1、<p><b>　　課程設(shè)計說明書</b></p><p>　?。?011 /2012學(xué)年第一學(xué)期）</p><p>　　課程名稱 ： 電子系統(tǒng)應(yīng)用課程設(shè)計 </p><p>　　題 目 ： </p><p>　　專業(yè)班級 ：

2、 </p><p>　　學(xué)生姓名 ： </p><p>　　學(xué) 號： </p><p>　　指導(dǎo)教師 ： </p><p>　　設(shè)計周數(shù) ： 2周

3、 </p><p>　　設(shè)計成績 ： </p><p>　　2012年01月04日</p><p><b>　　1 概論</b></p><p>　　1.1 論文選題背景及意義</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的進步，傳感器技術(shù)日益發(fā)展并滲

4、透到人們的日常生活當(dāng)中。紅外傳感器是其中較為常見的一種，廣泛應(yīng)用于機場、賓館等處的自動門，自動照明控制，保安防盜等各個方面。常用的自動照明控制主要是利用人體經(jīng)過熱釋電紅外傳感器時，所造成的紅外線的變化被紅外傳感器接收到并轉(zhuǎn)換成一定的電信號，而利用該電信號就可實現(xiàn)照明控制。由于熱釋電紅外傳感器只能對紅外線的變化作出反應(yīng)，即它只對物體的運動敏感，這就決定了它在走廊樓道的自動照明控制中具有廣泛的應(yīng)用。在日常生活中，紅外自動感應(yīng)燈的應(yīng)用相當(dāng)廣泛

5、，比如，家庭樓道、小區(qū)、酒店、航天等地方，經(jīng)常需要用到紅外自動感應(yīng)燈，對于一些地方，比如倉庫，儲藏室地方等地方，紅外感應(yīng)燈不僅僅應(yīng)用于照明，還起到一個預(yù)警的作用[1]。</p><p>　　在常規(guī)的環(huán)境參數(shù)中，人體感應(yīng)是最難進行探測的一個參數(shù)，過去用光敏電阻或紅外探測管來探測人體的方法，早已無法滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的需要。這是因為紅外探測比紅外測量要復(fù)雜的多，紅外測量是個獨立的被測量，而人體探測卻受到其他因素的影響，

6、紅外探測與大氣壓強，溫度呈一定規(guī)律的函數(shù)關(guān)系。因此，用常規(guī)的方法進行人體紅外探測的誤差可達5%~10%。此外，人體紅外探測的校準(zhǔn)也是一個難題，光敏電阻等傳統(tǒng)方法不能用做標(biāo)定，這是因為標(biāo)定后的精度無法保證，人體感應(yīng)的標(biāo)定對環(huán)境條件要求十分嚴(yán)格。如何去除環(huán)境的影響，將人體紅外信號有效地檢測出來將成為一個值得研究的話題。</p><p>　　就目前而言，利用熱釋電紅外傳感器對運動物體探測原理的走廊樓道自動照明控制系統(tǒng)已

7、經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，其主要功能是：當(dāng)傳感器探測到有人經(jīng)過，則控制照明燈開啟，延時一段時間后再控制照明燈關(guān)閉，既實現(xiàn)了自動控制又不會造成電力浪費，是對傳統(tǒng)的手動開關(guān)、手動的延時開關(guān)的改進[2]。</p><p>　　本設(shè)計將熱釋電紅外傳感器用于衛(wèi)生間智能化照明系統(tǒng)將具有同樣的效果，比聲控開關(guān)更簡便，不需要人有意識的發(fā)出任何動作就可以實現(xiàn)自動控制。因熱釋電紅外傳感器僅對人體釋放的、特定波長的紅外光最敏感，因而誤動作極

8、小。將其作為探測器不需要外界提供能量，因為探測器本身不發(fā)出任何形式的能量，只是靠接收人體發(fā)出的紅外線能量變化來完成非接觸探測目的。紅外線是不可見光，這樣就可以在環(huán)境不發(fā)生任何變化的情況下有效的利用了資源和節(jié)約了能量。 </p><p>　　將熱釋電紅外傳感器用于衛(wèi)生間智能化照明系統(tǒng)具有如下優(yōu)點： </p><p>　?。?）不需要用紅外線或電磁波等發(fā)射源</p><p&

9、gt;　?。?）靈敏度高、控制范圍大</p><p>　　（3）隱蔽性好、可流動安裝</p><p><b>　　1.2 課題分析</b></p><p>　　此類設(shè)計的要點在于對紅外線信號的放大及處理，尤其是從系統(tǒng)的穩(wěn)定性上下功夫，運放用作放大電路已為電子設(shè)計師所常用，因為其放大倍數(shù)完全可以通過反饋量的大小來進行調(diào)節(jié)[3]，同時外圍電路非常簡

10、單，性能也較好，但是作為放大從傳感器接收下來的人體紅外信號時，由于傳感器易受熱噪聲的影響[4]，放大器放大倍數(shù)的選擇是一大難點，也是本設(shè)計成功與否的關(guān)鍵所在，選大了，無法關(guān)斷所控制的照明燈，選小了，又檢測不到人體發(fā)出的紅外線信號。另外，前級的放大倍數(shù)與干擾比較電路的參數(shù)選擇應(yīng)配合起來，如何區(qū)分是熱噪聲信號還是有效的人體信號，另一方面還取決于對比較器參考電壓的選擇，至于延時部分的選擇相對來說比較簡單，只要前面部分的工作可靠了，一般后續(xù)電路

11、就較為容易實現(xiàn)了。</p><p>　　熱釋電紅外傳感器多用于檢測人體發(fā)射的紅外線，其檢測區(qū)呈球形，所以采用它不用擔(dān)心角度問題。由于敏感元件的輸出阻抗極高，而且輸出電壓極其微弱，故在傳感器內(nèi)部裝有場效應(yīng)管及偏置厚膜電阻（RG、RS）,構(gòu)成信號放大及阻抗變換電路。這是將紅外傳感器用于檢測電路的基礎(chǔ)，否則，后續(xù)電路將無法工作。在此基礎(chǔ)上，如上所述，放大電路進一步將信號放大后才能驅(qū)動控制電路。熱釋電紅外傳感器自身的接收

12、靈敏度較低，一般檢測距離僅2米左右，為了增加探測距離，需要在紅外探頭前加一菲涅爾透鏡，采用菲涅爾透鏡后可使有效檢測距離達12米左右，傳感器的靈敏度提高10倍以上，</p><p>　　白天在有光照的情況下，衛(wèi)生間不需要開啟燈光照明，考慮到陰天，有時光線特別暗的情況下就需要照明，正對此種情況，可利用光敏電阻組值隨光照發(fā)生變化的特性將其用于電路中，這樣就可以在需要的時候自動開啟衛(wèi)生間的照明燈，從而實現(xiàn)了衛(wèi)生間智能化照

13、明系統(tǒng)的節(jié)能與智能控制方式。 </p><p>　　1.3 智能化照明系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　在當(dāng)今世界經(jīng)濟全球化和區(qū)域經(jīng)濟一體化的形式下，隨著信息行業(yè)和計算機產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展、人們物質(zhì)與精神生活水平的迅速提高，人們對工作和生活環(huán)境的靈活性、高效性和舒適性要求越來越高，傳統(tǒng)的工作、居住環(huán)境受到了強有力地挑戰(zhàn)，智能建筑，智能小區(qū)，智能家居等應(yīng)運而生，樓宇自動化(BA)、通信自動化(C

14、A)、辦公自動化(OA)、家庭自動化(HA)等各種自動化系統(tǒng)不斷出現(xiàn)，人們對照明的要求也越來越高，傳統(tǒng)的照明技術(shù)受到了時代的強烈沖擊，現(xiàn)代照明技術(shù)發(fā)生了深刻的變化，“智能照明”技術(shù)隨之出現(xiàn)，并迅速地向前發(fā)展，以致形成照明技術(shù)發(fā)展的幾個重要階段。</p><p>　?。?）傳統(tǒng)控制方式照明階段</p><p>　　照明控制可分為開關(guān)控制和調(diào)光控制，調(diào)光控制又包括連續(xù)的調(diào)光控制(被控光源的光通

