红外感应设计Word下载.docx
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常用的自动照明控制主要是利用人体经过热释电红外传感器时，所造成的红外线的变化被红外传感器接收到并转换成一定的电信号，而利用该电信号就可实现照明控制。
由于热释电红外传感器只能对红外线的变化作出反应，即它只对物体的运动敏感，这就决定了它在走廊楼道的自动照明控制中具有广泛的应用。
在日常生活中，红外自动感应灯的应用相当广泛，比如，家庭楼道、小区、酒店、航天等地方，经常需要用到红外自动感应灯，对于一些地方，比如仓库，储藏室地方等地方，红外感应灯不仅仅应用于照明，还起到一个预警的作用[1]。
在常规的环境参数中，人体感应是最难进行探测的一个参数，过去用光敏电阻或红外探测管来探测人体的方法，早已无法满足现代科技发展的需要。
这是因为红外探测比红外测量要复杂的多，红外测量是个独立的被测量，而人体探测却受到其他因素的影响，红外探测与大气压强，温度呈一定规律的函数关系。
因此，用常规的方法进行人体红外探测的误差可达5%~10%。
此外，人体红外探测的校准也是一个难题，光敏电阻等传统方法不能用做标定，这是因为标定后的精度无法保证，人体感应的标定对环境条件要求十分严格。
如何去除环境的影响，将人体红外信号有效地检测出来将成为一个值得研究的话题。
就目前而言，利用热释电红外传感器对运动物体探测原理的走廊楼道自动照明控制系统已经得到了广泛的应用，其主要功能是：
当传感器探测到有人经过，则控制照明灯开启，延时一段时间后再控制照明灯关闭，既实现了自动控制又不会造成电力浪费，是对传统的手动开关、手动的延时开关的改进[2]。
本设计将热释电红外传感器用于卫生间智能化照明系统将具有同样的效果，比声控开关更简便，不需要人有意识的发出任何动作就可以实现自动控制。
因热释电红外传感器仅对人体释放的、特定波长的红外光最敏感，因而误动作极小。
将其作为探测器不需要外界提供能量，因为探测器本身不发出任何形式的能量，只是靠接收人体发出的红外线能量变化来完成非接触探测目的。
红外线是不可见光，这样就可以在环境不发生任何变化的情况下有效的利用了资源和节约了能量。
将热释电红外传感器用于卫生间智能化照明系统具有如下优点：
（1）不需要用红外线或电磁波等发射源
（2）灵敏度高、控制范围大
（3）隐蔽性好、可流动安装
1.2课题分析
此类设计的要点在于对红外线信号的放大及处理，尤其是从系统的稳定性上下功夫，运放用作放大电路已为电子设计师所常用，因为其放大倍数完全可以通过反馈量的大小来进行调节[3]，同时外围电路非常简单，性能也较好，但是作为放大从传感器接收下来的人体红外信号时，由于传感器易受热噪声的影响[4]，放大器放大倍数的选择是一大难点，也是本设计成功与否的关键所在，选大了，无法关断所控制的照明灯，选小了，又检测不到人体发出的红外线信号。
另外，前级的放大倍数与干扰比较电路的参数选择应配合起来，如何区分是热噪声信号还是有效的人体信号，另一方面还取决于对比较器参考电压的选择，至于延时部分的选择相对来说比较简单，只要前面部分的工作可靠了，一般后续电路就较为容易实现了。
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，所以采用它不用担心角度问题。
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。
这是将红外传感器用于检测电路的基础，否则，后续电路将无法工作。
在此基础上，如上所述，放大电路进一步将信号放大后才能驱动控制电路。
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2米左右，为了增加探测距离，需要在红外探头前加一菲涅尔透镜，采用菲涅尔透镜后可使有效检测距离达12米左右，传感器的灵敏度提高10倍以上，
白天在有光照的情况下，卫生间不需要开启灯光照明，考虑到阴天，有时光线特别暗的情况下就需要照明，正对此种情况，可利用光敏电阻组值随光照发生变化的特性将其用于电路中，这样就可以在需要的时候自动开启卫生间的照明灯，从而实现了卫生间智能化照明系统的节能与智能控制方式。
1.3智能化照明系统发展状况
在当今世界经济全球化和区域经济一体化的形式下，随着信息行业和计算机产业的高速发展、人们物质与精神生活水平的迅速提高，人们对工作和生活环境的灵活性、高效性和舒适性要求越来越高，传统的工作、居住环境受到了强有力地挑战，智能建筑，智能小区，智能家居等应运而生，楼宇自动化（BA）、通信自动化（CA）、办公自动化（OA）、家庭自动化（HA）等各种自动化系统不断出现，人们对照明的要求也越来越高，传统的照明技术受到了时代的强烈冲击，现代照明技术发生了深刻的变化，“智能照明”技术随之出现，并迅速地向前发展，以致形成照明技术发展的几个重要阶段。
