人体感应开关的设计毕业论文管理资料.docx
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人体感应开关的设计毕业论文管理资料
湖湖南信息学院
毕业论文
人体感应开关的设计
学生姓名：
徐翔
学号：
201201266031
年级专业：
二○一二级电子信息工程
指导老师：
雷求胜
二级学院：
电信学院
湖南·长沙提交日期：
2015年5月（
人体感应开关的设计
作者：
徐翔（
指导老师：
雷求胜、
（湖南信息学院电子信息学院2012级电子信息工程，长沙410151））
[内容摘要]本课主要是探讨应用电子技术的自动照明开光的设计，该系统由热释红外线传感器，NE555，电压比较器，（对于其他光，如阳光、灯光等人体波长以外的光波则抑制掉），CDS传感器在白天抑制输出,NE555集成电路芯片控制灯亮时间,并把转化成的电信号，进行放大处理后，控制电灯开关，从而实现人来灯亮，人走灯灭的神奇效果。
[关键词]NE555电压比较器热释红外线传感器
一前言
我国作为世界上最大的发展中国家，是一个能源生产和消费大国。
能源生产量仅次于美国和俄罗斯，居世界第三位；基本能源消费占世界总消费量的l／10，仅次于美国，居世界第二位。
中国又是一个以煤炭为主要能源的国家，发展经济与环境污染的矛盾比较突出。
近年来能源安全问题也日益成为国家生活乃至全社会关注的焦点，日益成为中国战略安全的隐患和制约经济社会可持续发展的瓶颈。
上个世纪90年代以来，中国经济的持续高速发展带动了能源消费量的急剧上升。
自1993年起，中国由能源净出口国变成净进口国，能源总消费已大于总供给，能源需求的对外依存度迅速增大。
煤炭、电力、石油和天然气等能源在中国都存在缺口，因此节能思想尤为重要，节能的中心思想是采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可接受的措施，来更有效地利用能源资源。
为了达到这一目的，需要从能源资源的开发到终端利用,更好地进行科学管理和技术改造,以达到高的能源利用效率和降低单位产品的能源消费。
由于常规能源资源有限，而世界能源的总消费量则随着工农业生产的发展和人民生活水平的提高越来越大，世界各国十分重视节能技术的研究，特别是节约常规能源中的煤、石油和天然气，因为这些还是宝贵的化工原料；电力作为一种洁净方便的能源广泛的应用与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。
二、热释电红外感应开关系统的主要元器件介绍
普通人体会发射10um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，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。
一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，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，此乃人体红外自动开关。
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，使误动作率降到最低。
且体积小，自耗电微少。
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成为人到灯亮、人走灯灭。
它安装方便，可直接替换面板式开关，无需改动市电线路。
、人体热释电红外线传感器的基本结构和原理
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。
～；～。
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。
一般人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。
人体发射的10UM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。
所以这种传感器检测人体或者动物的活动传感。
由实验证明，传感器不加光学透镜（也称菲涅尔透镜），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。
、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，对径向方向运动的物体检测能力比较差。
、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）；
（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关系很大。
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。
NE555
NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号。
、NE555的特点有：
（1）只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。
其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久；
（2）它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑闸配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合；
（3）其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载；
（4）它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。
、NE555引脚位配置说明
NE555的管脚图如图1所示。
图1NE555的管脚图
Pin1（接地）-地线（或共同接地），通常被连接到电路共同接地。
Pin2（触发点）-这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。
触发信号上缘电压须大于2/3VCC，下缘须低于1/3VCC。
Pin3（输出）-当时间周期开始555的输出输出脚位，。
周期的结束输出回到O伏左右的低电位。
于高电位时的最大输出电流大约200mA。
