北邮红外感应照明灯自动控制电路实验报告文档格式.docx

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1.1设计概述------------------------------------------------------------------4

1.2设计任务要求--------------------------------------------------------------4

第二章电路设计

2.1系统组成框图--------------------------------------------------------------4

2.2系统整体设计思路----------------------------------------------------------5

2.3模块电路设计思路

2.3.1第一级放大电路设计--------------------------------------------------5

2.3.2第二级放大电路设计--------------------------------------------------6

2.3.3电压比较器模块设计--------------------------------------------------7

2.3.4555定时器模块设计-------------------------------------------------8

第三章电路仿真

3.1前2级放大电路仿真-------------------------------------------------------10

3.2电压比较模块仿真---------------------------------------------------------11

3.3电路整体仿真-------------------------------------------------------------11

第四章电路搭建与调试

4.1组合调试中的故障与问题分析-----------------------------------------------12

4.2系统最终演示效果和所实现的功能-------------------------------------------12

第五章实验总结与结论

5.1&

5.2实验总结（搭建与调测）------------------------------------------------15

5.3实验结论-----------------------------------------------------------------15

5.4心得体会----------------------------------------------------------------15

第六章实验元件和仪器资料

6.1实验元件

6.1.1热释红外传感器PIR------------------------------------------------15

6.1.2集成运放芯片LM358------------------------------------------------16

6.1.3光敏电阻----------------------------------------------------------17

6.1.4NE555定时器-------------------------------------------------------19

6.2实验仪器----------------------------------------------------------------19

第七章参考书籍及资料-------------------------------------------------------19

引言：

随着社会的进步，节能环保已经深入人心，成为当今社会重要主题之一。

通过红外感应来实现自动控制的功能电器已经悄悄影响着人们的生活，生活中处处可以看到红外感应自动控制设备的影子。

本实验设计利用热释电红外传感器PIR获得电压，然后通过LM358来实现两级电压放大，然后经过电压比较器，二极管D1导通，使555构成的单稳态触发器反转进入暂稳态，3脚输出高电平，将LED灯点亮，实现红外感应自动控制。

1.1设计概述

本设计是在指导老师给定课题的基础上经过分析，采用热释电红外传感器PIR，能根据生命体从传感器旁经过的距离长短作为触发信号（实验中用手划过传感器来模拟），使LED二极管发光并延迟10秒以上熄灭。

1.2设计任务要求

A.基本要求

1.用发光二极管模拟照明灯，在白天保持熄灭状态，在夜间有人从附近10cm经过灯便点亮，延迟10秒后熄灭。

2.电源用5伏直流电源，传感器用RE200B红外热释电传感器。

3.电路工作稳定可靠。

B.提高要求

延长感应距离到20cm或30cm。

2.1系统组成框图

放大器

热释传感器PIR

电压比较器

单稳态触发器

照明灯

延时电路

2.2系统总体设计思路

PIR热释传感器能够因为红外线的变化在其S端输出微弱的超低频交流信号，，经C2加到三极管Q1输入端放大，再经运放U1A组成的放大器进一步放大，使信号增益达到几十dB，后进入电压比较器反向输入端。

信号幅度高于比较电压时，比较器输出低电平，二极管D1导通，使555构成的单稳态触发器反转进入暂稳态，3脚输出高电平，将LED灯点亮。

由于要求LED灯延时熄灭，还要加入RC延时电路，调节电位器可以改变灯点亮的时间

2.3模块电路设计思路

2.3.1第一级放大电路

设计原理简述：

由于PIR输出的是超低频交流信号，为了保障电路的稳定，采用深度负反馈电路（电压并联负反馈）,耦合电容C2的作用是阻直流，通交流，一般采用容量较大的电解电容器，本实验采用C2=47uF,F（反馈系数）=-1/R2,由于输入的信号十分微弱，不妨设Ii=10mA（实际电流大于10mA）,则Vo=If*R2+1，通过静态工作点的设置，Ib=-If=（Vce-Vbe）/R2,得到R1取值为10千欧，R2的取值为1兆欧，第一级放大倍数约为120；

