电工电子综合设计报告书管志成.docx
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电工电子综合设计报告书管志成
成绩
电工电子综合设计报告书
题目人体红外感应节能灯设计
院部名称机电工程学院
专业电气工程及其自动化
班级10电气工程及其自动化
（1）班
组长姓名管志成
学号1004103027
同组学生张爱娟、李明、董天宠
设计地点工科楼C210
设计学时2周
指导教师杭阿芳、赵国树、刘旭明、吴敏
金陵科技学院教务处制
一、设计任务和要求
电工电子综合设计的主要内容包括理论设计、安装与调试及写出设计总结报告等。
其中理论设计又包括选择总体方案、设计单元电路、选择元器件及计算参数等步骤,是课程设计的关键环节。
安装与调试是把理论付诸实践的过程,通过安装与调试,进一步完善电路,使之达到课题所要求的性能指标,使理论设计转变为实际产品。
课程设计的最后要求写出设计总结报告,把理论设计的内容、组装调试的过程及性能指标的测试结果进行全面的总结,把实践内容上升到理论的高度。
本次设计考核的能力主要有：
a）电工及电路分析，模拟电子技术，数字电子技术，大学物理等知识
b）项目设计与运作能力
c）团队协作能力
d）技术文档撰写能力
e）PPT汇报与口头表达能力
要求完成的工作量包括：
1）制作实际成品，并现场演示效果。
2）学生结合课题进行PPT演讲与答辩。
3）学生上交课题的设计技术文档。
二、设计思路
2.1方案流程图：
图1方案流程图
2.2具体方案描述：
本设计是一种基于红外传感技术的节电自动控制产品，当有人进入开关感应范围时，传感器探测到人体红外光谱的变化，开关自动接通负载，人离开后，开关延时一段时间自动关闭负载。
实现人来灯亮，人走自动延时灯灭，有效达到节电的效果。
使用方便快捷，安全可靠。
本电路主要元件有红外热释电传感器RE200B，红外热释电处理芯片BISS0001，光敏电阻，小型直流继电器以及一些电阻和电容。
主要工作流程如下：
（1）当外界光线比较暗时，光敏电阻的阻值较大，给红外热释电处理芯片一个高电平，使芯片处于允许工作状态；
（2）当有人经过时，人体发出的红外线被红外热释电传感器接收到，热释电传感器给热释电处理芯片一个上升沿的触发脉冲；
（3）热释电传感器给热释电处理芯片触发脉冲后，热释电处理芯片输出端输出高电平，驱动三极管使继电器动作，灯泡亮，并且输出端高电平的持续时间可以由热释电处理芯片的输出延时调节端所接的电阻和电容的值决定，延迟时间到，灯泡灭，以实现没有人的时候节能的效果。
三、电路原理
3.1电源模块：
电源模块由电源开关K、保险管、AC—DC适配器、集成稳压器和后级滤波器组成。
当输入220V交流电且开关K闭合时，输出一个稳定的直流电压，且稳定输出在一定范围内不受220V交流电网的波动和电子电路负载轻重的影响。
这里设计的电源模块主要问信号采集与处理等弱电模块供电，并且保持电压稳定可靠。
电路图如图2所示：
图2220V转5V电压转换电路
电
路原理：
图3原理流程图
首先是对220V的高压进行变压，变压器的具体的匝比要根据下级的电路来确定。
变压之后的电流仍然为交流，在通过整流电路后，变为脉冲直流。
滤波电路可以消除脉冲，但是输出的直流电压仍不稳定。
最后，通过稳压电路，使得电压的稳定性大大提高。
3.2信号采集模块：
信号采集模块主要由红外热释电传感器RE200B和光敏电阻组成。
光敏电阻用来感应外界光线的强弱，采集光线信号，只有当外界光线较弱时，光敏电阻的阻值较大，给红外热释电处理芯片的9脚一个高电平，让热释电处理芯片处于允许出发状态；
热释电红外传感器RE200B用来采集红外信号，即当有人接近传感器时，热释电传感器检测到人体所发出的红外线，会产生一个上升沿的触发信号送到热释电芯片的14脚；两个信号在被热释电芯片处理以后控制动作机构做出相应的动作。
图4信号采集模块
元件介绍：
热释电红外传感器RE200B
（1）热释电红外探测器的结构
热释电红外传感器的结构如图2所示，通常由热释电晶体、氧化膜、滤光镜片、结型场效应管FET和电阻等部分组成。
热释电晶体一般采用PZT或其他压电晶体材料，将敏感材料PZT的上、下表面做成电极，并在其上表面上加1层黑色氧化膜，以提高转换效率。
在管壳顶端装有滤光镜片，它可以阻止不需要的红外线或其他光线进入传感器。