Pin4（重置）-一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。
它通常被接到正电源或忽略不用。
Pin5（控制）-这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。
当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。
Pin6（重置锁定）-Pin6重置锁定并使输出呈低态。
当这个接脚的电压从1/3VCC电压以下移至2/3VCC以上时启动这个动作。
Pin7（放电）-这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。
Pin8（V+）-这是555个计时器IC的正电源电压端。
供应电压的范围是+（最小值）至+16伏特（最大值）。
、参数功能特性：
•
•供应电流3-6mA
•输出电流225mA（max）
•上升/下降时间100ns
、NE555的相关应用
NE555的作用范围很广，但一般多应用于单稳态多谐振荡器（MonostableMutlivibrator）及无稳态多谐振荡器（AstableMultivibrator）。
三、人体感应开关照明电路的总设计
当有人时，红外线感应器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，再经放大器放大，然后通过明暗检测电平判断来判断是白天还是黑夜，最后经单向可控晶闸管来驱动电灯。
电灯导通后还要由定时器定时5~120s。
设计电路的流程图如图2所示。
图2设计电路的流程图
楼道人体感应开关照明电路由传感器及信号放大电路、明暗检测电路、延时电路、驱动电路、电源电路等五个部分组成，其电路图如图3所示。
工作原理：
在夜晚的时候，当有人经过时，就能被红外线传感器检测到，U1将该红外线信号转换为微弱的电信号，再经U2对该信号进行放大，使D1的1脚为高电平，D1将输出低电平，使VD1导通，C4迅速充电，使D2输出低电平。
NE555输入低电平，输出高电平，从而使三极管导通，单项晶闸管的控制端为高电平，单项晶闸管导通，灯泡亮起。
在白天时，虽有人经过，有信号输入，但是RG受光照射而呈低阻状态，使D1的一个输入端（IC的2脚）为低电平，D1锁定输出高电平，红外检测电路不起作用，VD1截止，D2输出高电平。
NE555输入高电平，输出低电平，三极管没有导通，单项晶闸管的控制端为低电平，单项晶闸管截至，灯泡暗。
图3楼道人体感应开关照明电路
该电路图有由热释电传感器、运算放大器、C3和R4构成低通滤波器、C2和R3构成高通滤波、R1和C1组成低通滤波器组成，电路图如4所示。
在无红外线射入时，~，当红外线射入传感器时，输出电压叠加在这个偏置电压上，约有0~10mV的变化量。
运放IC组成大约400倍的带通滤波器，其电压放大倍数Av=1+R4/R3≈417倍。
人的运动频率约为1~10Hz的程度，C3和R4构成低通滤波器。
其高频截止频率fh=1/2πC3R4≈16Hz。
C2和R3构成高通滤波器，其低频截止频率fl=1/2πC2R3≈。
R1和C1组成低通滤波器，用来出去来自外部电路的干扰，其高频截止fh=1/2πC1R1≈。
图4传感器及信号放大电路
该电路主要由CDS传感器、与非门、与门、变阻器组成，如图5所示。
白天，RG受光照射而呈低阻状态，使D1的一个输入端（IC的2脚）为低电平，D1锁定输出高电平，NE555输入高电平，输出低电平。
夜晚，RG无光照射而变为高阻状态，D1的2脚变为高电平，此时红外检测收到红外线信号。
D1的1脚变成高电平。
D1将输出低电平，NE555输出高电平。
通过调节变阻器RP1，来改变检测的灵敏度。
图5明暗检测电路
延时电路是利用NE555的单稳态触发器来实现定时，NE555的工作原理就是如图6所示。
图6NE555的单稳态触发器电路
延时电路该由NE555、C5、RP2、R7组成。
电路如图7所示。
延时时间是Ton=*C5（RP2+R7）=~。
延时时间是通过调节PR2来实现。
图7延时电路
控制电路主要由三极管、单向晶闸管组成，电路如图8所示。
NE555输出电压在经三极管放大，驱动单向晶闸管使灯泡导通。
在选择控制原件时，选择单向晶闸管而不是继电器。
继电器输出方式不适合于高频动作的负载，这是由继电器的寿命决定的。
其寿命随带负载电流的增加而叫减少，一般在几十万次至百万次之间，响应时间为10ms。
，只能带交流负载，可适应高频动作，响应时间为1ms.
图8控制电路
图9电源电路
220交流经变压器变压、桥式整流、电容滤波，再由三端稳压器稳压输出9V直流电压，电源电路如图9所示。
四、电路的调试与制作
PCB制板如图10所示。
图10PCB制板
、
、电路板的焊接
先将准备好的元件插入印刷电路板规定好的位置上，在元件与印刷电路板铜箔的连接点上，涂上少许焊剂，待电烙铁加热后用烙铁头的刃口上些适量的焊锡，上的焊锡多少要根据焊点的大小来决定。
焊接时，要将烙铁头的刃口接触点与元件引线，根据焊点的形状做一定的移动。
、红外发射管和接收管的安装
红外发射管与接收管之间间隔8-10CM安装。
安装时，应使两管中心线呈一定夹角且应在50CM左右处相交，以保障发射光能被反射到接收管。
、电路的调整
电路的调整较为简单。
接通电源后，发射管与接收管的前面放置一块反射挡板，适当地移动挡板并调节发射器的可调电阻R1，测量接收器IC2的7脚输出电压，使输出电压的负值达到最大即可。
5结束语
通过这次人体感应开关的设计，我拜托了单纯的理论学习状态，与实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实工程问题的能力，同时也提高了我查阅文献资料，设计手册、设计规范以及解决PCB制图等专业水平能力。
致谢
本人的毕业论文设计一直是在雷老师的悉心指导下进行的，雷老师治学态度严谨，学识渊博，为人和蔼可亲。
并且在整个设计过程中，雷老师不断对我的结论进行总结，提出新问题。
参考文献
[1]童诗白等模拟电子技术基础北京：
高等教育出版社2006.
[2]电子技术基础实验超星书籍
[3]臧春华电子线路设计与应用北京：
高等教育出版社2006.
[4]杨利军应用电子技术湖南：
湖南大学出版社2014
[5]阎石数字电子技术基础北京：
高等教育出版社2004
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