教室自动感应照明控制系统的设计方案.docx

1、教室自动感应照明控制系统的设计方案教室自动感应照明控制系统的设计 摘 要 为了适应现代电子技术飞速发展的需要，更好地培养21世纪的应用型电子技术人才，在自动化技术日趋成熟的今天，照明电路的自动化控制已是随处可见的了。但是要做到功能强可靠性高、价格低廉等一系列优点，这就是我们现在研究的课题了。照明电路不仅用在工业生产中而且已渗入到人们工作和生活的各个角落。几乎是从小到生活照明，大到工业控制，照明电路都起到了举足轻重的作用。自动感应照明控制系统有力地推动了各行业的技术改造和产品的更新换代，应用前景非常广阔。 目前，在各类学校教室的照明灯由于管理不善，经常是教室空无一人，却灯火通明，极大的浪费电源。

2、该设计题目是通过对目前市场上销售的同类产品的调查研究，找出现有产品的不足之处和为什么没有推广的原因，设计制作适合用户使用和方便使用的产品。主要设计内容：人体感应检测系统设计、自动照明开关控制系统设计。 设计原理及方框图 一、在光线亮时，节电开关呈关闭状态，灯不亮，夜间或光线较暗时，节电开关呈预备工作状态。当有人经过该开关附近时，红外传感器检测到人体信号把1 / 24 节电开关启动，灯亮，当人离去时，延时4050秒后节电开关自动关闭、灯灭。 图1是教室感应自动照明控制电路的原理方框图，由红外传感器、放大电路、倍压整流、光控电路、电子开关、延时和交流开关七部分电路组成。 图2.0教室感应自动照明控

3、制电路的原理方框图 二、原理图及其说明D4 C3R951KR3DSCW1R747K220uFR120KVT320KR1051KGNDD6-D9C2C1R22M1uF1uFD2D3BT红外线传感器R8VT1D1R4220VC4100KR5VT247uFC547K103uFD5R636K 图2-1红外线传感器、光控智能开关原理图 2 / 24 2.1原理说明 电路原理： 红外传感器是感应人体信号，VT1、R1、R3、C1组成放大电路。为了获得较高的灵敏度，VT1 的值选用大于100。R3不宜过小，否则电路容易产生间歇振荡，C2、D1和D2、C3构成倍压整流电路。R4、R5和光敏电阻D5组成光控电路

4、。有光照射在D5上时，阻值变小，对直流控制电压衰减很大。VT2、VT3和R7、D3组成的电子开关截止，C4 内无电荷，单向可控硅MCR截止，灯泡不亮。在MCR截止时，直流高压经R9、R10、D4降压后加到C3、CW1稳压管）上端。C3为滤波电容，CW1为稳压值1215V的稳压二极管，保证C3上电压不超过15V直流电压。当无光照射D5时，D5 阻值很大，对直流控制电压衰减很小，VT2、VT3等组成的电子开关导通，D3 也导通，使C4充电。R8、C5和单向可控制MCR、D6D9组成延时与交流开关。C4通过R8 把直流触发电压加到MCR控制端，MCR导通，灯泡点亮。灯泡发光时间长短由C4、R8 的参

5、数决定，按图中所给出的元器件数值R8为22K），发光4050秒左右后，MCR截止，灯熄灭。C5为抗干扰电容，用于消除灯泡发光抖动现象。 2.2电路各部分介绍 2.2.1红外线传感器 热释电人体红外线传感器是上世纪80年代末期出现的一种新型传感器件。现在，已得到越来越广泛的应用。目前，一些书刊只简要介绍了被动式热释电人体红外线传感器的基本应用。本文就主动式和被动式两方面的基本应用原理作大致介绍。 目前，市场上出现的热释电人体红外线传感器主要有上海产的SD02、PH5324，德国产的LH1954、LH1958，美国HAMAMATSU公司产P2288，日本NIPPON CERAMIC公司的SCA02

6、-1、RS02D等。虽然它们的型号不一样，但其结构、外型和电参数大致相同，大部分可以彼此互换使用。 利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。任何物质，只要它本身具有一定的温3 / 24 度高于绝对零度），都能辐射红外线。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。 红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路