防盗报警系统中的热释电传感器采用的滤光片厚度为8～14um，而人体辐射的红外线波长在10um左右，因此，该传感器能敏锐地探测到是否有人进入了禁区。
由于热释电传感器的输出阻抗极高，而输出电信号微弱，故在其内部装设场效应管（FET）及偏置电阻，以进行信号放大及阻抗匹配。
图5热释电红外传感器的结构
（3）热释电红外探测器的工作原理
热释电红外传感器内部的热释电晶体具有极化现象，并且随温度的变化而变化。
当恒定的红外辐射照射在探测器上时，热释电晶体温度不变，晶体对外呈电中性，探测器没有电信号输出，因而恒定的红外辐射不能被检测到。
当交变的红外线照射到晶体表面时，晶体温度迅速变化，这时才发生电荷的变化，从而形成一个明显的外电场，这种现象称为热释电效应。
由于热释电晶体输出的是电荷信号，不能直接使用，需要用电阻将其转换为电压形式，该电阻阻抗高达10000兆欧，故引入N沟道结型场效应管接成共漏形式（即源极跟随器）来完成阻抗变换。
报警电路中通常采用双探测元热释电红外传感器，其结构示意图如图2所示。
该传感器将两个特性相同的热释电晶体逆向串联，用来防止其他红外光引起传感器误动作。
另外，当环境温度改变时，两个晶体的参数会同时发生变化，这样可以相互抵消，避免出现检测误差。
该传感器使用时，D端接电源正极，G端接电源负极，s端为信号输出。
图6双探测元热释电红外传感器的结构图
热释电红外传感器内部由光学滤镜、场效应管、红外感应源（热释电元件）、偏置电阻、EMI电容等元器件组成，其内部电路框图如图4所示
图7热释电红外传感器的内部电路框图
3.3信号处理模块：
本电路采用红外热释电处理芯片BISS0001作为其信号处理模块的核心。
当光线较暗时，光敏电阻的阻值较大，使得9脚为高电平，让热释电处理芯片BISS0001处于允许触发状态时，若热释电红外传感器检测的附近的红外线，输出了一个上升沿触发信号给14脚，芯片接收到触发信号，BISS0001芯片的2脚输出一个高电平，并按照所设定的R9、C7的值进行输出延时（R9、C7构成的为单稳态）。
且触发的形式有两种，分别为可重复触发和不可重复触发由开关SW控制，开关在上面为可重复触发，开关打在下面为不可重复触发。
（电路图如图8所示）
图8信号处理模块
元件介绍：
热释电红外传感器BISS0001
BISS0001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构成被动式的热释电红外开关。
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。
图9BISS0001实物图电子爱好者社区C_\-i（t#^_|
特点：
电子爱好者社区7`L~.x0~%LX CMOS工艺
*k6B;F_C
p_Q_x0 数模混合
_z.u_W1l&q"ec_hN0 具有独立的高输入阻抗运算放大器电子爱好者社区_b/bB_x_d
内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰
9u'c5G"M_t+?
b_j0 内设延迟时间定时器和封锁时间定时器
_U6|_K!
x0CA'^,a0 采用16脚DIP封装A_~1n2],c_F0
管脚图：
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e8\_Hg_H'm_c_Xx
^0
图10BISS0001管脚图
管脚说明电子爱好者社区（J_UaL_l）a^_W
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的上跳前沿触发，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VcVR时允许触发（VR≈0.2VDD）
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
表1BISS0001芯片管脚说明
图11BISS0001内部框图
工作原理
_V.G-X）?
）Z_?
0 BISS0001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。
电子爱好者社区_`4{_z_w[3I!
