镜单元只有一个很小的视角，视角内为可见区，视角外为盲区。任何两个相邻透镜单元之间均以一个盲区和可见区相间隔，它们断续而不重叠和交叉，如图4-2这样，当把透镜放在传感器正前方的适当位置时，运动的人体一旦出现在透镜的前方，人体辐射出的红外线通过透镜后在传感器上形成不断交替变化的阴影区（盲区）和明亮区（可见区），使传感器表面的温度不断发生变化，从而输出电信号。也可以这样理解，人体在检测区内活动时，一离开一个透镜单元的视场，又会立即进入另一个透镜单元的视场，（因为相邻透镜单元之间相隔很近），传感器上就出现随人体移动的盲区和可见区，导致传感器的温度变化，而输出电信号。 图4-2菲涅尔透镜 - 38 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 菲涅尔透镜不仅可以形成可见区和盲区，还有聚焦作用，其焦点一般为5厘米左右，实际应用时，应根据实际情况或资料提供的说明调整菲涅尔透镜与传感器之间的距离，一般把透镜固定在传感器正前方1~5厘米的地方。菲涅尔透镜一般采用聚乙烯塑料片制成，颜色为乳白色或黑色，呈半透明状，但对波长为10um左右的红外线来说却是透明的。 4.2红外传感器的应用 4.2.1光控电路原理 利用光敏元件随光照强度的变化而阻抗发生变化的特点，去控制电信号的强弱，再由传感器将变化的电信号传递给触发器，只要电信号达到一定程度将触发器导通，使其工作。光控照明电路其主要功能是实现当外界光照强度降低到某一程度时，使照明电路导通工作。就其方案而言，多种多样，但在设计时必须要考虑方案的可行性、稳定性及元器件的灵敏度，尤其是光敏元件必须选择灵敏度高的，这样电路功能才能比较容易实现，为此，早设计光控电路时，不但要尽量使电路结构简单，而且要使电路的功能强，功能的实现要可靠稳定。 4.2.2红外传感器的应用 由于热释电红外传感器输出信号变化缓慢、幅值小，针对该特点，专用信号处理器一般分为三步处理，具体如下： （1）滤波放大 普通PIR传感器输出信号幅值一般都比较小，大约几百微伏到几毫伏。为了后续电路能做有效的处理，考虑到传感器的信噪比，通常取增益72.5dB，通带0.3Hz-7Hz。同时，由于是处理模拟小信号，为了保证放大 - 39 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 器的工作稳定可靠，电路中特别集成了一个稳压器用于给传感器，放大器和比较器供电。 （2）窗口比较器 经过放大后的信号通过窗口比较器后检出满足幅值要求的信号后，再转换成一系列数值脉冲信号。 （3）噪声抑制数字信号处理 根据对人体运动特点及传感器的特性的长期研究，用固定时间内记脉冲个数和测脉冲宽度的方法来甄别有效的人体信号，这里由系统振荡器提供时钟源（16KHz）。经过上述三部处理就能确定、可靠地判定人体信号，根据具体运用场合实现既定控制。 热释电红外传感器的特点是反应速度快、灵敏度高、准确度高、测量范围广、使用方便。尤其可以进行非接触式测量使其在智能照明系统领域有诸多优点。 4.3热释电红外线传感器的优缺点 不同于主动式红外传感器，被动红外传感器本身不发任何类型的辐射，隐蔽性好，器件功耗很小，价格低廉。但是，被动式热释电传感器也有缺点，如： 1）信号幅度小，容易受各种热源、光源干扰； 2）被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收； 3）易受射频辐射的干扰； 4）环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵； 5）被动红外探测器的主要检测的运动方向为横向运动方向，对径向方向 - 40 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 运动的物体检测能力比较差 抗干扰性能： 1）防小动物干扰 探测器安装在推荐地使用高度，对探测范围内地面上地小动物，一般不产生报警。 2）抗电磁干扰 探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408中4.6.1要求，一般手机电磁干扰不会引起误报。 3）抗灯光干扰 探测器在正常灵敏度的范围内，受3米外H4卤素灯透过玻璃照射，不产生报警。 