（1）传统控制方式照明阶段
照明控制可分为开关控制和调光控制，调光控制又包括连续的调光控制（被控光源的光通量可连续的变化）和不连续的调光控制（被控光源的光通量只能在若干固定的预设值之间变化）。
按发光原理划分，照明光源通常可分为热辐射光源和气体放电光源，其典型的光源分别为白炽灯和荧光灯。
热辐射光源，即利用电能使物体加热到白炽程度而发光的光源;
气体放电光源，即利用气体或蒸气的放电而发光的光源。
对于热辐射光源来说，既可以实现开关控制，也可以实现调光控制，只需要调节供给光源的供电电压即可调节光通量的输出。
而对气体放电光源来说，实现调光控制并非那么简单，不能简单的控制供给光源的供电电压，这类光源都有镇流器，220V工频电压经过整流器后再给光源供电，要实现调光控制，必须研制适应具体气体放电光源的匹配镇流器。
通过控制镇流器的输出电压的频率和电压来调节光源的光通量输出
自爱迪生发明第一个灯泡开始，传统照明控制方式就己经产生，这种控制方式多以手动控制为主。
常见的有以下几种:
其一，利用设置在灯具配电回路中的开关（配电回路中的保护开关或手动开关等）来控制配电回路的通断，从而实现灯具开关控制;
其二，利用设置在灯具配电回路中的手动旋钮（传统调光控制柜和灯光控制台等）调节供电回路的电气参数（主要是电压、电流、频率等），从而实现灯光的明暗调节，即调光控制〔其原理如图1-1所示〕。
图1-1传统照明控制方式原理图
传统方式对照明控制而言，简单，有效，直观。
但它过多依赖控制者的个人能力，控制相对分散和无法有效管理，其实时性和自动化程度太低。
图1-2自动照明控制方式
（2）自动控制方式照明阶段
这种控制方式利用数字控制技术来遥控灯具的开关。
通常是控制中心发出信号，通过直接数字控制器（DDC）来控制配电回路中的交流接触器的分合，从而控制配电回路的通断，实现灯具开关控制。
采用该种方式，解决了传统方式控制相对分散和无法有效管理等问题，实现了照明控制的自动化但却无法实现调光控制功能。
其控制原理如图1-2所示。
自动照明控制方式与传统照明控制方式相比，主要解决的问题是集中控制的问题，自动化程度相对提高，但由于DDC系统本身固有的技术特点，使得DDC在照明控制系统中表现出明显不足，不仅无法实现调光控制，而且也很难实现灯光场景等预设置和场景管理等功能。
DDC系统的主要优点是易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制时间的选择上可以统一调度安排。
不足的是，对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统任务量增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。
尽管集散控制系统（DCS）逐步取代DDC系统，而且实现了分散控制与集中管理功能，但对于底层的设备来说，仍然是传统的DDC技术，唯有把现场总线技术应用到现场设备级管理后，这个问题才能得到根本性解决。
（3）智能控制系统照明阶段
二十一世纪是一个网络化时代，数字控制技术不断提高，网络化管理正逐渐渗透至各种传统控制系统中。
进入二十世纪后，随着人民生活水平不断提高，人们对照明的要求也发生了很大的改变。
尤其在一些中高档的建筑中，照明不再单纯地为满足人们视觉上的明暗效果，更应具备多种的控制方案，使建筑物更加生动，艺术性更强，给人丰富的视觉效果和美感。
二十世纪90年代初，智能建筑己不再简单地等同于楼宇设备自动管理。
在一些建筑物中的重要场所，简单地开关控制己无法满足要求。
人们开始追求多样化的照明控制方式，使环境能体现出多种艺术效果。
智能照明控制方式使照明自动控制不再依赖于楼宇设备自动管理系统，真正实现了照明控制的独立。
同时该方式不仅具备开关灯控制，而且还能对光源进行调光控制。
它是一个集多种照明控制方式、现代化数字控制技术和网络技术于一身的控制系统。
它的出现和发展，使照明控制和维护管理变得更为简单，并为建筑照明提供了多种艺术效果。
智能照明控制系统被越来越广泛地接受和使用，这类产品和生产商更是层出不穷。
正确的照明控制方式是实现照明艺术性和舒适性的有效手段，是节约能源的有效措施。
绿色照明是指所用照明产品高效率、长寿命、节电、节能、低噪音、低谐波、低电磁干扰。