15、量可連續(xù)的變化)和不連續(xù)的調(diào)光控制(被控光源的光通量只能在若干固定的預(yù)設(shè)值之間變化)。按發(fā)光原理劃分，照明光源通?？煞譃闊彷椛涔庠春蜌怏w放電光源，其典型的光源分別為白熾燈和熒光燈。熱輻射光源，即利用電能使物體加熱到白熾程度而發(fā)光的光源;氣體放電光源，即利用氣體或蒸氣的放電而發(fā)光的光源。對于熱輻射光源來說，既可以實現(xiàn)開關(guān)控制，也可以實現(xiàn)調(diào)光控制，只需要調(diào)節(jié)供給光源的供電電壓即可調(diào)節(jié)光通量的輸出。而對氣體放電光源來說，實現(xiàn)調(diào)光控制并非那么簡

16、單，不能簡單的控制供給光源的供電電壓，這類光源都有鎮(zhèn)流器，220V工頻電壓經(jīng)過整流器后再給光源供電，要實現(xiàn)調(diào)光控制，必須研制適應(yīng)具體氣體放電光源的匹配鎮(zhèn)流器。通過控制鎮(zhèn)流器的輸出電壓的頻率和電壓來調(diào)節(jié)光源的光通量輸出</p><p>　　自愛迪生發(fā)明第一個燈泡開始，傳統(tǒng)照明控制方式就己經(jīng)產(chǎn)生，這種控制方式多以手動控制為主。常見的有以下幾種:其一，利用設(shè)置在燈具配電回路中的開關(guān)(配電回路中的保護開關(guān)或手動開關(guān)等)來

17、控制配電回路的通斷，從而實現(xiàn)燈具開關(guān)控制;其二，利用設(shè)置在燈具配電回路中的手動旋鈕（傳統(tǒng)調(diào)光控制柜和燈光控制臺等）調(diào)節(jié)供電回路的電氣參數(shù)（主要是電壓、電流、頻率等），從而實現(xiàn)燈光的明暗調(diào)節(jié)，即調(diào)光控制〔其原理如圖1-1所示〕。</p><p>　　圖1-1 傳統(tǒng)照明控制方式原理圖</p><p>　　傳統(tǒng)方式對照明控制而言，簡單，有效，直觀。但它過多依賴控制者的個人能力，控制相對分散和無法

18、有效管理，其實時性和自動化程度太低。</p><p>　　圖1-2 自動照明控制方式</p><p>　　（2）自動控制方式照明階段</p><p>　　這種控制方式利用數(shù)字控制技術(shù)來遙控?zé)艟叩拈_關(guān)。通常是控制中心發(fā)出信號，通過直接數(shù)字控制器（DDC）來控制配電回路中的交流接觸器的分合，從而控制配電回路的通斷，實現(xiàn)燈具開關(guān)控制。采用該種方式，解決了傳統(tǒng)方式控制相對分

19、散和無法有效管理等問題，實現(xiàn)了照明控制的自動化但卻無法實現(xiàn)調(diào)光控制功能。其控制原理如圖1-2所示。</p><p>　　自動照明控制方式與傳統(tǒng)照明控制方式相比，主要解決的問題是集中控制的問題，自動化程度相對提高，但由于DDC系統(tǒng)本身固有的技術(shù)特點，使得DDC在照明控制系統(tǒng)中表現(xiàn)出明顯不足，不僅無法實現(xiàn)調(diào)光控制，而且也很難實現(xiàn)燈光場景等預(yù)設(shè)置和場景管理等功能。DDC系統(tǒng)的主要優(yōu)點是易于根據(jù)全局情況進行控制計算和判斷

20、，在控制方式、控制時間的選擇上可以統(tǒng)一調(diào)度安排。不足的是，對控制器本身要求很高，必須具有足夠的處理能力和極高的可靠性，當(dāng)系統(tǒng)任務(wù)量增加時，控制器的效率和可靠性將急劇下降。</p><p>　　盡管集散控制系統(tǒng)(DCS )逐步取代DDC系統(tǒng)，而且實現(xiàn)了分散控制與集中管理功能，但對于底層的設(shè)備來說，仍然是傳統(tǒng)的DDC技術(shù)，唯有把現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)場設(shè)備級管理后，這個問題才能得到根本性解決。</p>&

21、lt;p>　　（3）智能控制系統(tǒng)照明階段</p><p>　　二十一世紀(jì)是一個網(wǎng)絡(luò)化時代，數(shù)字控制技術(shù)不斷提高，網(wǎng)絡(luò)化管理正逐漸滲透至各種傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中。進入二十世紀(jì)后，隨著人民生活水平不斷提高，人們對照明的要求也發(fā)生了很大的改變。尤其在一些中高檔的建筑中，照明不再單純地為滿足人們視覺上的明暗效果，更應(yīng)具備多種的控制方案，使建筑物更加生動，藝術(shù)性更強，給人豐富的視覺效果和美感。</p><

22、;p>　　二十世紀(jì)90年代初，智能建筑己不再簡單地等同于樓宇設(shè)備自動管理。在一些建筑物中的重要場所，簡單地開關(guān)控制己無法滿足要求。人們開始追求多樣化的照明控制方式，使環(huán)境能體現(xiàn)出多種藝術(shù)效果。智能照明控制方式使照明自動控制不再依賴于樓宇設(shè)備自動管理系統(tǒng)，真正實現(xiàn)了照明控制的獨立。同時該方式不僅具備開關(guān)燈控制，而且還能對光源進行調(diào)光控制。它是一個集多種照明控制方式、現(xiàn)代化數(shù)字控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一身的控制系統(tǒng)。它的出現(xiàn)和發(fā)展，使照明

23、控制和維護管理變得更為簡單，并為建筑照明提供了多種藝術(shù)效果。</p><p>　　智能照明控制系統(tǒng)被越來越廣泛地接受和使用，這類產(chǎn)品和生產(chǎn)商更是層出不窮。正確的照明控制方式是實現(xiàn)照明藝術(shù)性和舒適性的有效手段，是節(jié)約能源的有效措施。綠色照明是指所用照明產(chǎn)品高效率、長壽命、節(jié)電、節(jié)能、低噪音、低諧波、低電磁干擾。在照明設(shè)計中，合理和正確地選用照明控制方式，不僅是經(jīng)濟性和實用性的良好統(tǒng)一，也是一個實現(xiàn)“綠色照明”的重要

24、環(huán)節(jié)。</p><p>　　1.3.1智能化照明系統(tǒng)發(fā)展動態(tài)</p><p>　　隨著照明的不斷發(fā)展，照明控制系統(tǒng)已從傳統(tǒng)控制方式發(fā)展到智能控制系統(tǒng)，目前，縱觀國內(nèi)外研究開發(fā)的智能照明控制系統(tǒng)，按其通信介質(zhì)主要有總線型、電力線載波型、無線網(wǎng)絡(luò)型等。按照網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)可以分為集中式或分布式。智能化照明系統(tǒng)依賴于信息技術(shù)的發(fā)展及人民生活水平和文化水平的提高。隨著微處理器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，國外于

25、八十年代提出了智能化照明的基本框架；以建筑物內(nèi)的數(shù)字通信設(shè)施為核心，配置面向商務(wù)用戶的安防系統(tǒng)和資源控制系統(tǒng)，并逐漸增加了計算機網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)設(shè)施，出現(xiàn)了商住融合的概念。九十年代以后，互聯(lián)網(wǎng)的普及和電子商務(wù)的應(yīng)用導(dǎo)致了信息社會的實用階段，并形成了大規(guī)模的信息基礎(chǔ)建設(shè)和電子政務(wù)的實施，形成了有利于數(shù)字社區(qū)建設(shè)的良好的外部環(huán)境。智能化照明不僅有了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)，并已進入了規(guī)范性發(fā)展的實用階段。</p><p>　　(1)