7、变成电信号输出。光电检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。 红外线传感器常用于无接触温度测量，气体成分分析和无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。例如采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图，可以发现温度异常的部位，及时对疾病进行诊断治疗见热像仪）；利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进行监视，可实现大范围的天气预报；采用红外线传感器可检测飞机上正在运行的发动机 的过热情况等。 HN911采用热释电红外控制模块的照明灯，它可以用于卫生间、储藏室、楼梯走廊等处，可做到人来灯亮，人走灯灭，并且还具有白天

8、自动封锁功能。 HN911系列模块是采用新技术和新工艺，将高灵敏度的热释电红外传感器、放大器、信号处理及输出电路组装在一起制成模块式电路，它具有从信号接收至控制输出的全部功能。在它的输出端接上晶体管放大电路或单稳态电路可以驱动继电器，接上光耦合电路可以驱动双向可控硅。 4 / 24 图2-3 HN911模块的内部电路结构 2.2.2单相倍压整流电路 在一些需用高电压、小电流的地方，常常使用倍压整流电路。倍压整流，可以把较低的交流电压，用耐压较低的整流二极管和电容器，“整”出一个较高的直流电压。倍压整流电路一般按输出电压是输入电压的多少倍，分为二倍压、三倍压与多倍压整流电路。图4-4是二倍压整流

9、电路。电路由变压器B、两个整流二极管D1、D2及两个电容器C1、C2组成。 5 / 24 图2.4单相倍压整流电路 其工作原理如下：e2 正半周上正下负）时，二极管D1导通，D2 截止，电流经过D1 对C1充电，将电容Cl上的电压充到接近e2 的峰值，并基本保持不变。e2 为负半周 E与Cl上的电压Uc1表示任意一种电量。这里写出分析RC电路任意电量的过渡过程的步骤： (1计算换路前最后时刻t=0-时电容电压uc(0-的值。分析电路时，要把电容看作开路，按直流电路的分析方法计算； (2按换路定律uc(0+=uc(0-，写出换路后的电容电压； (3求电路中需要的f(0+值。注意使用换路后的电路，

10、将uc(0+作为直流电压源进行分析； 6 / 24 值：注意使用换路后的电路，电容看成开路用直流电路分析方f(4求 法；是从电容两端看进去的等效电阻，注意应将电压源短R求时间常数t：(5 RC。路、电流源开路，再进行电阻的串并联，然后计算t (6用三要素公式求： 的值来实现，它具有改变方延时电路的延迟时间可以通过改变RC所以RC便，制作简单的优点，因而广泛用于对延迟时间要求不是很高，很长的电路 中。 光控电子开关电路的设计2.2.4 光控电子开关起到日熄夜亮的控制作用，以节约用电。 2-5图光控电子开关原理图 2.2.5工作原理电路如图2-4所示，220V交流电通过灯泡H及整流全桥后XC521

11、5-6BG225I，单7 / 24 不能发H的电流2.2mA,灯泡向可控硅VS因无触发电流而阻断。此时流过灯泡H，对三极管起保护作用。6.8VV偏压不超过光。电阻R1和稳压二极管DW使三极管V，使三极管100K夜晚，亮度小于一定程度时，光敏二极管D呈现高阻状态是清发光。RP的电压，使可控硅VS触发导通，灯泡H正向导通，发射极约有0.8V 晨或傍晚实现开关转换的亮度选择元件。 红外线传感器、光控智能开关的制作与调试2.2.6本电路按要求选择元器件，焊接正确，即可使用推广。若灵敏度不够，可不够太小，应视具体情况而R1减小热释电红外线传感器串联的电阻R1，但，0.7uF1uF换成定。适当减小R1后灵

12、敏度仍不够时，可更换耦合电容C1，将 2-3所示。效果将很显著。制作的如图 板2-6红外线传感器、光控智能开关PCB图 光控电子开关的安装与调试2.2.7串联，并让它正对着天幕或房子采光窗前较明亮安装时将它与受控电灯H阻值RP的空间，避免3M以内夜间灯光的直接照射。调试宜傍晚时进行，调节 2-5H的大小，使受控电灯在适当的亮度下始点亮。制作的如图所示。8 / 24 PCB板图2-7光控电子开关的 三、照明电路中实际中元件的选用及设计 电路设计原理1、所16脚直插式封装。其管脚排HN911是一款新型热释电红外探测采用双列示。该传感器由于内部放大器可以将人体辐射保证了传感器的工作稳定性。红外探测红

