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楼道照明系统设计
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
ABSTRACT
Thispaperintroducestheprincipleoftheinfraredsensorswitch,theuseofpyroelectricinfraredsensorwillreceivetheweaksignaltobeamplified,thendrivetherelay,madeofpiezoelectricinfraredsensorswitch.Thisdesignusesinfraredlightreflexcircuitstructure,infraredreceivertransmitterandshouldbeinstalledinthesamedirection,thesameplanetransmitterandreceiverbecomeintegratedstructure,andusethesamepowersupply.Thiswayofworkingrightofthecircuittolong–termandshort-termworkonstandbyworkingcondition.Throughtheanalongcircuitdesigninfraredsensorlampcontrolknowledgereusingswitchcircuit,bythephotosensitiveresistorslightsensorcircuittocontrolinductionlampswitchtriggeredornot,willcontrolswitchandenergy-savingfamilylightingsystem.
Usingtheinfraredsensingtechniqueandopticalprinciple,throughthecontrolcircuittorealizeintelligentswitch.Whenpeopleenterinductionrange,specialsensorstodetecthumaninfraredspectroscopy,willbethelamp,andwhenpeopleleave,afterapredeterminedtimedelay,lightswilltothelamp,peoplefromthelightenergysecurity,convenience.Thedesigncanbeusedasenterprises,hotels,shoppingmallsandresidentialcorridors,stairs,elevators,bathrooms,warehouse,etc.Theautomaticswitch,actasa"peopletolightfromthelight,peopletakethelightfromtheoff"role,bothnewandconvenientandconservationofelectricity,insomeplacesbutalsoplayapreventiveroleindeterringtheft.Thedesignofsimplestructure,itselfdoesnotsendanytypeofradiation,thedevicepowerconsumptionisverysmall,cheap,goodforhiding,andwideapplication,itcanbeextendedtoachievepracticalapplication.
Keywords:
InfraredraySensorswitchInfraredradiationDetectingareaLighting
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。
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限制,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。
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。
2.4.1BIS0001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)具有独立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:
(三)管脚说明:
引脚
名称
I/O
功能说明
1
A
I
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
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
RR1
输出延迟时间Tx的调节端
4
RC1
输出延迟时间Tx的调节端
5
RC2
触发封锁时间Ti的调节端
6
RR2
触发封锁时间Ti的调节端
7
VSS
工作电源负端
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
10
IB
运算放大器偏置电流设置端
11
VDD
工作电源正端
12
2OUT
O
第二级运算放大器的输出端
13
2IN-
I
第二级运算放大器的反相输入端
14
1IN+
I
第一级运算放大器的同相输入端
15
1IN-
I
第一级运算放大器的反相输入端
16
1OUT
O
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
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
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
当A端接“0”电平时,在Tx时间内任何V2的变化都被忽略,直至Tx时间结束,即所谓不可重复触发工作方式。
当Tx时间结束时,Vo下跳回低电平,同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期Ti。
在Ti时间内,任何V2的变化都不能使Vo跳变为有效状态(高电平),可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。
2可重复触发工作方式
图2-3可重复触发工作方式波形图
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2-4BIS0001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,
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
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