26、智能化照明系統(tǒng)進一步加強了網(wǎng)絡(luò)的功能。通過完備的網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)社區(qū)機電設(shè)備和家庭電器的自動化智能化遠程監(jiān)控，實現(xiàn)一體化、聯(lián)動安防系統(tǒng)的自動化、智能化監(jiān)控。</p><p>　　(2)智能照明應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)，包括現(xiàn)代傳感技術(shù)，信號與處理技術(shù)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，加快了信息傳播的速度，提高了信息采集、傳播、處理、顯示的性能，增強了安全性。</p><p>　　(3)提高了智能系統(tǒng)

27、的集成程度，實現(xiàn)了信息和資源的充分共享，提高了系統(tǒng)的優(yōu)化程度。</p><p>　　隨著生活水平的提高，居住小區(qū)正朝著節(jié)能、環(huán)保、生態(tài)化方向發(fā)展。智能化系統(tǒng)作為其必備的組成部分，在其中擔(dān)負著重要作用，成為其智慧核心。</p><p>　　1.3.2 紅外傳感器原理及其在智能化照明系統(tǒng)中的應(yīng)用狀況</p><p>　　熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發(fā)射的紅外線而

28、輸出電信號的傳感器。早在1938年，有人提出過利用熱釋電效應(yīng)探測紅外輻射，但并未受到重視，直到六十年代，隨著激光、紅外技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和新型材料的迅速發(fā)展，生產(chǎn)成本不斷下降，才又推動了對熱釋電效應(yīng)的研究和對熱釋電晶體的應(yīng)用。近年來，伴隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，以及對該傳感器的特性的深入研究，相關(guān)的專用集成電路處理技術(shù)也迅速增長。熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測器，它可以作為紅外激光的一種較理想的探測器。除了在我們

29、熟知的樓道自動開關(guān)、防盜報警上得到應(yīng)用外[5]，在更多的領(lǐng)域應(yīng)用前景看好。比如：在房間無人時會自動停機的空調(diào)機、飲水機。電視機能判斷無人觀看或觀眾已經(jīng)睡覺后自動關(guān)機的機構(gòu)。開啟監(jiān)視器或自動門鈴上的應(yīng)用[6]。結(jié)合攝影機或數(shù)碼照相機自動記錄動物或人的活動等等……設(shè)計人員完全可以結(jié)合其它電路，充分發(fā)揮自己的思維，開發(fā)出更加優(yōu)秀的新產(chǎn)品或自動化控制裝置。</p><p>　　1.4課題任務(wù)和研究內(nèi)容</p>

30、<p><b>　　1.4.1課題任務(wù)</b></p><p>　　1）查閱紅外線控制方面的相關(guān)資料，了解此方面的發(fā)展?fàn)顩r；</p><p>　　2）掌握熱釋電傳感器的工作原理及使用方法；</p><p>　　3）掌握運放電路組成的放大電路及脈沖整型電路工作原理；</p><p>　　4）考慮抗干擾措施；

31、</p><p>　　5）設(shè)計、實現(xiàn)該系統(tǒng)；</p><p><b>　　1.4.2研究內(nèi)容</b></p><p>　　本課題主要研究紅外傳感器在照明領(lǐng)域中的應(yīng)用，其關(guān)鍵技術(shù)在于體現(xiàn)其智能化照明。研究如何在照明電路中，增加紅外感應(yīng)對電路的控制。研究如何處理傳感器的輸出信號及如何利用放大電路將傳感器輸出的微弱信號放大到可以輸出的有效控制信號。為

32、了保證電路可靠工作，要設(shè)置適當(dāng)?shù)脑鲆?；熱釋電傳感器輸出的探測信號十分微弱，要使這種信號控制一個電路，必須要將其放大60~70dB ，而且使用的放大器必須要限制在一定的帶寬內(nèi)，以防止噪聲對它的干擾。對熱釋電紅外傳感器的噪聲特性進行分析，考慮抗干擾措施；分析如何消除環(huán)境溫度造成的探測誤差 ，并研究基于紅外傳感器的衛(wèi)生間智能化照明系統(tǒng)的氣候防護及實現(xiàn)智能照明與節(jié)能問題，以達到高效、環(huán)保的目的。 </p><p>　　

33、1.5 論文的研究方法</p><p>　　任何一個復(fù)雜的問題都是從最簡單的方面著手，循序漸進，才能突破一個復(fù)雜的系統(tǒng)。本課題的設(shè)計首先將從熱釋電紅外傳感器著手。傳感器作為感受被測量信息的器件，希望它能夠按照一定的規(guī)律輸出有用信號。因此，需要研究其輸出-輸入關(guān)系及特性，以便用理論指導(dǎo)其設(shè)計、制造、校準(zhǔn)與使用。其次，確定總體設(shè)計方案，分析智能化照明系統(tǒng)主要由哪幾個模塊組成，擬定系統(tǒng)總體設(shè)計框架；然后再從具體模塊著手

34、，分析每個模塊的功能及其基本組成和工作原理，需要對每個模塊進行細致入微的分析，不能遺留問題。否則，整個電路可能無法正常工作，因為這一步是對系統(tǒng)基本框架的各個組成的具體實施，所以一定要認(rèn)真完成各個模塊的設(shè)計。最后在深入了解基于紅外傳感器的一般原理和技術(shù)，智能照明系統(tǒng)的一般組成和關(guān)鍵技術(shù)，紅外技術(shù)、傳感器技術(shù)及紅外傳感器技術(shù)在照明系統(tǒng)方面的應(yīng)用的基礎(chǔ)上對電路的整體工作原理及可行性進行綜合分析，還要考慮一些細節(jié)和特殊情況，使系統(tǒng)具有處理特殊情

35、況的功能，完善電路。在設(shè)計時應(yīng)考慮多方面的因素，力求達到系統(tǒng)工作穩(wěn)定、功能強大、控制靈敏的目的。除此之外，為了確定系統(tǒng)能準(zhǔn)確無誤的執(zhí)行既定的功能，最后對元器件進行調(diào)試。</p><p>　　1.6 論文預(yù)期成果以及解決的關(guān)鍵問題</p><p>　　1.6.1 預(yù)期成果</p><p>　?。?）設(shè)計出一個利用單片紅外熱釋電傳感器系統(tǒng)來進行人體探測的方法，將傳感器檢

36、測到的信號經(jīng)放大、整形、誤差判別、延時處理等集于一體的系統(tǒng)來實現(xiàn)對照明燈開關(guān)的控制。</p><p>　?。?）通過對課題的分析，擬定設(shè)計方案、步驟，對系統(tǒng)總體進行詳細的分析，設(shè)計出一種可行的方案，掌握一定的設(shè)計方法。</p><p>　?。?）對基于紅外傳感器的衛(wèi)生間智能化照明系統(tǒng)的實現(xiàn)技術(shù)的一系列文檔及研究論文。</p><p>　　1.6.2 論文解決的關(guān)鍵問

37、題</p><p>　　熱釋電紅外傳感器是目前在防盜報警、火災(zāi)檢測、自動門、自動水龍頭、自動電梯、自動照明及非接觸溫度測量等領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的傳感器。其原因為：①被測對象自身發(fā)射紅外線，可不必另設(shè)光源；②大氣對2～2.6um、3～5um、8～14um3個被被稱為“大氣窗口”的特定波段的紅外線吸收甚少，可非常容易被檢測；③中、遠紅外線不受可見光影響，可不分晝夜進行檢測。所以將傳感器用于衛(wèi)生間照明具有很多優(yōu)勢，采用雙元

38、型熱釋電紅外傳感器將具有更多優(yōu)點。所謂雙元件就是在一個傳感器中有兩個反向串聯(lián)的敏感元件，其特點是：①當(dāng)入射能量順序地射到兩個元件上時，其輸出要比但元件高一倍；②由于兩個元件逆向串聯(lián)，對于同時輸入的能量會相互抵消，可防止太陽或燈頭等紅外線引起誤動作；③可防止因環(huán)境溫度變化引起的檢測誤差；④常用的PZT敏感元件還具有壓電效應(yīng)，所以PZT敏感元件還可以消除因振動引起的檢測誤差。</p><p>　　通過以上對熱釋電紅外

