红外线人体感应开关的设计.docx

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红外线人体感应开关的设计

毕业设计（论文）报告

题目红外线人体感应开关的设计

系别

专业

班级

学生姓名

学号

指导教师

2013年4月

红外线人体感应开关的设计

摘要：

利用热释电红外探头并对探头接收到的微弱信号加以放大，然后驱动继电器，可以制成热释电人体感应开关。

人体发射的红外线经过菲涅尔滤光片增强后聚集到采用热释电元件制成的红外感应源上，感应头在接收到人体红外辐射温度发生变化时失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经集成电路IC检验处理后即可产生报警信号。

并且加了感光元件来控制电路工作的环境，在光照强度很弱的的环境下，在距离感应开关4-5m的地方，有人体经过时感应源接收到人体发射的红外线信号，电路接通并点亮照明用具，持续30s左右熄灭，人体再次有动作后发射红外线，则再次点亮。

结果表明，在光照条件满足时，这种开关可以便捷的停启，美中不足的是，感应头一经遮挡就无法正常工作。

人体感应开关的应用，对便捷环保的生活有着诸多意义，可以应用到很多公共或者家居生活中，是一项有意义的研究。

关键词：

热释电、感应头、菲涅尔透镜、红外线。

Thedesignofinductionswitchwithinfraredray

ofhumanbody

Abstract：

Byusingthepyroelectricinfraredsensorandthesensorreceivestheweaksignalamplification,thendrivetherelay,soitcanbemadeintopyroelectricbodyinductionswitch.Thehumanbodyinfraredemissionenhancedbyfresnelopticalfilterandthengathertotheinfraredinductionsourcethatmadeofpyroelectricelement.Whentheinductionheadreceivestheinfraredradiationhumanbodytemperaturechanges,itwilllosechargebalance.Andtoreleasethecharge.Thefollow-upcircuitaftertheinspectionprocessbytheintegratedcircuitICcanproducealarmsignal.Italsoincreasethesensortocontrolthecircuitworkingenvironment.Inthelightintensityisveryweakenvironment,whenpassingbyahumanbodyin4-5metersinductionswitchplaces.Sensingtheirsignalsourcetoreceivethehumanbody,thencircuitconnectedandlightinglightingappliances.Itwilllastabout30seconds.Whenhumanactionagainandthengiveoffinfrared.Andlampsarelitagain.Itturnedoutthatwhentheilluminationconditionismet,theswitchcanbeconvenienttorev.Flyintheointmentisthatifbscuredinductionheaditcannotworknormally。

Applicationofthehumanbodyinductionswitchhavemanysignificanceofconvenientgreentolife.Anditcanalsobeappliedtomanypublicorlivinginthelife.Isameaningfulstudy.

KeyWords:

pyroelectricity，inductivehead，resnellens，infrared

前言

随着现代化的发展，工业、农业、商业、教育等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。

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。

开关在自动照明系统中是一个重要的组成部分。

目前传统的按键式和拉线式开关仍然是照明开关的主体，凭借其较为简单的结构、低廉的售价和方便的安装使用方法，牢固地占领着市场。

然而，现代电子技术的发展和人们对生活质量的需求变化，已使传统的开关感受到产品更新换代的威胁。

特别是电能的大量浪费，按照国标，优质灯泡在正常使用情况下，平均寿命在壹千小时左右，而普通灯泡则更短。

如果走廊是夜间常明灯，每年除灯泡损耗费用外还要有一百多度电的损耗，加上更换灯泡等人工费用，每年每个灯消耗近百元，这不仅浪费大量能源，而且由于频繁更换灯泡造成维修工作量加大，有时有些场所走廊由于无人及时维修管理，许多楼梯晚上漆黑一片，给人们生活带来许多不便，因此人们越来越关注其他有效的照明灯开关方式，国家的有关规范及标准也不断的加强，最新发布的《住宅建筑设计规范》中明确规定，住宅公共部分应设人工照明，除高层住宅的电梯厅和应急照明外，均应采用节能自熄开关。