F
图12BISS0001工作时序图（不可重复）
以上图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。
不可重复触发工作方式下的波形。
_A5B2K{_X_d4M_w0 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VcVR时，COP3输出为高电平，进入延时周期。
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干扰。
图13BISS0001工作时序图（可重复）
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。
3.4稳定信号输出和动作机构
当热释电处理芯片被触发后，输出脚（2脚）会输出一个高电平，由三极管放大后使得继电器的线圈得电，常开触电J1吸合，使得照明电路通路，灯泡亮起。
同时根据输出延时调节端的电容电阻的值进行输出延迟，以达到在人离开后一段时间输出端输出低电平让照明电路停止工作，以实现绿色节能的功能。
（电路图如下所示）
图14动作输出模块
原件介绍：
这里，我们采用的是5V3A继电器（6引脚）型号：
HK4100F-DC5V-SHG品牌：
汇科，继电器的引脚图及其说明如下：
图15继电器内部框图
功能：
实现弱电控制强电。
特点：
具有较强的机械特性和电气特性，可靠性强。
四、安装调试过程与结果
1电路的安装（焊接）
A．焊接时需要注意的事项：
手工焊接过程
（1）操作前检查：
焊接前把电烙铁插头插入规定的插座上，检查烙铁是否发热，如发觉不热，先检查插座是否插好，如插好，若还不发热，应立即向指导老师汇报，不能自随意拆开烙铁，更不能用手直接接触烙铁头.
（2）焊接步骤：
烙铁焊接的具体操作步骤可分为五步：
a）准备施焊
先检查焊件与焊盘是否完好无损,然后左手拿焊锡丝，右手握烙铁，进入备焊状态，要求烙铁头保持干净，无锡渣等氧化物，并在表面镀有一层焊锡。
b）加热焊件
先将烙铁头靠在两焊件的链接处，加热整个焊件全体，时间大约为1—2秒。
对于在印制板上焊接元器件来说，要注意使烙铁头同时接触两个被焊物。
元器件引线与焊盘要同时均匀受热。
c）送入焊丝
焊件的焊接面被加热到一定温度时，焊锡丝从烙铁对面接触焊件。
注意：
不要把焊锡丝送到烙铁头上。
d）移开焊丝
当焊丝熔化一定量后，立即向左上45度方向移开焊丝。
e）移开烙铁
焊锡湿润焊盘和焊件的施焊部位以后，向右上45度方向移开烙铁，结束焊接。
从第三步开始到第五步结束，时间大约也是1—2秒。
图16焊接步骤
（3）焊接要领
1）烙铁头与两被焊件的接触方式
接触位置：
烙铁头应同时接触要相互连接的2个被焊件（如焊脚与焊盘），烙铁一般倾斜45度，应避免只与其中一个被焊件接触。
当两个被焊件热容量悬殊时，应适当调整烙铁倾斜角度，烙铁与焊接面的倾斜角越小，使热容量较大的被焊件与烙铁的接触面积曾大，传热导能力加强。
接触压力：
烙铁头与被焊件接触时应略施压力，热传导强弱与施加压力大小成正比，但以对被焊件表面不造成损伤为原则。
2）焊丝的供给方法
焊丝的供给应掌握3个要领，即供给时间，位置和数量。
供给时间：
原则上是被焊件升温达到焊料的熔化温度是立即送上焊锡丝。
供给位置：
应是在烙铁与被焊件之间并尽量靠近焊盘。
供给数量：
应看被焊件与焊盘的大小，焊锡盖住焊盘后焊锡高于焊盘直径的1/3既可。
3）焊接时间及温度设置
A、温度由实际使用决定，以焊接一个锡点4秒最为合适，最大不超过8秒，平时观察烙铁头，当其发紫时候，温度设置过高。
B、一般直插电子料，将烙铁头的实际温度设置为（350~370度）；表面贴装物料，将烙铁头的实际温度设置为（330~350度）
C、特殊物料，需要特别设置烙铁温度。
某些连接器等要用含银锡线的，温度一般在290度到310度之间。
D、焊接大的元器件，温度不要超过380度，但可以增大烙铁功率。
4）焊接注意事项
A、焊接前应观察各个焊点（铜皮）是否光洁、氧化等。
B、在焊接物品时,要看准焊接点，以免线路焊接不良引起的短路。
（4）操作后检查：
a）用完烙铁后应将烙铁头的余锡在海绵上擦净。
b）每天下班后必须将烙铁座上的锡珠、锡渣、灰尘等物清除干净，然后把烙铁放在烙铁架上。