39、傳感器優(yōu)越性的介紹我們知道，在智能化照明系統(tǒng)中選擇熱釋電紅外傳感器可以使照明電路更簡單，能實現(xiàn)自動控制。其關(guān)鍵問題就是如何將熱釋電紅外傳感器應(yīng)用與智能化照明系統(tǒng)中，經(jīng)分析一個較完整的熱釋電紅外探測電路應(yīng)包括：傳感器，高、低通放大器，電壓比較器，延時電路及執(zhí)行電路等單元。[7]其中，放大器將傳感器輸出的微弱信號放大到便于測量的信號值，電壓比較器起到鑒別有無人體進入檢測區(qū)的作用，同時也消除環(huán)境溫度變化所產(chǎn)生的干擾。延時電路使人員有充分時間離

40、開衛(wèi)生間。</p><p>　　本設(shè)計涉及到還有一個比較關(guān)鍵性的問題就是：如何將光敏電阻接入電路中，光敏電阻要控制開關(guān)，檢測信號也要控制開關(guān)，如何才能把兩者統(tǒng)一起來，及如何將光敏電阻與熱釋電紅外傳感器、放大器、電壓比較器、延時電路及執(zhí)行電路有效的結(jié)合起來。所以就要分析電路，分析將光敏電阻接入電路的哪部分，怎樣達到有效的控制作用。</p><p>　　2 智能化照明系統(tǒng)的研究</p&g

41、t;<p>　　2.1 智能化照明系統(tǒng)</p><p>　　隨著現(xiàn)代建筑科學(xué)技術(shù)的不斷進步和發(fā)展，人們物質(zhì)文化和精神生活水平迅速的提高智能化已經(jīng)成為當(dāng)今建筑發(fā)展的主流技術(shù)，涵蓋從空調(diào)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)到安全防范系統(tǒng)以及完善的計算機網(wǎng)絡(luò)和通信系統(tǒng)。但是長期以來，智能照明在國內(nèi)一直被忽視，大多數(shù)建筑物仍然沿用傳統(tǒng)的照明控制方式，部分智能大廈采用樓宇自控（BA）系統(tǒng)來監(jiān)控照明，但也只能實現(xiàn)簡單的區(qū)域照明和定時

42、開關(guān)功能。相比之下，智能照明系統(tǒng)體現(xiàn)出強大的優(yōu)越性，它在智能建筑中的應(yīng)用越來越廣泛。</p><p>　　智能照明系統(tǒng)在智能建筑中的應(yīng)用效果如下：</p><p>　?。?）實現(xiàn)照明控制智能化。</p><p>　　采用智能照明控制系統(tǒng)，可以使照明系統(tǒng)工作在全自動狀態(tài)，系統(tǒng)將按先設(shè)定的若干基本狀態(tài)進行工作，這些狀態(tài)會按預(yù)先設(shè)定的時間相互自動地切換。例如，當(dāng)一個工作日

43、結(jié)束后，系統(tǒng)將自動進入晚上的工作狀態(tài)，自動并極其緩慢地調(diào)暗各區(qū)域的燈光，同時系統(tǒng)的移動探測功能也將自動生效，將無人區(qū)域的燈自動關(guān)閉，并將有人區(qū)域的燈光調(diào)至最合適的亮度。此外，還可以通過編程隨意改變各區(qū)域的光照度，以適應(yīng)各種場合的不同場景要求。智能照明可將照度自動調(diào)整到工作最合適的水平。例如，在靠近窗戶等自然采光較好的場所，系統(tǒng)會很好地利用自然光照明，調(diào)節(jié)到最合適的水平。當(dāng)天氣發(fā)生變化時，系統(tǒng)仍能自動將照度調(diào)節(jié)到最合適的水平?？傊瑹o論在

44、什么場所或天氣如何變化，系統(tǒng)均能保證室內(nèi)照度維持在預(yù)先設(shè)定的水平。 </p><p>　?。?）改善工作環(huán)境，提高工作效率。</p><p>　　傳統(tǒng)照明系統(tǒng)中，配有傳統(tǒng)鎮(zhèn)流器的日光燈以100Hz的頻率閃動，這種頻閃使工作人員頭腦發(fā)脹、眼睛疲勞，降低了工作效率。而智能照明系統(tǒng)中的可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器則工作在很高頻率（40~70kHz）不僅克服了頻閃，而且消除了起輝時的亮度不穩(wěn)定，在為人們提供健

45、康、舒適環(huán)境的同時，也提高了工作效率。</p><p>　?。?）可觀的節(jié)能效果。</p><p>　　智能照明控制系統(tǒng)使用了先進的電力電子技術(shù)，能對大多數(shù)燈具（包括白熾燈、日光燈，配以特殊鎮(zhèn)流器的鈉燈、水銀燈、霓虹燈等）進行智能調(diào)光。當(dāng)室外光較強時，室內(nèi)照度自動調(diào)暗，室外光較弱時，室內(nèi)照度則自動調(diào)亮，使室內(nèi)的照度始終保持在恒定值附近，從而能夠充分利用自然光實現(xiàn)節(jié)能的目的。除此之外，智能照

46、明的管理系統(tǒng)采用設(shè)置照明工作狀態(tài)等方式，通過智能化管理實現(xiàn)節(jié)能。</p><p>　?。?）提高管理水平，減少維護費用。</p><p>　　智能照明控制系統(tǒng)將普通照明人為的開與關(guān)轉(zhuǎn)換成了智能化管理，不僅使大樓的管理者能將其高素質(zhì)的管理意識運用于照明控制系統(tǒng)中去，而且將大大減少大樓的運行維護費用，并帶來較大的投資回報。 </p><p>　　2.2 采用智能照明控制

47、系統(tǒng)的重要性 </p><p>　　智能照明控制系統(tǒng)是為了適應(yīng)各種建筑的結(jié)構(gòu)布局以及不同燈具的選配，從而實現(xiàn)照明的多樣化控制。現(xiàn)有的智能照明控制系統(tǒng)主要分為中央集中控制系統(tǒng)及分布式控制系統(tǒng)兩種。</p><p>　　一個現(xiàn)代化的智能辦公大樓，不僅要有足夠的工作照明，更應(yīng)營造一個舒適的視覺環(huán)境，使員工在其中工作保持心情舒暢，提高辦公效率。據(jù)國內(nèi)外有關(guān)資料介紹，辦公照明用電量約占整個大樓能耗的

48、1/3。因此，做好照明設(shè)計，選擇合理的照明方案，配置先進的控制系統(tǒng)，加強照明控制設(shè)計，已成為智能辦公樓的一個重要設(shè)計內(nèi)容。它不僅能有效節(jié)約能源，降低用戶運行費用，還可提高大樓管理水準(zhǔn)。</p><p>　　辦公大樓按照功能區(qū)域劃分，通常會有辦公區(qū)、門廳、會議室、多功能廳等，各個功能區(qū)域的照明具有不同的特點。辦公區(qū)域照明使用的光源主要是熒光燈與白熾燈，其中熒光燈多用于一般照明，白熾燈多用于局部照明，照度水平的設(shè)計主

49、要取決于視覺作業(yè)的需要及經(jīng)濟條件的狀況。辦公區(qū)域的工作時間主要是在白天，可以考慮利用窗外入射的大量自然光進行照度補償，不僅能節(jié)約能源，更能維持室內(nèi)舒適的視覺環(huán)境。</p><p>　　對于一個完整的辦公樓智能照明控制系統(tǒng)來說，辦公區(qū)是辦公樓的主要組成部分，采用智能照明控制系統(tǒng)，可使其照明系統(tǒng)工作在全自動狀態(tài)。通過配置的“智能時鐘管理器”可預(yù)先設(shè)置若干基本工作狀態(tài)，通常分為白天、晚上、清掃、安全、午飯等，根據(jù)預(yù)先設(shè)