红外线热释电传感器的安装要求：红外线热释电人体传感器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系.。正确的安装应满足下列条件： 1）红外线热释电传感器应离地面2.0米-2.2米； 2）红外线热释电传感器远离空调、冰箱、火炉等空气温度变化敏感的地方； 3）红外线热释电传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物； 4）红外线热释电传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引 起误报，有条件的最好把窗帘拉上。红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方。 红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向有关。红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感, 而对于横切方向 (即与半径垂直的方向)移动则最为敏感。在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。 - 41 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 4.2.1CDS传感器 硫化镉（CDS）即光敏电阻器，这是目前最常见的光敏电阻器。光敏电阻器是利用半导体光致导电的原理制造的。这种光敏电阻器的基座是陶瓷片，上面涂有硫化镉多晶体，再经烧结制成。光敏电阻器的表面还涂有防潮树脂。光敏电阻器的光谱特性曲线与人眼对可见光的响应曲线比较接近。光敏电阻器的电阻值随光照强度而变化。在暗光条件下它的电阻值可达10MΩ，在强光下它的电阻值仅为数百欧姆或数千欧姆。光敏电阻器的光照特性在多数情况下是非线性的，只有在微小区域内呈线性。光敏电阻器的电阻值有较大的离散性。光敏电阻器的灵敏度是指光敏电阻器不受光照时的电阻值(暗阻)和受光照时的电阻值(亮阻)的相对变化值。在一般情况下，照度越低，单位照度改变时的电阻值变化越大。即在低照度下光敏电阻器的灵敏度较高。 光敏电阻器是电路的关键元件，它对光线的强弱有敏感的反应，在本电路中要求光敏电阻器受到光照时的阻值应小于5kΩ，在暗光情况下阻值应大于1MΩ，可选符合要求的MG41-22光敏电阻器。 - 42 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 第5章 基于红外线传感器的智能照明系统的硬件设计 5.1系统及工作流程设计 热释电红外传感器是智能照明系统的核心器件，设计是从热释电红外传感器着手，再按照电路编制信号处理电路来完成。其设计一般分为： （一）编制照明回路清单。 在这个系统中传感器首先将人体运动信号采集到，经内部处理后送外部信号处理电路处理，处理后的信号作为照明电路的控制信号。整个电路由传感器、放大电路、滤波电路、电压比较器，延时电路等组成。其次，应核对每条照明回路的处理先后顺序做简单的排列。最后，还要对一些照明回路的划分做适当的调整，优化系统方案，使其更适合场景配置的需要，该系统可隐蔽安装，各元器件可集成在同一块电路板上，减小了系统的体积，各模块可组合构成一个优美的照明艺术环境。 （二）按照明控制要求选择控制面板和其他相关控制器件。 人体感应传感器：该装置适用于楼道、卫生间等场所，人体感应器可自动检测该空间的人体温度，当该空间有人时，自动开灯；无人时，自动关灯。既方便又可避免浪费能源，目前已广泛地使用于需要短时间不定期的照明场所。 通过以上控制方式的使用，可以达到： （1）系统节能：即通过合理的测控手段，解决建筑物总体能量的需求、输送和供给的平衡，节约运行开支在20%—40%左右。 （2）设备节能：在满足系统的总体要求下，使各种设备工作在最低能耗的状态。 （3）管理节能：通过提供设备运行的各种数据，使管理者准确掌握 - 43 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 系统的运行状况，为管理工作提供人性化服务，并且，由于设施设备的自动控制及保护功能提高，可相应的减少运行维护人员的数量，进一步减小开支。 （4）寿命延长：经过系统的合理运行策略，缩短设备的运行时间和减轻负荷，可以降低设备的维护和更换费用，有效的延长设备的使用寿命。 （三）按照回路的性能选择相关的元器件 本系统采用的是双元型热释电红外传感器，就是要利用其结构上具有的与单型器件不同的特点来实现对人体运动方向的判断。单型热释电红外传感器由于只有唯一的一个敏感元件，因而对环境温度和人体运动会产生同样的反应信号。而双元型热释电红外传感器具有两个完全相同的敏感元件，它们按照极化方向反相串联或并联，其中只有一个敏感元件是用来检测红外线，而另一个要在表面蒸上红外反射膜，它的作用是用来补偿噪声。 （四）选择附件 。 由于传感器只对人体运动敏感，当人静止时该传感器无输出，而人进入探测区时必有一定时间的停留，所以在照明灯开启后必须延时以段时间，本电路采用的是555定时器集成的单稳态触发器可实现延时功能，为适应光照不同时光照控制方式不同的特点，采用光敏电阻控制555定时器在等待和工作状态之间切换。 （五）编制系统设备配置表。 由于不同元件在不同的电压下工作，考虑器件允许通过最大电流和最大耗散功率，采用稳压管将电压稳定在一定的数值，或采用电阻的分压和限流作用将电压和电流限定在适合器件工作的范围之内。 综上，整个照明控制系统主要由光学系统、热释电红外传感器、信号 - 44 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 滤波和放大、信号处理和执行电路等几部分组成。在光学系统中菲涅尔透镜可以将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上，同时也产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热释电探测元要求信号不断变化的特性；热释电红外探测器是智能照明系统中的核心器件，它可以把人体的红外信号转变为电信号以供信号处理部分使用；信号处理主要是把传感器输出的微弱信号进行放大、滤波、比较、延时，为照明功能的实现打下基础。 5.1.1双元热释电红外传感器的工作原理 图5-1 传感器工作原理示意图 - 45 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 无论反向串联型传感器中的红外敏感元件的几何形状和相互关系如何，都可以用图(a)来表示（假设a为检测元件，b为噪声补偿元件）。现在假设没有人体从传感器前沿着两个敏感元件反向串联的反向从左向右经过，则根据人体与敏感元件相对位置的不同可对传感器信号产生做出分析。如图（b）所示，当人体刚刚进入传感器视野时，由于人体到两个敏感元件的距离及角度不同而造成入射到两敏感元件上的能量变化速率不同，a>b，因此传感器输出信号应以a的信号为主，可设符号为“+”。如图（c）所示，当人体运动到传感器视野位置附近时，对于两个敏感元件来说一个是离开一个是接近，于是各自产生的信号符号不同，但由于两元件反向串联，因此传感器输出信号应是二者信号的反向叠加的结果，其值比任一元件单独产生的信号都要大，故符号为“—”。如图（d）所示，当人体运动到即将离开传感器视野时，两敏感元件上的能量变化情况是b>a，因此传感器输出信号应以b为主，对于b来说人体离开且它的串联方式与a相反，故符号为“+”。由于传感器输出信号波形是连续的，再根据以上分析，可以得出传感器输出波形如图（e）所示，波形的第二个正峰值是由于敏感元件b为噪声补偿元件，蒸有红外反射膜，因此它产生的输出信号较小。如果人体运动方向相反，分析也是类似的，而得到的结果恰好相反，如图（t）所示。这样，根据上面的分析就可将人体运动通过传感器的输出信号波形检测出来。 5.1.2信号处理电路设计 通过前面对双元型传感器对人体运动判断工作原理的分析，已经知道从传感器的输出信号波形来看是可以判断出人体的运动。但是，从传感器输出的信号是不可以直接作为照明系统的控制信号，传感器的输出信号必须经过一个专门的信号处理电路，使得传感器输出信号的不规则波形转变成适合于控制照明灯的信号。 - 46 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 （1） 放大电路 本电路使用芯片IC1使用廉价的四运放LM324，用其中两个运放组成带通放大器。