2.3.2第二级放大电路

（此处忽略电容）

第二级放大采用同相放大电路，输入信号输入到运放的同相输入端（R’=0）。

反馈网络为Rf和R1，构成深度电压串联负反馈放大电路。

根据分析集成运算放大电路的两个重要特点（“虚短”、“虚断”）可知：

因为U+=U-=Ui（“虚短”，但不是“虚地”），I+=I-=0

所以

故有

则

即闭环电压放大倍数为

Uo与Ui是比例关系，改变比例系数，即改变Rf／R1，即可改变Uo的值。

实际参数：

在实际电路中取R4（原理中为Rf）=R3（原理中为R1）=47千欧，C1=33uF,

C5=0.01uF,第二级放大倍数约为2倍。

2.3.3电压比较器模块设计

电压比较器是对两个模拟电压比较其大小,并判断出其中哪一个电压高。

图1（a）是比较器，它有两个输入端：

同相输入端（“+”端）及反相输入端（“-”端），有一个输出端Vout（输出电平信号）。

另外有电源V+及地（单电源比较器），同相端输入电压VA，反相端输入VB。

VA和VB的变化如图所示。

在时间0～t1时，VA>

VB；

在t1～t2时，VB>

VA；

在t2～t3时，VA>

VB。

在这种情况下，Vout的输出如图1（c）所示：

VA>

VB时，Vout输出高电平（饱和输出）；

VB>

VA时，Vout输出低电平。

根据输出电平的高低便可知道哪个电压大。

如果把VA输入到反相端，VB输入到同相端，VA及VB的电压变化仍然如图1（b）所示，则Vout输出如图1（d）所示。

与图1（c）比较，其输出电平倒了一下。

输出电平变化与VA、VB的输入端有关。

如果输入电压VA与某一个固定不变的电压VB相比较，此固定不变的VB称为参考电压、基准电压或阈值电压。

在试验中合理设置参考电压便可以实现特定的电压比较。

实际电路参数

为了便于电路组合之后的调试过程，特引入电位器分压，信号从反相端输入，参考电压从同向端输入。

如图所示：

2.3.4555定时器模块设计

U2的暂态时间由R14和C4构成的时间常数决定，调节电位器R14可以改变灯点亮的时间。

暂态过后U2的3脚输出低电平，灯熄灭。

调节R10可改变对人体活动的感应灵敏度。

白天光敏电阻R9呈低阻态，Q2饱和导通，将U2的4脚置低电平，使U2强制复位，3脚恒为低电平，灯不会亮。

只有光线暗时R9呈高阻态，Q2截止，4脚为高电平，才解除对电路的封锁。

（光敏电阻在室光照条件下阻值为几千欧）

实际参数设计：

3.1前两级放大电路仿真

3.1.1第一级

可以看出第一级放大倍数在120倍左右，基本与预期倍数符合。

3.1.2第二级

第二级放大倍数在2左右，符合预期倍数。

3.2电压比较模块仿真

从仿真中可以看出高低电平随输入信号的变化而切换，符合预期设计。

3.3整体系统仿真

当输入低频小信号时，LED灯点亮，仿真结果基本符合前面的设计。

4.1组合调试中的故障与问题分析

在开始搭建电路和调试的过程中，虽然做了比较充分的准备，但在实际操作还是出现了一些意想不到的问题：

在一开始完成前级放大电路的搭建，我通过函数发生器向电路输入一个低频小信号（幅度为10mV,频率为1Hz）然后用示波器分别显示第一级，第二级的输出信号波形，结果并没有显示正常的波形，经过对电路进行初步检查时发现问题出在地线上，地线的连接出现错误；

但纠正后依然没有1得到正常的结果，我只得一处一处来测试，最终发现是自己将一个10千欧的电阻接成了1千欧，导致静态工作点设置出现了问题，第一级放大电路起不到作用，更换后，结果与预期基本相符；

实验中碰到的另一个问题是感应距离，本实验对感应距离的调制主要基于参考电压与比较电压之间的差值，差值越小，电路越灵敏，但当差值过小时，只要有一点点的影响就会让LED灯点亮，最终变成了常亮，所以此电路的识别距离L<

=25cm。

除此之外，在一个试验台调好距离后，拿到另一个试验台结果就会发现变化（有时会常亮），经过资料查询，我发现这是由热释传感器的自身参数与性能引起的，不同试验台位置不同，温度不同，电源电压也有细微差距，（主要是影响红外分布）导致结果不同。

4.2系统最终演示效果和所实现的功能

输如图4.2.1是第一级放大电路的输出：

（输入信号幅度为10mV,频率为1Hz）

图4.2.1

由波形可得第一级放大倍数为117倍，接近设计倍数（120）输出波形频率接近1Hz

如图4.2.2是第二级放大电路的输出：

图4.2.2

由波形可得第二级放大倍数为2倍左右，符合设计倍数

（2）输出波形频率接近1Hz

如图4.2.3是参考电压波形图，可以看出参考电压在2V左右

图4.2.3

如图4.2.4是单稳触发器输出电平（高电平4V左右，低电平接近0V）

图4.2.4

如图4.2.5是已经搭建完成并调试成功的系统电路图：

在调试过程中我是用笔帽盖住光敏电阻，模拟出黑夜的环境，当我的手从PIR上方或者周围经过时，LED灯点亮，手离开大约10秒后LED灯熄灭，在LED点亮时拿开笔帽，LED灯熄灭，基本完成了实验要求。

5.1电路搭建方面总结：

电路搭建用电阻时一定要确认阻值，不然在后期调试纠错时将遇到巨大的问题，而且十分难以发现，这是比联线错误更加隐匿的错误。

第二，在电路连接时，最后把接电源的线与地线分别用两种颜色的线（红和黑），部电路连接可以每一部分用一种颜色，这样电路结构就十分清晰，也便于后期的调试与纠错；

5.2电路调试方面总结：

电路调试要分模块，从电路结构入手，如果系统的结果与预期相差甚远，则分模块入手，从前到后，一处输出就可以有一处调测，这样能很精确地判断错误所在，另外应当充分利用实验仪器，例如示波器。

