昆明学院2012届毕业设计（论文）设计（论文）题目物联网技术应用在节电方面的研究与实践子课题题目热释电人体感应开关在楼道的应用
姓名李昕
学号 20091102119
所属系信息技术学院
专业年级 09级计算机应用技术1班
指导教师王玉见
2012 年 5 月
摘要
本文介绍了红外线感应开关的原理，采用热释电红外探头(LN074B）将接收到的微弱信号加以放大，然后驱动继电器，制成热释电红外感应开关。利用红外感应技术和光学原理，通过控制电路来实现智能开关。当人进入感应范围内时，专用传感器探测到移动热源（人体红外线光谱）的变化，就会自动把灯点亮，当人离开之后，在预先设定的时间延时后，灯会自动熄灭。本设计结构简单，本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，价格低廉，隐蔽性好，应用范围广，所以可以通过扩展而达到实际的应用。人到灯亮，人离灯熄，亲切方便，安全节能。
关键词：红外线感应；智能开关；价格低廉；安全方便
Abstract
This paper introduces the principle of the infrared sensor swith, the use of
pyroelectric infrared sensor (PT8A2621)will receive the weak signal to be
amplified, then drive the relay, made of pyroelectric infrared sensor switch.
Using the infrared sensing technique and optical principle, through the control circuit to realize intelligent switch. Simple structure of this design, the device power consumption is very small, low cost, covert, and a wide range of
applications, it can be achieved through the expansion of practical application When people enter induction range, special sensors to detect human infrared spectroscopy(mobile source), will be the lamp, and when people leave, after a predetermined time delay, lights will to te lamp, people from the light energy security, convenience.
Keywords: Infrared sensor; Intelligent switch; Low cost; Security Convenience
目录
摘要 (2)
第一章前言 (1)
1.1 人体红外感应开关研究目的意义 (1)
1.2 照明开关的发展过程 (2)
1.2.1 、传统单控电路 (2)
1.2.2 、声控开关 (3)
1.2.3 、触摸式开关 (3)
1.2.4 、人体红外线感应开关 (3)
第二章人体红外感应系统 (5)
2.1红外线 (5)
2.2传感器 (5)
2.3 CDS传感器 (5)
2.4热释电人体红外感应原理 (6)
2.4.1热释电人体红外感应的系统构成 (6)
2.5热释电红外传感器的特点 (8)
2.6热释电红外传感器的安装要求 (8)
2.7热释电人体感应开关原理图 (9)
2.7.1电路工作原理: (9)
2.7.2 电路元件选用 (10)
2.7.3电路探头的安装 (10)
2.7.4电路调试 (10)
第三章热释电感应开关电路图 (10)
3.1 人体红外感应开关电路图 (11)
3.2 电路中主要元件介绍 (12)
3.2.1集成电路芯片 (12)
3.2.2继电器 (14)
3.2.3三极管 (15)
第四章结论 (17)
参考文献 (19)
谢辞 (20)
第一章前言
随着国民经济的飞速发展，节能与环保已经成为当代产品开发的首要考虑因素和最大的卖点。由于许多不可控因素的出现及人们日常习惯所限，加上我国新能源研发方面处于落后局面，造成了大量的电能的浪费。这种现象在我们生活中随处可见，如空无一人的教室十多盏日光灯依旧亮着，非常安静的楼道内灯火通明，卫生间无人使用却不熄灭的灯光……我国已经成为世界上的耗能大国，建设节能型社会已成为国家发展的重要目标。
1.1 人体红外感应开关研究目的意义
一个优秀的照明系统不仅可以提升照明环境的品质，还要做到充分利用和节约能源。随着社会的发展和人们对生态环境的重视，声光控灯具和开关已慢慢不能满足人们的需要，这就要求更加节能和环保的自动照明控制产品的出现，以满足人们对高质量生活的需求。