13、外探测模工作原理HN911可在严寒或炎热等恶劣环附表为HN911HN911即有移动,21脚输出高电平脚输动态时模块内部电路主要放大器、比较器、电的微弱信号。该信号经0.31mV、频率发热物体传感器接收到红外输出幅度约经信号处理电路处最后由延时输出电路输出用做驱放大器放由比较器比较,人体辐射和周当背景红外辐射增,HN911模块内放大器具有温度补探测器工作时 强。 、2工作原理9 / 24 采用HN911热释电红外控制模块的照明灯电路原理图如图3-1所示，电路中ICl为HN911热释电红外传感控制模块，平时2脚输出高电平，当它探测到人体发出的红外光线时，其输出端2脚可输出脉冲宽度大于2s的负脉冲信

14、号，并直接加至555时基集成电路IC3的触发端2脚。 热释电红外控制模块的照明灯电路原理图3-1采用HN911图）和HN911LHN911T）、微功耗型HN911系列模块共有3种型号，即通用型系列模块具有良好的抗干扰性能，尤其是抗电磁波性HN911HN911D）。低温型型）的低温下稳定地工型）到一3000 (D20T型和L能十分优良，并可在一系列模块能在低温下稳定地工作，主要得益于它的温度补偿电路。该作。HN911电路能在因环境温度变化将使放大器的增益发生变化时及时进行补偿，使放大的脉冲信的输出端输出的是一个脉冲宽度大于2s器的增益一直保持稳定。HN911接成典IC3脚输出的是正脉冲信号，2脚

15、输出的是负脉冲信号。电路中号，其中1吸KVT3迅速导通，继电器3型的单稳态触发器，电路翻转置位，脚输出高电平，合，其常开触点闭合可以接通被控照明灯的电源，使其通电发光。此时电源经脚恢复低电3时间，暂稳态结束，电路复位，11 RZ C3二向R2C3充电，约经t的探测范围内不断活IC1k释放，被控照明灯熄灭。如果有人在VI3平，截止，脚将不断有负脉冲输出，所以照明灯不会熄灭，直至人离开，延迟2的动，IC1模块的探测灵可以调整时间后，照明灯才熄灭。调节电位器I 1 RZ C3RP1IC110 / 24 敏度。111RL, R3, R4等组成光控制电路。在白天，光敏电阻器RL受自然光线照射呈低电阻，V

16、T1导通，故IC3的4脚在低电平，所以IC3被强制复位，3脚始终保持低电平，照明灯不会被点亮。只有到了晚上，RL失去自然光线照射，呈高电阻，VT1截止，从而解除对IC3的强制复位，电路才能被触发工作。调节RP2可以改变电路的光控制灵敏度。VT2与R6组成自保电路，它可以解决晚上自身灯光对电路的干扰。晚上，当有人走进IC1的探测范围，IC3翻转置位，K吸合，由它控制的照明灯点亮。555时基集成电路3脚输出的高电平，同时又经R6加至VT2的基极，使VT2迅速导通，故使VT1截止，这就保证了555时基集成电路的4脚电平不会因为RL受自身光线照射而跌落。如果没有自保电路，RL在安装时必须要避开自身灯光

17、的照射，否则电路不能正常工作。IC2为7805三端稳压集成电路，它 为HN911热释电红外传感模块提供稳定的5V工作电压。3、元器件选择 ICl选用HN911热释电红外控制模块；IC2选用LM7805三端稳压集成电路；IC3选用NE555时基集成电路。RL应选择MG45型光敏电阻器，要求亮阻小于5kn，暗阻大于 IMn，如MG44-03、MG45-13等型号。其他元器件无特殊要求可按图 3-1所标型号及参数选用。 四、部分元器件介绍 1、555定时器 图2-6定时器的引脚图 11 / 24 555定时器的组成和功能。图4-2是555定时器内部组成框图。它主要由213两个高精度电压比较器A、A，

18、一个RS触发器，一个放电三极管和三个5K电21阻的分压器而构成。 VRDCC 48D 5K5Q&V+ R1CQVA11-TH 365K Cn放电Q高触发低触发端清零端功能 +1T 管端TH A2 TL+&V2Q 2-S5KD T7 V1SS 定时器组成框图图2-7 555 B 它的各个引脚功能如下： 或接地，一般情况下接地。脚：外接电源负端V1SS型时基电，CMOS，双极型时基电路V的范围是4.5 16V8脚：外接电源VCCCC 。3 18V。一般用5V的范围为路VCCVo 脚：输出端3 脚：低触发端2 TH高触发端6脚：A 端接低电平，则时基电路不工作，此时不论脚：4是直接清零端。当 TH、

