热释电红外自动节能灯课程设计方案.docx
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热释电红外自动节能灯课程设计方案
1引言2
2总体设计方案2
2.1设计思路2
2.2总体设计框图2
3设计原理分析2
3.1元件介绍2
3.2电路原理图4
3.3原理分析5
3.4电路原理5
4总结与体会7
参考文献8
附录电路原理图9
热释电红外自动节能灯
摘要:
本课程设计是制作一个热释电红外自动节能灯。
人在时灯亮,人走灯灭。
其电路主要有热释电红外传感器、运算放大器电路、双电压比较器、555时基电路、光电开关、可控硅等工作电路。
关键词:
热释电红外感应器晶闸管
1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总体设计方案
2.1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。
2.2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设计原理分析
3.1元件介绍
3.1.1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,与各种电路配合广泛应用于生活。
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锆钛酸铅(PZT)制成,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9~10微M,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。
3.1.2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,.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、输出级、偏置、保护等采用双结构工艺形式。
3.1.3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
3.1.4555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),VI2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5KΩ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4555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。
3.1.5光敏电阻
本电路可选用硫化镉(Cds)光敏电阻器,它的波长在0.4~0.76µm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,不宜在潮湿环境下使用。
3.1.6可控硅
可控硅,简称晶闸管。
它是由3个PN结四层结构硅芯片和3个电极组成的半导体器件。
可控硅起到控制电灯的作用,其接收到555脚3输出的高电平即可导通,使电灯点亮。
3.2电路原理图
电路原理图如图5所示。
3.3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(0.3~3Hz)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(0.2~8Hz)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。
3.4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(0.2~8HZ)放大极,将电信号经过处理后,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置位。
图8电压比较电路
图9电压比较电路
3.4.4555时基电路及光电开关
图9555时基电路及光电开关
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220V50Hz的交流电源。
4总结与体会
这次课程设计我选择了热释电红外自动节能灯设计,是因为就我个人而言对热释电红外节能灯这个课题感性趣。
是希望通过这次课程设计,我能够将理论理解得更深刻,将理论和实际应用结合起来,同时能够更好的对集成电路的功能和作用进一步的学习。
电路的工作状态是白天不点亮,当天黑后,有人进入红外传感作用区内时,电灯会自动点亮,为行人照明,人走后,灯自动熄灭。
在此次实践中,通过设计和调试实验,我对电路设计有了更深一步的认识,我发现电子产品制作离我们真的很近。
同时,我切实的发现自己的学习能力以及动手能力增强了,将理论知识与实际应用相结合的能力也有了很大的提高。
在此次设计中,我的导师给了我很好的指导,我的队友给我很大的帮助,还有的室友无偿的为我提供了电脑(他们自己的设计还没有完成的情况下)。
可以说,没有他们的帮助就没有这次设计的完成。
在这里我要真诚的对他们说一声“谢谢”。
参考文献
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山东大学出版社,1996.
[2]康光华,邹寿斌.电子技术基础数字部分(第五版)[M].北京:
高等教育出版社,2006.
[3]康光华,邹寿斌.电子技术基础模拟部分(第五版)[M].北京:
高等教育出版社,2006.
[4]方大千,朱丽宁.电子控制装置制作入门[M].北京:
国防工业出版社,2003
[5]刘修文.实用电子电路设计制作300例[M].北京:
中国电力出版社,2004.
[6]葛剑青.基础电工控制应用电路[M].北京:
电子工业出版社,2005.
[7]方亚敏,方大千.家庭电子小制作[M].北京:
新时代出版社,2007.
附录电路原理图
河南科技学院机电学院
电子课程设计报告
题目:
热释电红外自动节能灯设计
专业班级:
电气工程及其自动化061
姓名:
谢赋斌
时间:
2008.06.16~2008.06.27
指导教师:
宋长源田熙燕苗青林
完成日期:
2008年06月27日
热释电红外自动节能灯设计任务书
1.设计目的与要求
设计一个热释电红外自动节能灯控制电路,要认真并准确地理解有关要求,独立完成系统设计,要求所设计的电路具有以下功能:
(1)人在灯亮,人走后延时灯灭;
(2)采用热释电红外传感器,进行人员检测;
(3)光源负载为白炽灯。
2.设计内容
(1)画出电路原理图,正确使用逻辑关系;
(2)确定元器件及元件参数;
(3)电路仿真;
(4)SCH文件生成与打印输出。
3.编写设计报告
写出设计的全过程,附上有关资料和电路图,有总结体会。
4.答辩
在规定时间内,完成叙述并回答问题。
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