第一章简述

1.1照明开关的发展过程

在远古时代，人类利用自然光源，太阳给了人类及所有生物生存的机会，但对于夜晚人类却无能为力。

接着聪明的人类发现了火,用火照明应该是人类照明史上的里程碑。

中外历史上蜡烛都起了重要作用,陪伴人类度过慢慢数千年,直到天才发明家爱迪生在照明史上添上精彩的一笔。

电灯无疑已经成为现代生活中不可或缺的商品。

目前传统的按键式和拉线式开关仍然是照明开关的主体,传统照明单控电路特点：

a）控制开关直接在负载回路中；

b）当负载较大时，需相应增大控制开关的容量；

c）当开关离负载较远时，大截面电缆用量增加；

d）只能实现简单的开关功能；

e）传统控制采用手动开关，必须一路一路地开或者关；

f）传统控制对照明的管理是人为化的管理。

传统的照明系统结构简单、售价低廉和安装使用方便，一直是照明灯具市场的主角，随着技术的进步，人民生活水平的提高，这种灯暴露出来许多不足：

其一,由于是手动开关,人们在一片漆黑中不得不摸索电灯开关,给人们生活带来很多不便。

其二,电能浪费严重，特别是在学校，工厂等集体生活的地方，照明灯经常在光线充足的白天也工作，这不仅浪费电能，而且也造成灯泡常被烧坏，若不能及时修理又会产生其他不方便。

其三，电子技术，自动控制技术，传感器技术的快速发展使人们越来越倾向于照明设备的自动控制。

1.2现代照明开关

现代电子技术的发展和人们对生活质量的需求变化，已使传统的开关感受到产品更新换代的威胁。

目前传统的按键式和拉线式开关仍然是照明开关的主体，但自从人们发现了无线电波，就开始用无线电来遥控了。

航空爱好者用无线电收发装置来操纵模型飞机，舰模爱好者用无线电来操纵模型舰艇。

声音、超声波、无线电波都可以用作传递信号的媒体，传递命令，实现远距离操纵。

这些方法在一定程度上节省了电能。

针对问题，市场上的照明开关也是层出不穷，主要有声光控开关、触摸式延时开关、红外开关，感应式开关等、经过多年的使用，就对其特点、价格、性能、市场品牌、使用效果、安装、寿命等进行了比较，其中触摸式、声光控在各方面表现非常一般，而红外开关，感应式开关却表现优异。

走廊里的声控电灯是一种遥控装置。

当人们走路的声音，说话的声音传到灯头上的声控开关时，电路就被自动接通了。

当然，声控开关旁边还要有个延时开关，就是使电路只能接通几分钟，然后再自然地断掉。

这样既可以省电，又可以延长电灯的寿命。

声控电灯，只有一个命令：

接通！

这很简单。

但其品种多，市场较乱，价格从几元到二十多元不等，由于声控本身感应元器件属于机械式，所以易受机械疲劳影响，很难克服初装时灵敏度较好而后期灵敏度低形象。

因此，声光控开关在使用的后期，只有靠人为制造噪声才能触发，如想要灯亮需要大声咳嗽，或跺脚这显然打扰了别人的安静，特别是夜间往往影响睡觉的人。

另外声光控易响应于自然界所有较大声响（如雷声、汽车喇叭声、汽车经过时发动机声、装修房间的电钻声、开关防盗门声等），误动作较多。

有的住户在房屋装修时就对开关有很大影响，人未住进就有开关损坏。

由于部分价低质劣的声光控开关混入市场，给用户造成电子开关都寿命短，都不可靠的印象。

而触摸式除了易受损坏，不安全外，还有传染病菌的弊病，很难在公关场所应用，特别是在医院这样人员复杂的场所。

因此要真正用好自熄开关，改善人们居住条件，必须要在市场中寻求真正高效节电，方便照明，性能稳定，经久耐用，价格合理的产品来实现人来灯亮，人离灯灭，白天不亮这一基本功能。

纵观照明控制技术的发展，从原始的开关控制到接触器继电器控制，发展到PLC控制；随着计算机及网络的飞速发展，照明控制也跟随着一起发展。

在实际工程案例中出现了集散型控制系统和现场总线控制系统，尤其是近几年，国内外陆续开发出专业性强的智能型照明控制系统。

例如：

奇胜C-BUS智能照明控制系统，澳洲邦奇智能照明，美国路创智能照明系统；还有些像索恩、飞利浦等专业照明公司也推出自己的智能照明控制系统；国内也有很多智能照明的厂家，推出智能家居、智能小区、智能办公室、智能楼宇等专业控制系统。