50、定的時間段可自動的在各種狀態(tài)之間進行轉(zhuǎn)換。比如：上班時間來臨時，系統(tǒng)自動將燈打開，并將光照度自動調(diào)節(jié)在預(yù)先設(shè)定的水平。在靠窗的房間，系統(tǒng)能智能地利用室外自然光，當(dāng)天氣晴朗，室內(nèi)燈自動調(diào)暗；天氣陰暗，室內(nèi)燈會自動調(diào)亮，以始終保持室內(nèi)恒定的亮度。午餐時間，燈將自動變換到一個舒適、柔和的燈光場景，使工作人員能夠很好地休息和放松。當(dāng)一個工作日結(jié)束時，在智能時鐘管理器的作用下，系統(tǒng)將自動地調(diào)暗各區(qū)域的燈光，進入晚上工作狀態(tài)。同時智能傳感器的動靜探

51、測功能將自動生效。系統(tǒng)處于清掃狀態(tài)時，該區(qū)域的燈保持基本的亮度，當(dāng)清掃人員掃到該區(qū)域時，智能傳感器的動靜探測功能自動生效，點亮該區(qū)域的燈，當(dāng)清掃人員掃完該區(qū)域離開后，延時數(shù)分鐘后將燈關(guān)掉。安全狀態(tài)和清掃狀態(tài)的工作原理相似。智能照明控制系統(tǒng)還能保證辦公區(qū)域和公共區(qū)域協(xié)調(diào)的工作。如：辦公區(qū)域有員工加班時，電梯廳、走廊等公共區(qū)域的燈</p><p>　　從以上對智能照明控制系統(tǒng)的介紹，可以知道智能照明控制系統(tǒng)不僅可以滿

52、足和實現(xiàn)不同的燈光效果要求，實現(xiàn)照明的高層次智能管理，改善工作環(huán)境，提高工作效率，還可節(jié)約能源，延長燈具壽命，減少用戶維護費用。隨著建筑和照明技術(shù)的進步，照明和建筑融為一體，照明已成為建筑藝術(shù)的一部分，讓我們大家共同努力，將更多、更好的智能照明控制系統(tǒng)應(yīng)用到智能建筑的設(shè)計中去，營造出藝術(shù)、智能化的光環(huán)境，賦建筑與生命。</p><p>　　基于紅外傳感器的衛(wèi)生間智能化照明系統(tǒng)的設(shè)計就是利用動靜探測功能來實現(xiàn)人來燈

53、亮，人走燈滅的自動控制方式，從而實現(xiàn)節(jié)約能源，提高工作效率，延長燈具壽命，減少用戶維護費用。這種控制方式簡單、成本低，省去了復(fù)雜的集成應(yīng)用芯片，并可單獨控制，不需要中央集中控制，后面將會介紹到，本電路還可實現(xiàn)根據(jù)光線明暗自動調(diào)節(jié)電路的功能。</p><p>　　2.3 智能照明控制系統(tǒng)的優(yōu)點</p><p>　　智能照明控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)照明控制系統(tǒng)相比，在控制方式、照明方式、管理方式以及節(jié)能

54、方面等均有不少優(yōu)點。</p><p>　　首先在控制方式和照明方式上，傳統(tǒng)照明控制采用手動開關(guān)，只有開和關(guān)，而且只能一路一路地開和關(guān)。而智能照明控制采用調(diào)光模塊，通過燈光的調(diào)光在不同使用場合產(chǎn)生不同的燈光效果，營造出不同的舒適的視覺氛圍。在控制上采用低壓二次小信號控制，控制方式多，功能強，范圍廣，自動化程度高。其次，智能照明控制系統(tǒng)由于使用了自動化照明控制，智能利用光照以及通過網(wǎng)絡(luò)，只需一臺計算機就可對整個大樓的

55、照明實現(xiàn)合理的能源管理自動化，不僅減少了不必要的耗電開支，同時也降低了用戶的運行維護費用，在節(jié)能方面可比傳統(tǒng)照明控制節(jié)電20%以上。另外，在智能照明控制系統(tǒng)中，由于可通過系統(tǒng)人為地設(shè)置電壓限制，可以避免或降低電網(wǎng)電壓以及浪涌電壓對燈具的沖擊，從而起到保護燈具，延長燈具使用壽命的作用。而更值得一提的是智能照明控制系統(tǒng)是一個開放式的系統(tǒng)，通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口可方便地與BAS系統(tǒng)聯(lián)接，實現(xiàn)智能大樓的計算機系統(tǒng)集成。</p><

56、p>　　2.4 基于紅外熱釋傳感器的智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計方法和步驟</p><p>　　熱釋電紅外傳感器是智能化照明控制系統(tǒng)的核心器件，設(shè)計是從熱釋電紅外傳感器下手，再按照照明電路編制信號處理電路來完成。其設(shè)計一般可分為：</p><p>　　第一步：編制照明回路負載清單。</p><p>　　在這個系統(tǒng)中傳感器首先將人體運動信號采集到，經(jīng)內(nèi)部處理后送外部信

57、號處理電路處理，處理后的信號作為照明電路的控制信號。整個電路由傳感器、放大電路、濾波電路、電壓比較器、及延時電路組成。其次，應(yīng)核對每條照明回路的處理先后順序做簡單的排列。最后，還要對一些照明回路的劃分作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，優(yōu)化系統(tǒng)方案，使其更適合場景配置的需要，該系統(tǒng)可隱蔽安裝，各元器件可集成在同一塊電路板上，減小了系統(tǒng)的體積，各模塊可組合構(gòu)成一個優(yōu)美的照明藝術(shù)環(huán)境。</p><p>　　第二步：按照明控制要求選擇控制面

58、板和其他相關(guān)控制部件。</p><p>　　人體感應(yīng)傳感器：該裝置適用于酒店內(nèi)的小型會議室、會客室、衛(wèi)生間等場所。人體感應(yīng)器可自動檢測該空間內(nèi)的人體溫度：當(dāng)室內(nèi)有人時，自動開燈；無人時，自動關(guān)燈既方便又可避免浪費能源，目前已廣泛地使用于需要短時間不定期的照明場所。</p><p>　　通過以上控制方式的使用，可以達到：</p><p>　　（1）系統(tǒng)節(jié)能：即通過合理

59、的測控手段，解決建筑物總體能量的需求、輸送和供給的平衡，節(jié)約運行開支在20％－40％左右。</p><p>　?。?）設(shè)備節(jié)能：在滿足系統(tǒng)的總體要求下，使各種設(shè)備工作在最低能耗的狀態(tài)。</p><p>　?。?）管理節(jié)能：通過提供設(shè)備運行的各種數(shù)據(jù)，使管理者準(zhǔn)確掌握系統(tǒng)的運行狀況，為管理工作提供人性化服務(wù)，并且，由于設(shè)施設(shè)備的自控及保護功能提高，可相應(yīng)的減少運行維護人員的數(shù)量，進一步減少開

60、支。</p><p>　?。?）壽命延長：通過系統(tǒng)運行的合理策略，縮短設(shè)備的運行時間和減輕負荷，可以降低設(shè)備的維護和更換費用，有效的延長設(shè)備使用壽命。</p><p>　　第二步：按照明回路的性能選擇相關(guān)的元器件</p><p>　　本系統(tǒng)采用的是“雙元型”熱釋電紅外傳感器就是要利用其結(jié)構(gòu)上具有的與單型器件不同的特點來實現(xiàn)對人體運動方向的判斷。單型熱釋電紅外傳感器由

61、于只有唯一的一個敏感元件，因而對環(huán)境溫度變化和人體運動會產(chǎn)生同樣的反應(yīng)信號。而雙元型熱釋電紅外傳感器具有兩個完全相同的敏感元件，它們按照極化方向反相串聯(lián)或并聯(lián)，其中只有一個敏感元件是用來檢測紅外線，而另一個要在表面蒸上紅外反射膜，它的作用是用來補償噪聲。</p><p><b>　　第四步：選擇附件。</b></p><p>　　由于傳感器只對人體運動敏感，當(dāng)人靜止不