在照明设计中，合理和正确地选用照明控制方式，不仅是经济性和实用性的良好统一，也是一个实现“绿色照明”的重要环节。
1.3.1智能化照明系统发展动态
随着照明的不断发展，照明控制系统已从传统控制方式发展到智能控制系统，目前，纵观国内外研究开发的智能照明控制系统，按其通信介质主要有总线型、电力线载波型、无线网络型等。
按照网络的拓扑结构可以分为集中式或分布式。
智能化照明系统依赖于信息技术的发展及人民生活水平和文化水平的提高。
随着微处理器和网络技术的普及，国外于八十年代提出了智能化照明的基本框架；
以建筑物内的数字通信设施为核心，配置面向商务用户的安防系统和资源控制系统，并逐渐增加了计算机网络和相应设施，出现了商住融合的概念。
九十年代以后，互联网的普及和电子商务的应用导致了信息社会的实用阶段，并形成了大规模的信息基础建设和电子政务的实施，形成了有利于数字社区建设的良好的外部环境。
智能化照明不仅有了坚实的技术基础，并已进入了规范性发展的实用阶段。
（1）智能化照明系统进一步加强了网络的功能。
通过完备的网络可以实现社区机电设备和家庭电器的自动化智能化远程监控，实现一体化、联动安防系统的自动化、智能化监控。
（2）智能照明应用现代数字技术，包括现代传感技术，信号与处理技术、电子技术、计算机技术、和网络技术，加快了信息传播的速度，提高了信息采集、传播、处理、显示的性能，增强了安全性。
（3）提高了智能系统的集成程度，实现了信息和资源的充分共享，提高了系统的优化程度。
随着生活水平的提高，居住小区正朝着节能、环保、生态化方向发展。
智能化系统作为其必备的组成部分，在其中担负着重要作用，成为其智慧核心。
1.3.2红外传感器原理及其在智能化照明系统中的应用状况
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、半导体技术和新型材料的迅速发展，生产成本不断下降，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。
近年来，伴随着集成电路技术的飞速发展，以及对该传感器的特性的深入研究，相关的专用集成电路处理技术也迅速增长。
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。
除了在我们熟知的楼道自动开关、防盗报警上得到应用外[5]，在更多的领域应用前景看好。
比如：
在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机。
电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的机构。
开启监视器或自动门铃上的应用[6]。
结合摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等等……设计人员完全可以结合其它电路，充分发挥自己的思维，开发出更加优秀的新产品或自动化控制装置。
1.4课题任务和研究内容
1.4.1课题任务
1）查阅红外线控制方面的相关资料，了解此方面的发展状况；
2）掌握热释电传感器的工作原理及使用方法；
3）掌握运放电路组成的放大电路及脉冲整型电路工作原理；
4）考虑抗干扰措施；
5）设计、实现该系统；
1.4.2研究内容
本课题主要研究红外传感器在照明领域中的应用，其关键技术在于体现其智能化照明。
研究如何在照明电路中，增加红外感应对电路的控制。
研究如何处理传感器的输出信号及如何利用放大电路将传感器输出的微弱信号放大到可以输出的有效控制信号。
为了保证电路可靠工作，要设置适当的增益；
热释电传感器输出的探测信号十分微弱，要使这种信号控制一个电路，必须要将其放大60~70dB，而且使用的放大器必须要限制在一定的带宽内，以防止噪声对它的干扰。
对热释电红外传感器的噪声特性进行分析，考虑抗干扰措施；
分析如何消除环境温度造成的探测误差，并研究基于红外传感器的卫生间智能化照明系统的气候防护及实现智能照明与节能问题，以达到高效、环保的目的。
1.5论文的研究方法
任何一个复杂的问题都是从最简单的方面着手，循序渐进，才能突破一个复杂的系统。
本课题的设计首先将从热释电红外传感器着手。
传感器作为感受被测量信息的器件，希望它能够按照一定的规律输出有用信号。
因此，需要研究其输出-输入关系及特性，以便用理论指导其设计、制造、校准与使用。
其次，确定总体设计方案，分析智能化照明系统主要由哪几个模块组成，拟定系统总体设计框架；
然后再从具体模块着手，分析每个模块的功能及其基本组成和工作原理，需要对每个模块进行细致入微的分析，不能遗留问题。