19、处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准脚：V5312C 电压，当该端不用时，应将该端串入一只F0.01电容接地，以防引入干扰。12 / 24 7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。 在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A、A基准电压分别为21 的情况下，555时基电路的功能表如表1示。 表1 555定时器的功能表 直接清0 0 导通 零稳单态触 1 置0 导通 0 特点器的是发 置1 1 截止1 一有个稳电路 和一状定态个n 1 保持Q不变 态。状暂稳在号作发触信用下，电路将由稳态翻转到 暂稳

20、态，暂稳态是一个不能长久保持的状态，由于电路中RC延时环节的作用，经过一段时间后，电路会自 动返回到稳态，并在输出端获得一个脉冲宽度为tw的矩形波。在单稳态触发器中，输出的脉冲宽度tw，就 是暂稳态的维持时间，其长短取决于电路的参数值。 稳态时，输出uo为低电平，即无触发器信号ui为高电平）时，电路处于稳定状态输出低电平。在 ui负脉冲作用下，低电平触发端得到低于1/3）Vcc，触发信号，输出uo为高电平，放电管VT截止，电 路进入暂稳态，定时开始。 在暂稳态期间，电源VccRC地，对电容充电，充电时间常数TRC，uc按指数规律上升。当电容 两端电压uc上升到它的电路符号是：此二极管是一种直到

21、临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件.在这临界击穿点上,反向电阻降低到一个很少的数值,在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定,稳压二极管是根据击穿电压来分档的,因为这种特性,稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使14 / 24 用.稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用,通过串联就可获得更多的稳定电压。 稳压二极管是一个特殊的面接触型的半导体硅二极管，其V-A特性曲线与普通二极管相似，但反向击穿曲线比较陡稳压二极管工作于反向击穿区，由于它在电路中与适当电阴配合后能起到稳定电压的作用，故称为稳压管。稳压管反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小，当反向电压增高到击穿电压时，反向电流

22、突然猛增，稳压管从而反向击穿，此后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压的变化却相当小，利于这一特性，稳压管访问就在电路到起到稳压的作用了。而且，稳压管与其它普能二极管不同之反向击穿是可逆性的，当去掉反向电压稳压管又恢复正常，但如果反向电流超过允许范围，二极管将会发热击穿，所以，与其配合的电阻往往起到限流的作用。 3.2稳压管的应用 3.2.1浪涌保护电路 稳压管在准确的电压下击穿,这就使得它可作为限制或保护之元件来使用,因为各种电压的稳压二极管都可以得到,故对于这种应用特别适宜。图中的稳压二极管D是作为过压保护器件.只要电源电压VS超过二极管的稳压值D就导通,使继电器J吸合负载RL就

23、与电源分开。 322电视机里的过压保护电路 EC是电视机主供电压,当EC电压过高时,D导通,三极管BG导通,其集电极电位将由原来的高电平(5V变为低电平,通过待机控制线的控 制使电视机进入待机保护状态。 323电弧抑制电路 在电感线圈上并联接入一只合适的稳压二极管(也可接入一只普通二极管原理一样的话,当线圈在导通状态切断时,由于其电磁能释放所产生的高压就被二极管所吸收,所以当开关断开时,开关的电弧也就被消除了。这个应用电路在工业上用得比较多,如一些较大功率的电磁吸控制电 路就用到它。 15 / 24 324串联型稳压电路 在此电路中,串联稳压管BG的基极被稳压二极管D钳定在13V,那么其发射极

24、就输出恒定的12V电压了。这个电路在很多场合下都有应 用。 4、光敏电阻器 4.1光敏电阻的结构 光敏电阻器photovaristor）又叫光感电阻，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；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换将光的变化转换为电的变化）。 通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片光敏层）内就激发出电子空穴对，参与导电，使电路中电流增强。 4.2光敏电阻的原理 用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。 在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到

25、光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。 4.3光敏电阻的分类 根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器： 16 / 24 紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。 红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接

26、触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。 可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。 4.4光敏电阻的主要参数 光敏电阻的主要参数有亮电阻，暗电阻，光电特性光谱特性，频率特性，温度特性。在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。没有极性，纯粹是个电阻期间，使用时可加直流也可以加交流。 4.4光敏电阻的制作材料 用于制造光敏电阻的材料主要是金