62、動時傳感器無輸出，而人進入衛(wèi)生間后有分鐘的停留時間，所以在照明燈開啟后必須延時一段時間，本電路采用的是555定時器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可實現(xiàn)延時功能，為適應(yīng)光照不同時光照控制方式不同的特點，采用光敏電阻控制555定時器在等待和工作狀態(tài)之間切換。</p><p>　　第五步：編制系統(tǒng)設(shè)備配置表。</p><p>　　由于不同元件在不同的電壓下工作，考慮器件允許通過最大電流和最大耗散功率。采用穩(wěn)

63、壓管將電壓穩(wěn)定在一定的數(shù)值，或采用電阻的分壓和限流作用將電壓和電流限定在適合器件工作的范圍之內(nèi)。</p><p><b>　　3 光電器件介紹</b></p><p><b>　　3.1 光敏電阻</b></p><p>　　3.1.1 光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理</p><p>　　光敏電阻又稱光導(dǎo)

64、管, 它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。光敏電阻沒有極性, 是一個電阻器件。制作光敏電阻的材料一般是金屬硫化物和金屬硒化物，通常采用涂敷、噴涂等方法，在陶瓷基片上涂上半導(dǎo)體薄膜，經(jīng)燒結(jié)而成。</p><p>　　光敏電阻的結(jié)構(gòu)：在底板上均勻地涂上一層薄薄的半導(dǎo)體物質(zhì)，稱為光導(dǎo)層。半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極與引出線端相連接，通過引出線端接入電路。為了防止周圍介質(zhì)的影響，在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋了一層漆膜，漆膜的成分應(yīng)

65、使它在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大。為了提高靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀圖案，光敏電阻結(jié)構(gòu)，光敏電阻電極，光敏電阻接線圖光敏電阻工作原理--內(nèi)光電效應(yīng)。光照射到本征半導(dǎo)體上，材料中的價帶電子吸收了光子能量躍遷到導(dǎo)帶，激發(fā)出電子、空穴對，增強了導(dǎo)電性能，使阻值降低。光照停止，電子空穴對又復(fù)合，阻值恢復(fù)。亮電阻很小，暗電阻很大。要使價帶電電子躍遷到導(dǎo)帶，入射光子的能量滿足剛好發(fā)生內(nèi)光電效應(yīng)的臨界波長。</p>&l

66、t;p>　　3.1.2 光敏電阻的主要參數(shù)與基本特性</p><p><b>　　主要參數(shù)有</b></p><p>　　(1) 暗電阻 亮電阻光電流</p><p>　　暗電阻：光敏電阻在不受光照射時的阻值稱為暗電阻， 此時流過的電流稱為暗電流。</p><p>　　亮電阻：光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻

67、，此時流過的電流稱為亮電流。</p><p>　　光電流：亮電流與暗電流之差稱為光電流。</p><p>　　(2) 光譜范圍：對應(yīng)于一定敏感程度的波長響應(yīng)區(qū)間。</p><p>　　(3) 響應(yīng)時間：光敏電阻從停止光照到電流下降到原來值的63%所需要的時間（無其他負載），一般低于20ms。</p><p>　　基本特性：光照特性 光電靈敏

68、度 光譜特性</p><p>　　光照特性：在一定外加電壓下，光敏電阻光電流和光照強度之間的關(guān)系，不同材料的光照特性是不同的，絕大多數(shù)光敏電阻光照特性是非線性的。圖為硫化鎘光敏電阻的光照特性。光敏電阻不宜用作測量元件，但可用于自動控制中的光電開關(guān)；</p><p>　　光電靈敏度：單位光通量入射時光敏電阻輸出的光電流單位外加電壓下的光電靈敏度稱相對靈敏度。</p><

69、p>　　光譜特性：光敏電阻對入射光的光譜具有選擇作用，即光敏電阻對不同波長的入射光有不同的靈敏度。光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關(guān)系稱為光敏電阻的光譜特性，亦稱為光譜響應(yīng)。對應(yīng)于不同波長，光敏電阻的靈敏度是不同的，不同材料的光敏電阻光譜響應(yīng)曲線也不同。硫化鎘光敏電阻的光譜響應(yīng)的峰值在可見光區(qū)域，常被用作照度計的探頭。而硫化鉛光敏電阻響應(yīng)于近紅外和中紅外區(qū)， 常用做火焰探測器的探頭。 </p><p>

70、　　頻率特性：光敏電阻的光電流不能隨著光強改變而立刻變化，即光敏電阻產(chǎn)生的光電流有一定的惰性，這種惰性通常用時間常數(shù)表示。 大多數(shù)的光敏電阻時間常數(shù)都較大。 </p><p>　　溫度特性：光敏電阻溫度變化影響光敏電阻的光譜響應(yīng)。 溫度變化時，影響光敏電阻的光譜響應(yīng)、靈敏度和暗電阻，尤其是響應(yīng)于紅外區(qū)的硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大。硫化鉛光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使用。</p><p>

71、;　　對于可見光的光敏電阻， 其溫度影響要小一些。 </p><p>　　光敏電阻優(yōu)缺點：光敏電阻具有光譜特性好、允許的光電流大、靈敏度高、使用壽命長、體積小等優(yōu)點，所以應(yīng)用廣泛。此外許多光敏電阻對紅外線敏感，適宜于紅外線光譜區(qū)工作。光敏電阻的缺點是型號相同的光敏電阻參數(shù)參差不齊，并且由于光照特性的非線性，不適宜于測量要求線性的場合，常用作開關(guān)式光電信號的傳感元件。</p><p>　　3

72、.1.3 光敏電阻的應(yīng)用</p><p>　　常用的光敏電阻器是硫化鎘光敏電阻器，它是由半導(dǎo)體材料制成的。光敏電阻器的阻值隨入射光線（可見光）的強弱變化而變化，在黑暗條件下，它的阻值（暗阻）可達1~10MΩ；在強光條件（100LX）下，它阻值（亮阻）僅有幾百至數(shù)千歐姆。光敏電阻器對光的敏感性（即光譜特性）與人眼對可見光（0.4~0.76um）的響應(yīng)很接近，只要人眼可感受的光，都會引起它的阻值變化。</p&g

73、t;<p>　　本電路采用MG42型CdS光敏電阻，CdS光敏電阻屬半導(dǎo)體光敏器件，產(chǎn)品經(jīng)受強化老練實驗，除具有靈敏度高，反應(yīng)速度快，光譜特性好等特點外，在高溫、多濕的惡劣環(huán)境下，仍能保持其高度的穩(wěn)定性和可靠性，適合于將其用于衛(wèi)生間潮濕的環(huán)境，MG42型光敏電阻與其它型號相比具有：工作電壓和額定功率比較低的特點，其亮、暗電阻也適合于本照明電路的需要，所以在設(shè)計時選擇了這個型號。</p><p>　　

74、3.2 可控硅元件的工作原理及基本特性</p><p>　　3.2.1 工作原理</p><p>　　可控硅是P1N1P2N2四層三端結(jié)構(gòu)元件，共有三個PN結(jié)，分析原理時，可以把它看作由一個PNP管和一個NPN管所組成，其等效圖解如圖3-1所示</p><p>　　圖3-1 可控硅等效圖解圖</p><p>　　當(dāng)陽極A加上正向電壓時，BG1

75、和BG2管均處于放大狀態(tài)。此時，如果從控制極G輸入一個正向觸發(fā)信號，BG2便有基流ib2流過，經(jīng)BG2放大，其集電極電流ic2=β2ib2。因為BG2的集電極直接與BG1的基極相連，所以ib1=ic2。此時，電流ic2再經(jīng)BG1放大，于是BG1的集電極電流ic1=β1ib1=β1β2ib2。這個電流又流回到BG2的基極，表成正反饋，使ib2不斷增大，如此正向饋循環(huán)的結(jié)果，兩個管子的電流劇增，可控硅使飽和導(dǎo)通。</p>&l

76、t;p>　　由于BG1和BG2所構(gòu)成的正反饋作用，所以一旦可控硅導(dǎo)通后，即使控制極G的電流消失了，可控硅仍然能夠維持導(dǎo)通狀態(tài)，由于觸發(fā)信號只起觸發(fā)作用，沒有關(guān)斷功能，所以這種可控硅是不可關(guān)斷的。</p><p>　　由于可控硅只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開關(guān)特性，這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化，此條件見表3-1</p><p>　　表3-1 可控硅導(dǎo)通和關(guān)斷條件</p