现代建筑中的照明不仅要求能为人们的工作、学习、生活提供良好的视察条件，能利用灯具造型和光色协调营造出具有一定风格和美感的室内环境以满足人们和心理和生理要求，而且还要考虑到管理智能化和操作简单化以及灵活适应未来照明布局和控制方式变更要求。

一个优秀的智能照明系统有仅可以提升照明环境的品质，还必须做到充分利用和节约能源。

1.3热释电红外感应开关

用热释电红外探头并对探头接收到的微弱信号加以放大，然后驱动继电器，可以制成热释电人体感应开关。

它可应用于电灯的节能自动开关、自动门、安全防护、防盗等设备中。

人体会发射特定波长红外线.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，人体都有恒定的体温，一般在37度，会发射10um左右的特定波长红外线，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。

第二章照明系统总体设计

2.1建筑物自控系统与传统照明系统的特点

传统照明控制系统比如说，以前的工厂、公司、学校等，是人为控制的，是以照明配电箱通过手动开关来控制照明灯具的通断，或通过回路中串入接触器，实现远距离控制。

传统的照明电路只是为灯提供一定的电压使其发光，这种灯只，具有很大弊端，特别是在一些集体工作地。

而今出现的建筑物设备自控（BA）系统，是以电气触点来实现区域控制、定时通断、中央监控等功能。

2.2建筑物自控系统

建筑物设备自控系统（BuildingAutomationSystem——BAS）,又称楼宇自动化控制系统或建筑设备控制管理系统，它采用现代传感技术、计算机技术和通讯技术对建筑物内所有机电设施进行自动控制和管理。

主要是建筑物的变配电设备、应急备用电源设备、蓄水池、不停电源设备等监视、测量和照明设备的监控；给排水系统的给排水设备、饮水设备及污水处理设备等运行、工况的监视、测量与控制；空调系统的次热源设备、空调设备、通风设备及环境检测设备等运行工况的监视、测量与控制；热力系统的热源设备等运行工况的监视；以及对电梯、自动扶梯设备运行工况的监视。