通过本设计了解红外线感应灯控制系统的工作原理，进而研究红外线感应灯控制系统的设计方法。通过已学的模拟电路知识设计红外线感应灯控制开关电路，再利用由光敏电阻组成的光感电路来控制感应灯开关的触发与否，将控制开关与节能灯组成照明系统。
红外线感应智能开关是以成熟的红外线感应技术为平台，加入更多的高新技术元素而形成的一种具有广阔市场前景的高科技产品，触发的时候不需要人发出任何声音，而是人走过时身体向外界散发红外热量最终控制灯具的开启，当人离开后，经过一定时间的延时，自动熄灭。它的出现弥补了声光控技术的缺陷，从而避免了声控噪音的侵扰，同时因为它是感应人体热量控制开关，所以避免了无效电能的损耗，达到节能效果。红外线感应照明系统使用于楼宇建筑：走廊、楼道、卫生间、地下室、车库等场所的自动照明、排气扇的自动抽风以及其它电器的自动控制等功能。防盗：安装在阳台等位置，起到防范窃贼人侵的作用。幼儿房：幼儿从睡梦中醒来有活动时，灯自动打开，消除幼儿的恐惧心理。
热释电红外传感器因其价格低廉、技术性能稳定而在人体探测器领域中
受到广大用户和专业人士的欢迎，其抗干扰性能强，能防小动物及电磁干扰等，不易产生误报信号，是楼道智能化照明的好助手。
1.2 照明开关的发展过程
在远古时代，人们利用自然光源，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。
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。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，实现远程距离操纵。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，主要有声控开关、触摸式延时开关、红外开关、感应开关等。经过多年的使用，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。
1.2.1 传统单控电路
传统的照明系统结构简单、售价低廉和安装使用方便。
功能特点：
1、控制开关直接在负载回路中。
2、当负载较大时，需相应增大控制开关的容量。
3、当开关离负载较远时，大截面电缆用量增加。
4、只能实现简单的开关功能。
5、传统控制使用手动控制，必须一路一路地开或者关。
6、传统控制对照明的管理是人为化的管理。
缺点是：
1、由于是手动开关，人们在一片漆黑中不得不摸索电灯开关，给人们生活带来不便；
2、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，不仅浪费电能也造成灯泡常被烧坏，若不及时修理又会产生其他不便；
3、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。
1.2.2 声控开关
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。声控开关旁边还有一个延时开关，使得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。但是由于声控本身感应元件属于机械式，所以容易受机械疲劳影响，后期只有靠人为制造噪音才能触发，若在夜间这样往往影响到人们的睡眠。另外声控开关易受自然界较大响声（如雷声、喇叭声、关门声等）的误扰，造成电能浪费。
1.2.3 触摸式开关
触摸式延时开关利用的是与试电笔同样的原理，即在人体和电源间串联一个很大的电阻，这样通过人体会形成一个低电压的电流最终流入大地，形成触发回路，就可以触发延时开关开始计时并接通电灯主回路，灯就亮了。因此，凡是用导体接触触摸开关，灯都能亮（比如用手拿钥匙，钢勺子，都行），方便轻巧。
触摸式开关除了易受损坏，不安全外，还有传染病菌的弊病，很难在公关场所使用，特别是在医院这样人员复杂的场所。
1.2.4 人体红外线感应开关
人体是一个特定波长红外线的发射体，由专门设计的传感器就可以针对性的检测到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。将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，使错误动作降到最低。并且体积小，自耗电微小。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做到人到灯亮，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。