77、><p>　　3.2.2 基本伏安特性</p><p>　　可控硅的基本伏安特性見圖3-2</p><p>　　圖3-2 可控硅基本伏安特性 </p><p><b>　?。?）反向特性</b></p><p>　　當(dāng)控制極開路，陽極加上反向電壓時（見圖3-3），J2結(jié)正偏，但J1、J2結(jié)反

78、偏。此時只能流過很小的反向飽和電流，當(dāng)電壓進一步提高到J1結(jié)的雪崩擊穿電壓后，接差J3結(jié)也擊穿，電流迅速增加，圖3-2的特性開始彎曲，如特性O(shè)R段所示，彎曲處的電壓URO叫“反向轉(zhuǎn)折電壓”。此時，可控硅會發(fā)生永久性反向擊穿。</p><p>　　圖3-3 陽極加反向電壓</p><p><b>　?。?）正向特性</b></p><p>　　當(dāng)

79、控制極開路，陽極上加上正向電壓時（見圖3-4），J1、J3結(jié)正偏，但J2結(jié)反偏，這與普通PN結(jié)的反向特性相似，也只能流過很小電流，這叫正向阻斷狀態(tài)，當(dāng)電壓增加，圖3-2的特性發(fā)生了彎曲，如特性O(shè)A段所示，彎曲處的是UBO叫：正向轉(zhuǎn)折電壓 </p><p>　　圖3-4 陽極加正向電壓</p><p>　　由于電壓升高到J2結(jié)的雪崩擊穿電壓后，J2結(jié)發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生大量

80、的電子和空穴，電子時入N1區(qū)，空穴時入P2區(qū)。進入N1區(qū)的電子與由P1區(qū)通過J1結(jié)注入N1區(qū)的空穴復(fù)合，同樣，進入P2區(qū)的空穴與由N2區(qū)通過J3結(jié)注入P2區(qū)的電子復(fù)合，雪崩擊穿，進入N1區(qū)的電子與進入P2區(qū)的空穴各自不能全部復(fù)合掉，這樣，在N1區(qū)就有電子積累，在P2區(qū)就有空穴積累，結(jié)果使P2區(qū)的電位升高，N1區(qū)的電位下降，J2結(jié)變成正偏，只要電流稍增加，電壓便迅速下降，出現(xiàn)所謂負阻特性，見圖3-2的虛線AB段。</p>&

81、lt;p>　　這時J1、J2、J3三個結(jié)均處于正偏，可控硅便進入正向?qū)щ姞顟B(tài)---通態(tài)，此時，它的特性與普通的PN結(jié)正向特性相似，見圖3-2中的BC段</p><p>　　3.2.3 可控硅的觸發(fā)導(dǎo)通</p><p>　　在控制極G上加入正向電壓時（見圖3-5）因J3正偏，P2區(qū)的空穴時入N2區(qū)，N2區(qū)的電子進入P2區(qū)，形成觸發(fā)電流IGT。在可控硅的內(nèi)部正反饋作用（見圖2）的基礎(chǔ)上，

82、加上IGT的作用，使可控硅提前導(dǎo)通，導(dǎo)致圖3-2的伏安特性O(shè)A段左移，IGT越大，特性左移越快。</p><p>　　圖3-5 陽極和控制極均加正向電壓 </p><p>　　利用可控硅的觸發(fā)導(dǎo)通性能就可實現(xiàn)對照明燈的控制，即相當(dāng)于一個開關(guān)的作用。單向可控硅具有一觸即發(fā)實現(xiàn)自鎖的功能。本電路選用單向可控硅，其最大工作電流（1A）和最高工作電壓（400V）完全能滿足本電路的需要，控制極電流在

83、10uA～30uA之間，故觸發(fā)靈敏度很高。</p><p>　　3.3 菲涅爾透鏡的應(yīng)用</p><p>　　所謂的菲涅爾透鏡就是一種由塑料制成的特殊設(shè)計的光學(xué)透鏡組，它與熱釋電元件配合，可以提高傳感器的靈敏度，擴大監(jiān)視范圍。實驗證明，傳感器加上菲涅爾透鏡后，其檢測距離可以由原來的2米而增加到10米。透鏡的工作原理是當(dāng)移動物體或人體發(fā)射的紅外線進入透鏡的監(jiān)視范圍，就會產(chǎn)生一個交替的“盲區(qū)”

84、和“高敏感區(qū)”，使傳感器晶片的兩個反向串聯(lián)的熱釋電元件是輪流感受到運動物體，所以人體的紅外輻射以光脈沖的形式不斷改變熱釋電元件的溫度，使它輸出一串脈沖信號，若人體靜止不動地站在熱釋電元件前，它會無輸出，可提高熱釋電紅外傳感器的抗干擾性能。[9]</p><p>　　菲涅爾透鏡的主要作用就是將探測空間的紅外線有效地集中到傳感器上。通過分布在鏡片上的同心圓的窄帶（視窗）用來實現(xiàn)紅外線的聚集，相當(dāng)于凸透鏡的作用。這部分

85、選擇主要是看透鏡窄帶的設(shè)計及透鏡材質(zhì)?？紤]透鏡的參數(shù)主要有：光通量、不同透鏡同心度、厚度不均勻性、透鏡光軸與外形同心度、透過率、焦距誤差等。菲涅爾透鏡窄帶（視窗）的設(shè)計一般都是不均勻的，自上而下分為幾排，上面較多、下邊較少，一般中間密集、兩側(cè)疏。因為人臉部、膝部、手臂紅外輻射較強，正好對著上邊的透鏡；下邊較少，一是因為人體下部紅外輻射較弱，二是為防止地面小動物紅外輻射干擾。材質(zhì)一般用有機玻璃。</p><p>　

86、　4 紅外熱釋傳感器在智能化照明系統(tǒng)中的應(yīng)用研究</p><p>　　4.1 紅外輻射的基本知識</p><p>　　紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射，它是由于物體(固體、氣體和液體)內(nèi)部分子的轉(zhuǎn)動及振動而產(chǎn)生。這類震動是由物體受熱引起的。只有在絕對零度時（-273.16℃），一切物體的分子才停止運動。</p><p>　　在一般常溫下，所有物體都是紅外輻射的發(fā)射源，如火

87、焰、汽車、動植物、人體都是紅外輻射源，但發(fā)射的紅外波長不同而已。</p><p>　　紅外線和所有電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉和吸收等性質(zhì)，但它的特點是熱效應(yīng)最大。實踐證明，溫度愈低的物體輻射的紅外線波長愈長，人體的溫度在37℃左右，所發(fā)射的紅外波長為9～10um（屬于遠紅外區(qū)），加熱到400～700℃的物體其發(fā)射的紅外線波長為3～5um（屬于中紅外區(qū)），因此，熱釋電紅外傳感器可根據(jù)物體的表面溫度不同而

88、發(fā)出不同波段的紅外光而進行溫度檢測的。[8]</p><p><b>　　4.2 紅外傳感器</b></p><p>　　4.2.1定義與分類</p><p>　　紅外傳感器（也稱為紅外探測器）是能將紅外輻射能轉(zhuǎn)化為電能的光敏紅外傳感器，它是紅外探測器件的關(guān)鍵部件，它的性能好壞將直接影響系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。因此，選擇合適的、性能良好的紅外傳感器，對

89、紅外探測器是十分重要的。紅外傳感器件可分為熱釋電型紅外光敏器件和量子型紅外光敏器件。兩者的區(qū)別在于：前者先把紅外光能轉(zhuǎn)變?yōu)樘綔y元自身的溫度變化，再利用熱電效應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)的電信號，這種方式有較寬的紅外波長響應(yīng)范圍，價格較便宜，但靈敏度低，響應(yīng)速度慢；后者在受到紅外光照時，器件的電阻值或兩端的電動勢會產(chǎn)生變化，從而直接產(chǎn)生電信號。這種方式靈敏度高，響應(yīng)速度快，但紅外波長響應(yīng)范圍較窄，價格較高，且需在低溫條件下使用。其中，熱釋電型探測器在熱探測