放大电路由R2、R3、IC1a和R6、R7、IC1b组成两级低频带通高增益放大器，增益取值应为以能够将传感器的输出信号电压放大至便于处理的1.0V~4.5V为宜。第一级放大器增益为：Av1=R3/R2，第二级放大器增益为：Av2=R7/R6，总放大增益为：Av= Av1* Av2,当选择适当的电阻值后就可将增益设置到适当的值。 （2） 电压比较器 电压比较器起到有无人体进入检测区的作用，同时也消除环境温度变化所产生的干扰。当传感器探测到人体辐射的红外线信号并经放大后送到窗口比较器时，若信号幅度超过窗口比较器的上下限，系统将输出低电平信号；无异常情况时则输出高电平信号。LM324另外两个运放组成电压比较检测窗口，在比较器中，两个电阻与两只二极管用作参考电压，将分压器的中点电压设定到电源电压（6V）的一半（3V），经两只二极管分压后将上下限电压分别设定到3.6V、2.4V。静态时第一级放大器输出的干扰信号电压幅度在2.4V~3.6V这个范围。 （3） 延时电路 延时电路使用IC2单时基电路NE555，延时时间T=1.1RC。选择适当的参数就可以控制延时时间。其作用有两个：一是为人离开检测区提供一段延时时间；二是在人体进入检测区后提供关断检测器所需的时间，延时电路工作时输出的高电平使可控硅导通，照明灯接通电源后就亮。 - 47 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 5.2 电路原理图 图5-2 热释电控制自动节能灯示意图 - 48 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 5.3电路的工作原理 热释电控制自动节能灯电路中的信号放大器由两部分组成，第一部分是由IC1a、IC1b组成的两级低频带通高增益放大器，第二部分是由IC1c 、IC1d组成的双限电压比较器。 本电路采用的信号电压比较器称为双限式电压比较器，也称为窗口比较器。这个双限式电压比较器由IC1b 、IC1c 、IC1d组成，其中IC1c用作上限比较，IC1d用作下限比较。上限比较器的参考电压加于IC1c的同相输入端，下限比较器的参考电压加于IC1d的反相输入端。上、下限比较器的两个参考电压是通过R5、与VD1、VD2分压后取得的。由于R5=1M欧，R8=1M欧，VD1与VD2的压降固定为0.6~0.7V。设压降为0.6V，则这个分压器的中点电压（IC1b的反向端电压）等于电源电压6V的一半3V，该电压作为带通放大器IC1b输出的正弦信号电压的中点。VD1上端的电压作为下限比较器IC1c的参考电压加在它的同相端，其数值等于3.6V（3V+0.6V）；VD2下端的电压作为下限比较器IC1d的参考电压加在它的反相端，其数值等于2.4V（3V-0.6V）。 由电压比较器的工作原理可知，当同相输入端的电压高于反相输入端的电压时，比较器输出高电平；当同相输入端的电压低于反相输入端的电压时，比较器输出低电平。由于带通放大器的输出电压中点设在3V，因此双限电压比较器的门限电压分别设在3.6V和2.4V，静态时，IC1a输出的干扰信号电压幅度在2.4~3.6V这个范围，这时比较器IC1c、IC1d均输出高电平，隔离二极管VD3、VD4被反相偏置而截止。 当有传感信号输入时，带通放大器IC1a输出控制信号。在信号的正半周，当信号电压幅度大于3.6V时，IC1c输出低电平；在信号的负半周，当信号电压幅度低于2.4V时， IC1d输出低电平。这样，既保证了在信 - 49 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 号的正、负半周电压比较器都有触发信号的输出，又抑制了干扰信号。 NE555与R11、C7组成一个脉冲启动的单稳态触发电路，一方面用来触发双向晶闸管VS，一方面组成单稳态延时电路，使电灯在人离开时延时一段时间后自动关闭。该单稳态触发器由低电平或负向脉冲触发翻转。当IC1c、IC1d输出低电平时，IC2被触发翻转，它的输出端3脚输出高电平。该高电平通过R14将双相晶闸管VS触发，使其导通，点灯亮。IC2翻转后，电源经R11向C7充电，充电时间T=1.1R11C7，延时60s后电路翻转，IC2的3脚即变为低电平，VS关断，电灯灭。 