否则，整个电路可能无法正常工作，因为这一步是对系统基本框架的各个组成的具体实施，所以一定要认真完成各个模块的设计。
最后在深入了解基于红外传感器的一般原理和技术，智能照明系统的一般组成和关键技术，红外技术、传感器技术及红外传感器技术在照明系统方面的应用的基础上对电路的整体工作原理及可行性进行综合分析，还要考虑一些细节和特殊情况，使系统具有处理特殊情况的功能，完善电路。
在设计时应考虑多方面的因素，力求达到系统工作稳定、功能强大、控制灵敏的目的。
除此之外，为了确定系统能准确无误的执行既定的功能，最后对元器件进行调试。
1.6论文预期成果以及解决的关键问题
1.6.1预期成果
（1）设计出一个利用单片红外热释电传感器系统来进行人体探测的方法，将传感器检测到的信号经放大、整形、误差判别、延时处理等集于一体的系统来实现对照明灯开关的控制。
（2）通过对课题的分析，拟定设计方案、步骤，对系统总体进行详细的分析，设计出一种可行的方案，掌握一定的设计方法。
（3）对基于红外传感器的卫生间智能化照明系统的实现技术的一系列文档及研究论文。
1.6.2论文解决的关键问题
热释电红外传感器是目前在防盗报警、火灾检测、自动门、自动水龙头、自动电梯、自动照明及非接触温度测量等领域应用最广泛的传感器。
其原因为：
①被测对象自身发射红外线，可不必另设光源；
②大气对2～2.6um、3～5um、8～14um3个被被称为“大气窗口”的特定波段的红外线吸收甚少，可非常容易被检测；
③中、远红外线不受可见光影响，可不分昼夜进行检测。
所以将传感器用于卫生间照明具有很多优势，采用双元型热释电红外传感器将具有更多优点。
所谓双元件就是在一个传感器中有两个反向串联的敏感元件，其特点是：
①当入射能量顺序地射到两个元件上时，其输出要比但元件高一倍；
②由于两个元件逆向串联，对于同时输入的能量会相互抵消，可防止太阳或灯头等红外线引起误动作；
③可防止因环境温度变化引起的检测误差；
④常用的PZT敏感元件还具有压电效应，所以PZT敏感元件还可以消除因振动引起的检测误差。
通过以上对热释电红外传感器优越性的介绍我们知道，在智能化照明系统中选择热释电红外传感器可以使照明电路更简单，能实现自动控制。
其关键问题就是如何将热释电红外传感器应用与智能化照明系统中，经分析一个较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等单元。
[7]其中，放大器将传感器输出的微弱信号放大到便于测量的信号值，电压比较器起到鉴别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。
延时电路使人员有充分时间离开卫生间。
本设计涉及到还有一个比较关键性的问题就是：
如何将光敏电阻接入电路中，光敏电阻要控制开关，检测信号也要控制开关，如何才能把两者统一起来，及如何将光敏电阻与热释电红外传感器、放大器、电压比较器、延时电路及执行电路有效的结合起来。
所以就要分析电路，分析将光敏电阻接入电路的哪部分，怎样达到有效的控制作用。
2智能化照明系统的研究
2.1智能化照明系统
随着现代建筑科学技术的不断进步和发展，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）实现照明控制智能化。
采用智能照明控制系统，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。
例如，当一个工作日结束后，系统将自动进入晚上的工作状态，自动并极其缓慢地调暗各区域的灯光，同时系统的移动探测功能也将自动生效，将无人区域的灯自动关闭，并将有人区域的灯光调至最合适的亮度。
此外，还可以通过编程随意改变各区域的光照度，以适应各种场合的不同场景要求。
智能照明可将照度自动调整到工作最合适的水平。
例如，在靠近窗户等自然采光较好的场所，系统会很好地利用自然光照明，调节到最合适的水平。
当天气发生变化时，系统仍能自动将照度调节到最合适的水平。
总之，无论在什么场所或天气如何变化，系统均能保证室内照度维持在预先设定的水平。
（2）改善工作环境，提高工作效率。
传统照明系统中，配有传统镇流器的日光灯以100Hz的频率闪动，这种频闪使工作人员头脑发胀、眼睛疲劳，降低了工作效率。
而智能照明系统中的可调光电子镇流器则工作在很高频率（40~70kHz）不仅克服了频闪，而且消除了起辉时的亮度不稳定，在为人们提供健康、舒适环境的同时，也提高了工作效率。
（3）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。