90、器中探測率最高，頻率響應(yīng)最寬，所以這種探測器倍受重視，發(fā)展很快。</p><p>　　4.2.2 熱釋電效應(yīng)</p><p>　　當(dāng)一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產(chǎn)生數(shù)量相等而符號相反的電荷，這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象，被稱為熱釋電效應(yīng)。通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被來自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化電矩不能表現(xiàn)出來。當(dāng)溫度變化時，晶體結(jié)構(gòu)中的正負電荷重心相對移

91、位，自發(fā)極化發(fā)生變化，晶體表面就會產(chǎn)生電荷耗盡，電荷耗盡的狀況正比于極化程度，圖4.1.2表示了熱釋電效應(yīng)形成的原理。</p><p>　　4-1 熱釋電效應(yīng)形成的原理</p><p>　　熱釋電傳感器正是利用熱釋電效應(yīng)制成的。能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱之為熱釋電體或熱釋電元件，其常用的材料有單晶(LiTaO3 等)、壓電陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）。[10]<

92、/p><p>　　4.2.3 熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu) </p><p>　　結(jié)構(gòu)上，雙元型紅外線傳感器主要有：敏感元件、場效應(yīng)管、高阻抗變換管、濾光</p><p>　　4-2 熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)</p><p>　　窗等。敏感元件：2個極性相反熱釋電單元，可以抵抗可見光、大部分紅外線干擾，只對運動人體敏感。場效應(yīng)管和高阻抗變

93、換管：用于阻抗變換和信號放大。濾光窗：在一塊玻璃上鍍的多層濾光薄膜，對陽光、電 燈光抗干擾，僅對人體發(fā)出的紅外線(波長7~14um)最敏感自然界任何高于 -273K的物體都將產(chǎn)生紅外光譜，溫度不同對應(yīng)的紅外線波長也不同。人體都有恒定的體溫，一般為37度，發(fā)出10微米左右的特定波長紅外線。菲涅爾透鏡：增大熱釋電傳感器的探測距離，是一組透鏡，每個只有一個不大的視場，且相鄰視場不連續(xù)都相隔一個盲區(qū)。當(dāng)人體在具有此透鏡的傳感器監(jiān)控范圍內(nèi)移動時，

94、形成一個不斷交替變化的盲區(qū)和亮區(qū)使敏感單元的溫度不斷變化。[11]在熱釋電紅外傳感器中有兩個關(guān)鍵性的元件，一個是熱釋電紅外敏感單元(PIR)，它能將波長為7~14um之間的紅外信號變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，并能對自然界中的白光信號具有抑制作用。另外一個元件是菲涅爾透鏡，有折射式和反射式，作用有兩個：一是聚焦作用，即將紅外信號折射（反射）在PIR上，二是將警戒區(qū)內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入警戒區(qū)的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋

95、紅外信號，</p><p>　　4.2.4 熱釋電紅外傳感器的工作原理及特性</p><p>　　熱釋電傳感器是對溫度敏感的傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，在元件兩個表面做成電極，在探測器的警戒區(qū)內(nèi)，當(dāng)無人體移動時，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的只是背景溫度，當(dāng)人體進人警戒區(qū)，通過菲涅爾透鏡，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的是人體溫度與背景溫度的差異信號ΔT，熱釋電效應(yīng)會在兩個電極上產(chǎn)生電荷Δ

96、Q，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱的電壓ΔV。由于它的輸出阻抗極高，在傳感器中有一個場效應(yīng)管進行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷ΔQ會被空氣中的離子所結(jié)合而消失，即當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時，ΔT=0，則傳感器無輸出。當(dāng)人體進入檢測區(qū)，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生ΔT，則有ΔQ輸出；若人體進入檢測區(qū)后不動，則溫度沒有變化，傳感器也沒有輸出了。[12]所以這種傳感器檢測人體或者動物的活動傳感。紅外探測器的紅外探測的基本概念就是感應(yīng)移動物體與背景物

97、體的溫度的差異。</p><p>　　人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會發(fā)出特定波長10um左右的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的10um左右的紅外線而進行工作的。人體發(fā)射的10UM左右的紅外線通過菲泥爾濾光片增強后聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后輸出控制信號。 </p>

98、<p>　?。?）這種探頭是以探測人體輻射為目標(biāo)的。所以熱釋電元件對波長為10UM左右的紅外輻射必須非常敏感。</p><p>　?。?）為了僅僅對人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲尼爾濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的控制作用。</p><p>　?。?）被動紅外探頭，其傳感器包含兩個互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元。而且制成的兩個電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對兩個熱

99、釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測器無信號輸出。 </p><p>　?。?）一旦人侵入探測區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，經(jīng)信號處理而報警。</p><p>　?。?）菲尼爾濾光片根據(jù)性能要求不同，具有不同的焦距（感應(yīng)距離），從而產(chǎn)生不同的監(jiān)控視場，視場越多，控制越嚴(yán)密。</

100、p><p>　　4.3 紅外傳感器的性能參數(shù)</p><p><b>　　（1）電壓響應(yīng)率r</b></p><p>　　當(dāng)（經(jīng)過調(diào)制的）紅外輻射照射到傳感器的敏感面上時，傳感器的輸出電壓與輸入紅外輻射功率之比，叫做傳感器的電壓響應(yīng)率，記作r</p><p>　　r = U0 / P</p><p>

101、　　式中 r — 響應(yīng)率(V/W)；U0 — 輸出電壓(V)；P — 紅外輻射功率(W)。</p><p><b>　?。?）響應(yīng)波長范圍</b></p><p>　　響應(yīng)波長范圍（或稱光譜響應(yīng)），是表示傳感器的電壓響應(yīng)率與入射的紅外輻射波長之間的關(guān)系。由于熱電傳感器的電壓響應(yīng)率與波長無關(guān)，它的響應(yīng)率曲線是一條平行與橫坐標(biāo)的直線。而光子傳感器的電壓響應(yīng)率是一條隨波長變

102、化而變化的曲線。一般將響應(yīng)率最大值所對應(yīng)的波長稱為峰值波長，而把響應(yīng)率下降到響應(yīng)值的一半所對應(yīng)的波長稱為截止波長，它表示著紅外傳感器使用的波長范圍。</p><p><b>　?。?）噪聲等效功率</b></p><p>　　若投射到紅外傳感器敏感面上的紅外輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓正好等于傳感器本身的噪聲電壓，這個輻射功率就叫做噪聲等效功率(NEP)。噪聲等效功率是信

103、噪比為一的紅外傳感器探測到的最小輻射功率。</p><p><b>　?。?）探測率</b></p><p>　　探測率是噪聲等效功率的倒數(shù)，即</p><p><b>　　D=1/NEP</b></p><p>　　紅外傳感器的探測率越高，表明傳感器探測到的最小輻射功率越小，傳感器就越靈敏。<

104、;/p><p><b>　?。?）時間常數(shù)</b></p><p>　　時間常數(shù)表示紅外傳感器的輸出信號隨紅外輻射變化的速率。輸出信號滯后于紅外輻射的時間，稱為傳感器的時間常數(shù)。 </p><p>　　本電路應(yīng)選用靈敏度高、響應(yīng)速度快的熱釋電紅外傳感器，即傳感器的時間常數(shù)越小越好，電壓響應(yīng)率應(yīng)比較高，響應(yīng)波長應(yīng)在人體輻射的紅外波長范圍之內(nèi)。根據(jù)

105、熱釋電紅外傳感器的性能參數(shù)值使用時應(yīng)配合菲涅爾透鏡。 </p><p>　　4.4 紅外傳感器應(yīng)用</p><p>　　4.4.1 光控電路原理</p><p>　　利用光敏元件隨光照強度的變化而阻抗發(fā)生變化的特點，去控制電信號的強弱，再由傳感器將變化的電信號傳遞給觸發(fā)器，只要電信號強度達到一定程度將觸發(fā)觸發(fā)器使其導(dǎo)通工作。光控照明電路其主要功能