在热释电控制自动节能灯电路中，可调电阻R12、R13、光敏电阻RG与IC2的4脚组成光控电路，使电路仅在夜间起控制作用。而在白天，由于RG阻值变得很小，4脚在R12、R13+RG的分压中处于低电平，将IC2置于强复位状态，电路处于等待状态。在夜晚，当IC2被触发翻转后，3脚输出的高电平通过VD5加至4脚，使4脚不致因灯亮后对RG的照射而影响电路的工作。 电阻R9、R10作为IC2的2脚的偏置电路，在静态时将2脚偏置与高电平，使单稳态电路保持稳态。 - 50 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 第6章 电路制作问题 6.1整体电路制作问题 6.1.1元件的散热问题 热阻Rth 是热流自结散出的热阻。热阻和电阻是相似的概念。如同电阻公式R=V/I，有相应的热阻公式Rth =T/P，这里T 是温升，以K（Kelvin）为单位；P 是功率耗散，以W 为单位；因此Rth 的单位为K/W。对于垂直安装在大气中的器件，热阻决定于结至环境热阻Rth j-a 。 散热器尺寸计算： 对给定的双向可控硅和负载电流，要计算需要的散热器热阻，首先要根据下列公式确定双向可控硅的功率耗散：P=Vo × IT(AVE) + RS × IT(RMS)2拐点电压Vo 和斜率电阻RS 可从SC03 手册的VT 图取得。若数据没有直接列出，可通过作图取得。对最大VT 曲线作一切线，切线和VT 轴线的交点给出Vo 值，切线斜率（VT/IT）给出RS。应用前面的热阻公式： Rth j-a=T/P在最高环境温度下，结温Tj 升至最高允许结温Tjmax，由此得出结温最大允许提升值。这提供温升T。根据选定的安装方法，SC03 手册提供Rth j-mb 和Rth mb-h 数据。应用前面的热阻公式Rth j-a= Rth j-mb + Rthmb-h+ Rth h-a ，可最后求得散热器热阻Rth h-a 。 热阻抗： 前面的热阻计算只适用于稳定状态，即过程时间大于1 秒。这条件下，热量才有足够的时间从结传送到散热器。对持续时间短于1 秒的电流脉冲或瞬间过程，散热器的效果大为减弱。热量只在器件内部扩散，很少传到散热器。对于这种瞬间过程，结的温升决定于结至安装基面的热阻抗Zth j-mb 。随着电流脉冲持续时间减小，Zth j-mb 下降，因为芯片加 - 51 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 热减少。假如持续时间增大，接近1 秒，Zth j-mb增大至稳定状态的热阻值Rth j-mb。手册SC03 提供每种器件的Zth j-mb 曲线，适用于持续时间低至10μs 的双向或单向的电流。 6.1.2电子电路的静电保护 静电放电(ESD)是大家熟知的电磁兼容问题,它可引起电子设备失灵或使其损坏.当半导体器件单独放置或装入电路模块时,即使没有加电,也可能找成这些器件的永久性损坏.对静电放电敏感的元件被称为静电放电敏感元件(ESDS). 如果一个元件的两个针脚或更多针脚之间的电压超过元件介质的击穿强度,就会对元件造成损坏.这是MOS器件出现故障的最主要的原因.氧化层越薄,则元件对静电放电的敏感性也越大.故障通常表现为元件本身对电源有一定阻值的短路现象.对双极性元件,损坏一般发生在薄氧化层隔开的已进行金属喷镀的有源半导体区域,因此会产生泄露严重的路径. 另一种故障是由于节点的温度超过半导体硅的熔点(1415度)时所引起的.静电放电脉冲的能量可以产生局部地方发热,因此出现这种机理的故障.即使电压低于介质的击穿电压,也会发生这种故障.一个典型的例子是,NPN型三极管发射极与基级间的击穿会使电流增益急剧降低. 电荷也可以通过感应产生,这是带电体使其附近的另一物体上的电荷发生分离的结果。器件受到静电放电的影响后,也可能不立即出现功能性的损坏.这些受到潜在损坏的元件通常被称为“跛脚”,一旦加以使用,将会对以后发生的静电放电或传导性瞬态表现出更大的敏感性。 要密切注意元件在不易察觉的放电电压下发生的损坏,这一点非常重要.人体有感觉的静电放电电压在3000 --- 5000V之间,然而,元件发生损坏时的电压仅几百伏.本设计中用到IC器件所以焊接时需用防静电手套。 - 52 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 结 论 现代化的生活离不开电能的使用,但目前电能的浪费已成为人们普遍关注的问题,随着电子技术和自动化水平的不断提高,以及各种高准确度,高性能传感器的应用,自动节能灯具成为人们理想的选择.人体红外线自动感应灯与其他自动控制灯(如,声控,光控等)相比,具有许多显著的优点:可以避免自然界的声音引起误操作,也可避免白天亮灯造成的浪费.所以人体红外线自动控制灯必将成为自动照明系统的主流. 我这次毕业设计的电路以集成电路芯片BISS0001为中心控制器件,外围电路配有红外线传感器和光敏电阻可以自动检测人体释放的红外线,并对检测的信号处理和放大以控制电灯的亮灭,又有CDS传感器白天抑制输出. 本课题还涉及到许多模拟,数字电路和电子线路的知识,成为我大学几年的一次总复习. 通过本次毕业设计，我学到了许多课本上学不到的知识，将自己学到的理论知识与实际相结合。但由于是初次自己设计电路,在整个过程中也存不少问题,碰到问题是件麻烦的事,但解决问题本身又是充满乐趣的. - 53 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 致 谢 此次毕业设计历时两个多月，是我大学学习中遇到过的时段最长、涉及内容最广、工作量最大的一次设计。用老师的一句话概括就是这次毕业设计相当于是把以前的小课程设计综合在一起的过程。在论文的写作过程中遇到了喝多困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。特别要衷心感谢我的论文指导老师—赵彦如老师，是她对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感谢！ 感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。 感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多你问素材，还在论文的撰写和排版灯过程中提供热情的帮助。 由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！ 全彦 2012年5月21 - 54 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 参考文献 【1】彭为、黄科、雷遂忠，单片机嵌入型系统实例精讲【M】.北京:工业出版社，2006.5 【2】肖景和、赵健，红外线热释电与超声波遥控电路【M】.北京:人民邮电出版社，2003.1 【3】李朝青，单片机原理及接口技术【M】.北京：北京航空航天大学出版社，2006.5 【4】康华光，电子技术基础（数学部分）【M】.北京：高等教育出版社，2006.1 【5】陈有卿，适用灯光控制电路300例【M】.北京：中国电力出版社，2005.2 【6】陈永甫，适用无线电遥控电路【M】.北京：人民邮电出版社，2007.7 【7】李光飞，新编电子电路大全【M】.北京：中国计量出版社，2001.1 【8】宋春荣等，通用集成电路速查手册【M】.山东：山东科学出版社，2003.1 【9】丁化成等，AVR单片机应用设计【M】.北京：北京航空航天大学出版社，2006.4 【10】李光飞等，单片机课程设计实例指导【M】. 北京：北京航空航天大学出版社,2004.1 【11】张勇，PROTEL 99SE电路设计技术入门与应用【M】.北京：电子工业出版社，2007 【12】刘修文，新编电子控制电路300例【M】.北京：机械工业出版社，2006.4 - 55 - 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 【13】彭介华，电子技术课程设计指导【M】.北京：高等教育出版社，2004.2 【14】徐大诚，皱丽新等，微型计算机控制系统技术及应用【M】.北京：高等教育出版社，2003.5 【15】房小翠，单片微型计算与机电接口技术【M】.北京：国防工艺出版社，2003.5 【16】陈有卿，适用灯光控制电路300例【M】.北京：中国电力出版社，2006. - 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