（4）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。
2.2采用智能照明控制系统的重要性
智能照明控制系统是为了适应各种建筑的结构布局以及不同灯具的选配，从而实现照明的多样化控制。
现有的智能照明控制系统主要分为中央集中控制系统及分布式控制系统两种。
一个现代化的智能办公大楼，不仅要有足够的工作照明，更应营造一个舒适的视觉环境，使员工在其中工作保持心情舒畅，提高办公效率。
据国内外有关资料介绍，办公照明用电量约占整个大楼能耗的1/3。
因此，做好照明设计，选择合理的照明方案，配置先进的控制系统，加强照明控制设计，已成为智能办公楼的一个重要设计内容。
它不仅能有效节约能源，降低用户运行费用，还可提高大楼管理水准。
办公大楼按照功能区域划分，通常会有办公区、门厅、会议室、多功能厅等，各个功能区域的照明具有不同的特点。
办公区域照明使用的光源主要是荧光灯与白炽灯，其中荧光灯多用于一般照明，白炽灯多用于局部照明，照度水平的设计主要取决于视觉作业的需要及经济条件的状况。
办公区域的工作时间主要是在白天，可以考虑利用窗外入射的大量自然光进行照度补偿，不仅能节约能源，更能维持室内舒适的视觉环境。
对于一个完整的办公楼智能照明控制系统来说，办公区是办公楼的主要组成部分，采用智能照明控制系统，可使其照明系统工作在全自动状态。
通过配置的“智能时钟管理器”可预先设置若干基本工作状态，通常分为白天、晚上、清扫、安全、午饭等，根据预先设定的时间段可自动的在各种状态之间进行转换。
上班时间来临时，系统自动将灯打开，并将光照度自动调节在预先设定的水平。
在靠窗的房间，系统能智能地利用室外自然光，当天气晴朗，室内灯自动调暗；
天气阴暗，室内灯会自动调亮，以始终保持室内恒定的亮度。
午餐时间，灯将自动变换到一个舒适、柔和的灯光场景，使工作人员能够很好地休息和放松。
当一个工作日结束时，在智能时钟管理器的作用下，系统将自动地调暗各区域的灯光，进入晚上工作状态。
同时智能传感器的动静探测功能将自动生效。
系统处于清扫状态时，该区域的灯保持基本的亮度，当清扫人员扫到该区域时，智能传感器的动静探测功能自动生效，点亮该区域的灯，当清扫人员扫完该区域离开后，延时数分钟后将灯关掉。
安全状态和清扫状态的工作原理相似。
智能照明控制系统还能保证办公区域和公共区域协调的工作。
如：
办公区域有员工加班时，电梯厅、走廊等公共区域的灯就保持基本的亮度，只有当办公区域的人走完后，才将灯降低到安全状态或关掉，避免不必要的能源浪费。
从以上对智能照明控制系统的介绍，可以知道智能照明控制系统不仅可以满足和实现不同的灯光效果要求，实现照明的高层次智能管理，改善工作环境，提高工作效率，还可节约能源，延长灯具寿命，减少用户维护费用。
随着建筑和照明技术的进步，照明和建筑融为一体，照明已成为建筑艺术的一部分，让我们大家共同努力，将更多、更好的智能照明控制系统应用到智能建筑的设计中去，营造出艺术、智能化的光环境，赋建筑与生命。
基于红外传感器的卫生间智能化照明系统的设计就是利用动静探测功能来实现人来灯亮，人走灯灭的自动控制方式，从而实现节约能源，提高工作效率，延长灯具寿命，减少用户维护费用。
这种控制方式简单、成本低，省去了复杂的集成应用芯片，并可单独控制，不需要中央集中控制，后面将会介绍到，本电路还可实现根据光线明暗自动调节电路的功能。
2.3智能照明控制系统的优点
智能照明控制系统与传统照明控制系统相比，在控制方式、照明方式、管理方式以及节能方面等均有不少优点。
首先在控制方式和照明方式上，传统照明控制采用手动开关，只有开和关，而且只能一路一路地开和关。
而智能照明控制采用调光模块，通过灯光的调光在不同使用场合产生不同的灯光效果，营造出不同的舒适的视觉氛围。
在控制上采用低压二次小信号控制，控制方式多，功能强，范围广，自动化程度高。
其次，智能照明控制系统由于使用了自动化照明控制，智能利用光照以及通过网络，只需一台计算机就可对整个大楼的照明实现合理的能源管理自动化，不仅减少了不必要的耗电开支，同时也降低了用户的运行维护费用，在节能方面可比传统照明控制节电20%以上。
另外，在智能照明控制系统中，由于可通过系统人为地设置电压限制，可以避免或降低电网电压以及浪涌电压对灯具的冲击，从而起到保护灯具，延长灯具使用寿命的作用。
而更值得一提的是智能照明控制系统是一个开放式的系统，通过标准网络接口可方便地与BAS系统联接，实现智能大楼的计算机系统集成。
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