c）将清理好的电烙铁放在工作台上。
B．安装的红外热释电传感器RE200B时的注意事项
1、注意灵敏元的位置及视场大小，以便得到最佳光学设计。
2、所有电压信号的测量都是采用峰一峰值定标。
平衡度B中的EA和EB分别表示两个灵敏元的电压输出信号的峰一峰值。
3、使用传感时，管脚的弯曲或焊接部位应离开管脚基部4mm以上。
4、使用传感器前，应先参考说明书，尤其要防止接错管脚
2电路的调试
在焊接完成之后，我们对电路进行调试，检测它各项功能的实现：
（1）可重复触发方式
A．将开关打到1位置，使电路处于可重复触发工作状态；
B．给控制电路通上5V直流电源，照明电路通上220V交流电源；
C．此时按住光敏电阻（模拟黑夜光线暗的时候），用手靠近热释电传感器再拿开，看照明电路是否工作，灯泡是否会亮，并且会延时一段时间熄灭；
D．
再次按住光敏电阻，用手盖住热释电传感器不拿开，看照明电路是否会工作，并且灯泡不会熄灭。
图17可重复触发方式的调试
（2）不可重复触发方式
A．将开关打到2位置，是电路处于不可重复触发工作状态；
B．给控制电路通上5V直流电源，照明电路通上220V交流电源；
C．此时按住光敏电阻（模拟黑夜光线暗的时候），用手靠近热释电传感器再拿开，看照明电路是否工作，灯泡是否会亮，并且会延时一段时间熄灭；
D．再次按住光敏电阻，用手盖住热释电传感器不拿开，看照明电路是否会工作，并且灯泡在延时一段时间后依旧会熄灭。
图18不可重复触发方式的调试
五、总结
在这次为期两周的电子电工设计大赛中，我们受益匪浅。
首先，我们对电子工艺的理论有了更为深入的了解。
通过电工电子实习，我了解到了焊接普通元件与电路元件的技巧、焊接的原理和焊接所需要注意的事项以及对电路调试的基本过程、检测排除错误的方法，这些使我的基本焊接技术、调试的能力得到初步的培养和锻炼，从而促进我对电工电子技术等课程的掌握有一个较全面的提高和知识能力的全面发展为以后的学习及毕业后的工作奠定基础。
然而，两周，需要学习的东西很多，而且有些东西，比如说焊锡，并不是在短时间内就能掌握而且能熟练的，这些必须需要靠长时间的练习去把握和理解其中的精髓。
由于过程中还穿插着一些考试项目，需要花时间复习准备，所以，我们的时间显得不是很充裕，但我们还是利用了很多休息的时间呆在实验室进行焊接、调试，直到最后作品的完成。
虽然初次焊接并不是很美观，但是我们确是付出了大量的精力去练习，测试；紧接着对焊接完的电路进行调试，在调试的过程中发现问题，并努力的去解决，最后完成的电路实现了我们所需要的功能，也算是对我们付出的一点回报。
这次电子电工大赛不仅仅锻炼了我们的动手能力，而帮助我们复习巩固了数电、模电以及电工的一些知识，我们收获颇丰。
在此感谢组织大赛的杭阿芳、赵国树、刘旭明、吴敏这几位老师，老师们严谨细致、一丝不苟的作风一直让我们所钦佩；这次大赛的每个实验细节、每个成果，都离不开老师您的细心指导，我们当以老师为榜样，努力学习知识，更好的为我们的祖国做出贡献！
六、参考资料
[1]邱关源.电路（第5版）[M].北京：
高等教育出版社.2006.
[2]康华光.电子技术基础（模拟部分）[M].北京：
高等教育出版社.2006
[3]康光华.电子技术基础（数字部分）[M].北京：
高等教育出版社.2006
[4]王彦朋.电子设计与应用[M].北京：
中国电力出版社.2001
[5]王俊峰.电子实用电路300例[M].北京：
机械工业出版社.2004
七、附录
附录一：
总电路图（电源模块在此省略）
图19总电路图
附录二：
元件清单
表2元件清单
物品名称
型号
数量
备注
开关
1
单刀单掷，拨动开关
电位器
2
100欧1K欧
节能灯
1
节能灯座
1
开关
1
单刀单掷AC电源船型
电位器
2
1K
二极管
1
三极管
2N2219
1
NPN型三极管
继电器
2
5V控制AC220V继电器
BISS0001
1
红外检测芯片DIP封装
RE200B
1
热释电传感器
电容
3
0.01uF
电容
8
10uF*247uF*20.1uF*4
电阻
10
47K*210K*21M*22M*1
470*23K*1
附录三：
实物图片
图20板焊接完成的电路板
图21接上照明电路的电路
图22正在调试中的电路
图23正在调试中的电路
升级会员 