5.3实验结论：

根据实验原本提供的电路图和原理简述，并结合实验的要求，我通过计算得到了具体电阻、电容的参数值，然后通过仿真，电路搭建与调试完成了本实验的电路，并实现了所要求的基本功能。

5.4心得体会：

（1）关于选题，选择自己感兴趣的题目，因为一个感兴趣的问题将是做实验源源不断的动力。

尽管红外感应灯自动控制电路不像其他题目在网上有大量的资料，大部分问题还需要靠自己摸索，但是因为对红外感应自动控制这样一个实用电路感兴趣，也觉得与自己的学院能挂上关系，毕竟与光同行！

然后能静下心来，一步一步自己摸索出来。

（2）关于操作，必须要提的是电路首先需要按照设计图正确的搭出来，当实验出不来的时候，检查了半天发现是某一个管脚接错或者电阻阻值用错，是非常懊恼的，这样的低级错误既伤神又耗时间，所以第一步是要把电路搭对了。

（真的是有血的教训）

（3）关于调试，电脑仿真和实际电路还是有一定的区别的，仿真能出来，实际模拟电路不一定出的来，这样就需要静下心来，仔细分析问题产生的原因，一级一级的检查。

（4）关于交流，遇到暂时无法解决的问题，要及时与别人沟通请教。

及时的沟通可以加快实验的进程，也便于弄清楚一些复杂的实验问题。

6.1.1热释红外感应传感器PIR:

工作原理：

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涅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，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。

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。

这种由于热变化而产生的电极化现象称为热释电效应。

菲涅尔透镜：

根据菲涅尔原理制成，菲涅尔透镜分为折射式和反射式两种形式，其作用一是聚用，将热释的红外信号折射（反射）在PIR上；

二是将检测区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。

使热释电人体红外传感器（PIR）灵敏度大大增加。

模块参数：

1.工作电压：

DC5V至20V

2.静态功耗：

65微安

3.电平输出：

高3.3V，低0V

4.延时时间：

可调（0.3秒~18秒）

5.封锁时间：

0.2秒

模块特性：

1、这种探头是以探测人体辐射为目标的。

所以热释电元件对波长为10UM左右的红外辐射必须非常敏感。

2、为了仅仅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尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。

3、被动红外探头，其传感器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。

4、一旦人侵入探测区域，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，经信号处理而报警。

5、菲涅尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。

6.1.2集成运放LM358

LM358引脚图

LM358简介

LM358是双运算放大器。

部包括有两个独立的、高增益、部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作.

LM358特性

直流电压增益高（约100dB）。

单位增益频带宽（约1MHz）。

电源电压围宽：

单电源（3—30V）；

双电源（±

1.5一±

15V）。

低功耗电流，适合于电池供电。

低输入失调电压和失调电流。

共模输入电压围宽，包括接地。

差模输入电压围宽，等于电源电压围。

输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V）。

LM358参数

输入偏置电流45nA

输入失调电流50nA

输入失调电压2.9mV

输入共模电压最大值VCC~1.5V

共模抑制比80dB

电源抑制比100dB

6.1.3光敏电阻

光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的

强弱而改变的电阻器。

主要用于光的测量、光的控制、和光电转换。

如图：

光敏电阻器都制成薄片结构，以便能够吸收更多的光能。

该类电阻器的特点是入射光越强，电阻值就越小，入射光越弱，电阻值就越大。

如声控灯中采用了光敏电阻器作为白天控制灯光的装置。

结构：

通常由光敏层、玻璃基片（或树枝防潮膜）和电极等组成的。

特性：

光敏电阻器是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感，它的电阻值能随着外界光照强弱（明暗）变化而变化。

它在无光照射时，成高阻状态；

当有光照射时，其电阻值迅速减小。

6.1.4NE555定时器

555集成时基电路称为集成定时器，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，其应用十分广泛。

该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。

它的部电压标准使用了三个5K的电阻，故取名555电路。

其电路类型有双极型和CMOS型两大类，两者的工作原理和结构相似。

几乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是555或556；

所有的CMOS产品型号最后四位数码都是7555或7556，两者的逻辑功能和引脚排列完全相同，易于互换。

555和7555是单定时器，556和7556是双定时器。

双极型的电压是+5V~+15V，输出的最大电流可达200mA，CMOS型的电源电压是+3V~+18V。

555定时器部框图

555电路的部电路方框图所示。

它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为

和

。

A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。

当输入信号输入并超过

时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；

当输入信号自2脚输入并低于

时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。

是复位端，当其为0时，555输出低电平。

平时该端开路或接VCC。

Vc是控制电压端（5脚），平时输出

作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。

T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。

6.2实验仪器

（1）直流稳压电源；

（2）双路示波器；

（3）函数发生器；

（4）万用表。

第七章参考书籍及资料

[1]宝玲，《电子电路基础》，高等教育；

[2]凌霄、晓磊，《电子电路测量与设计实验》，邮电大学；

[3]部分元件的参数与原理来源于XX百科。