通过BAS实现对建筑物内机电设备的控制与管理，节约能源和人力资源，提供午夜管理水平，创造更舒适、安全的环境。

2.2.1建筑物自动化系统的功能

a.整体功能，建筑物自动化系统的整体功能包括：

①对建筑物设备实现以最佳控制为中心的过程控制自动化；

　　　　②以运行状态检测和计量为中心的设备管理自动化；

　　　　③以安全状态监测为中心的防灾自动化；

　　　　④以节能运行为中心的能源管理自动化。

b.数据处理功能，建筑物自动化系统可以提供的数据处理功能有：

①模拟量测量；

　　　　②设备故障监测报告；

　　　　③运行时间累加；

　　　　④数据计算；

　　　　⑤设备状态。

c.实用功能，建筑物自动化系统的实用功能包括：

①创造安全可靠的生产条件；

　　　　②创造舒适宜人的环境；

　　　　③节省人工及提高管理的效率；

　　　　④减少建筑物能源消耗；

　　　　⑤提供更高的服务和便利。

2.2.2建筑物自动化系统的组成

建筑物自动化系统实际上是一个应用于建筑物的自动控制系统。

在智能建筑中的自动控制系统就是用机械电子或电子零配件组成的自动控制系统，对建筑设备进行控制，使建筑物的室温或照明等达到人们的要求。

　　一般自动控制系统由传感器、自动控制器和执行器构成。

传感器就像人的眼睛、耳朵或鼻子，可以对环境情况进行感觉；自动控制器（调节器）如同人的大脑进行比较和判断；执行器如同人的手足执行动作。

例如，自动控制系统通过将实际室内温度和期望温度的比较，来进行调节控制以使其差别减小。

建筑物自动化系统的主要组成部件位传感器、执行器、控制分站、中央站、管理（监控）中心。

2.2.3建筑物自动化系统网络构成

分布式控制系统是多控制器系统，又称集散系统（TDS）。

各种设备采用分站（单元控制器）控制，各控制器接成网络，有两层或三层网络结构的集散系统。

分站进行实时控制及调节，中央站进行监控管理。

若中央站停止工作，不影响分站工作，网络通讯也不会中断。

分站设在受控受控对象系统附近，以微机实现监控功能，可与中央站通讯。

分站之间也可实行通信，使网络上的微机可以实现资源（硬件设备、软件、信息）共享。

分级分布式和全分布式结构都是网络结构。

网络结构应能满足集中监控需要，尽量减少故障波及面，实现危险分散、减少投资、易于扩展。

目前大部分自动控制是这种结构，其特点是：

①节省人力：

通过集中管理控制，简化操作及培训维护等；

　　②节能：

通过集中管理控制，合理调度负荷；

　　③灵活的控制；

　　④设备共用：

如某些传感器可以用在多种控制用途。

　　建筑物自动化系统的网络结构有单层、两层和三层三种，网络分别有管理、控制、现场设备三层网络层，各网络层功能如下：

　　①管理网络层应完成系统集中控制和各种系统集成；

　　②控制网络层应完成建筑设备的自动监控；

　　③现场设备管理层应完成末端设备控制和现场仪表设备的信息采集和处理；

　　不同的网络结构均应满足分布式系统集成监控操作和分散采集控制（分散危险）的原则

2.3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，如图2-2所示。

图2.2红外感应开关电路图

PIR感应信号经滤波进入芯片内部进行放大，与基准电压比较,如果判断有触发，运放输出高电平。

这时候计时检测电路开始计时，计满一定内部时钟周期，跳变为高（可避免误触发）。

图2.2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。

图2.2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

；触发封锁时间Ti由外部的R10和C6的大小调整，值为Ti≈24xR10C6。

图2.2中，R6可以调节放大器增益的大小，原厂图纸选10K，实际使用时可以用3K，可以提高电路增益改善电路性能。

输出延迟时间Tx由外部的R9和C7的大小调整，触发封锁时间Ti由外部的R10和C6的大小调整，R9/R10可以用470欧姆，C6/C7可以选0.1U。

试验时要在暗室里进行，在距离感应头2-3m的地方身体有动作时，等会被点亮，持续一定时间后会自动熄灭，可以通过调节R9和C7的大小来改变延时时间。

第三章热释电红外感应开关系统

热释电红外感应开关系统包括传感器、集成控制电路、MOSFET管等组成。

3.1热释电红外传感器与应用

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。

其中红光的波长范围为0.62～0.76μm；紫光的波长范围为0.38～0.46μm。

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。

红外线简介，其波长比可见光长的电磁波，波长在1毫米到770纳米之间，在光谱上位于红色光外侧。

具有很强热效应，并易于被物体吸收，通常被作为热源。

透过云雾能力比可见光强。

在通讯、探测、医疗等方面有广泛的用途。

俗称红外光。

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。

它正在被广泛的应用到各种自动化控制装置中。

除了在我们熟知的搂道自动开关、防盗报警上得到应用外，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。

结合摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等。

3.1.1热释电人体红外线传感器的基本结构和原理

最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件，红外传感器就是其中的一种。

随着现代科学技术的发展，红外线传感器的应用已经非常广泛，下面结合几个实例，简单介绍一下人体热释电红外传感器和应用。

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，电后续电路经检验处理后即可产生报警信号。

热释电人体红外线传感器（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。

热释电效应同压电效应类似，是指由于温度的变化而引起晶体表面荷电的现象。

热释电传感器是对温度敏感的传感器。

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。

1）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，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。

通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。

当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度，图3.1表示了热释电效应形成的原理。

能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件，其常用的材料有单晶（LiTaO3等）、压电陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）。

图3.1热释电效应的形成原理图

热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。

它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当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会产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生一微弱电压ΔV。

由于它的输出阻抗极高，所以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会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，ΔT=0，传感器无输出。

当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有信号输出；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，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。

热释电红外传感器的结构及内部电路见图3.2所示。

传感器主要有外壳、滤光片、热释电元件PZT、场效应管FET等组成。

其中，滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。

滤光片为6mm多层膜干涉滤光片，对太阳光和荧光灯光的短波长（约5mm以下）可很好滤除。

热释电元件PZT将波长在8mm-12mm之间的红外信号的微弱变化转变为电信号，为了只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耳滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。

图3.2热释电红外传感器的结构及内部电路图

对不同的传感器来说，敏感单元的制造材料有所不同。

如，SD02的敏感单元由锆钛酸铅制成；P2288由