综上所述，在比较了各种感应开关的特点之后并结合当前社会提倡节能减排的要求，显而易见人体红外线感应开关更能满足社会所需，应用前景广泛。触摸开关，生产调试困难，无法上批量生产。触摸感应面板工作不稳定，在潮湿、强干扰环境下容易误动，产品长期工作稳定性差，造成客户退货。声控开关，外界噪音误使开关开启，如犬吠声，汽车喇叭声会造成资源的浪费。在开关使用的后期，声控感应元件老化只有靠人为制造噪音才能启动，这显然打扰了别人的安静，特别在夜间往往影响睡觉的人。而人体红外线感应开关年耗电量小，利用人体红外线感应原理，辅之高精密传感器能够很好节能，所以应采用人体红外线感应开关。
本文主要讨论红外线感应灯在楼道的应用。在白天，楼道和走廊无论有人或无人经过，照明灯都不会点亮。而在夜晚，当有人经过时，照明灯会自动点亮，并延时一段时间（可自行设定）后自动熄灭。从而实现了方便生活和节约用电的目的。
第二章人体红外感应系统
2.1红外线
红外线是一种电磁波，在电磁波谱中的位置是处于红外端，波长范围大致是0.76um—1000um。理论分析和实验研究证明，不仅阳光中有红外线，任何温度超过绝对零度（-273摄氏度）的物体都会发出电磁辐射。因此，红外线普遍存在于大自然中。我们人体也是一个红外辐射源，它与室内其他背景物体不但在红外辐射能量方面有所不同，而且各自辐射的红外线的峰值波长也不相同，人体辐射的红外波长峰值约在10um处。
2.2传感器
传感器是将感受的物理量、化学量等信息，按一定规律转换成便于测量和传输的信号的装置。电信号易于传输和处理，所以大多数的传感器是将物理量等信息转换成电信号输出的。例如话筒就是一种传感器，它感受声音的强弱，并转换成相应的电信号。传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。
2.3 CDS传感器
硫化镉(Cds)光敏电阻器，如图2.3这是目前最常见的光敏电阻器。光敏电阻器是利用半导体光致导电的原理制造的。这种光敏电阻器的基座是陶瓷片，上面涂有硫化镉多晶体，再经烧结制成。光敏电阻器的表面还涂有防潮树脂。光敏电阻器的光谱特性曲线与人眼对可见光的相应曲线比较接近。光敏电阻器的电阻值随光照强度而变化。在暗光条件下它的电阻值可达到100M ，在强光下它的电阻值仅为数百欧姆或数千欧姆。光敏电阻器的光照特性在多数情况下是非线性的，只有在微小区域内呈现性。光敏电阻器的电阻值有较大的离散性。光敏电阻器的灵敏度是指光敏电阻器不受光照时的电阻值（暗阻）和受光照时的电阻值（亮阻）的相对变化值。在一般情况下，照度越低，单位照度改变时的电阻值变化也
越大。即在低照度下光敏电阻器的灵敏度较高。光敏电阻器是电路的关键元件，它对光线的强弱有敏感的反应。
图2.3 Cds 光敏电阻
2.4热释电人体红外感应原理
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红外线而进行工作的。所以除人体以外的其他物体不会引发探头动作。一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射就通过部分镜面聚焦，并被热释电接收，但是两片热释电元件接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，于是输出检测信号。
2.4.1热释电人体红外感应的系统构成
人体的热释红外感应器，由透镜，感光元件，感光电路，机械部分和机械控制部分组成。其中有两个关键性的元件：一个是热释电红外传感器（PIR），另外一个是菲涅尔透镜。
2.4.1.1 PIR热释电红外传感器
热释电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，
具有热释电效应。
热释电效应是指当一些晶体受热时，在晶体两端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称为热释电效应。
电介质在外加电场的作用下会产生电极化的现象，即会使电介质的一个表面带有正电荷，而另一个带有负电荷。对于热释电材料来说，在外加电压去掉后，仍可以自行保持着这种电极化状态的现象就称为“自发极化”现象。
当范围区域内没有移动的人体目标，由于所有的背景物体在室温下红外辐射的能量比较小，而且基本上是稳定的，所以不能触发开关工作。当有人体在探测区域内走动时，就会造成红外热辐射能量的变化。红外感应器将接收到的活动人体与背景物体之间的红外热辐射能量的变化转换为相应的电信号，经适当的处理后，引发开关的启动。它能将波长为8~12um之间的红外信号变化转变为电信号，并对自然界中的白光等干扰信号具有抑制作用。
红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。
图 2.4.1.1 a PIR 人体红外感应器 D203S 图 2.4.1.1 b 热释电红外传感器感应头（KP500B）
2.4.1.2 菲涅尔透镜
菲涅尔透镜是一种精密的光学器件，一般是由聚乙烯压注而成的薄皮，薄皮上刻有精密的纹理，颜色为乳白色或黑色，呈半透明状，但对波长为10um左右的红外线来说却是透明的。目前，多采用性能优良的红外塑料透镜——多层光束结构的菲涅尔透镜。透镜的多层结构将视区分割成多个敏感区，各个敏感区被盲区隔开。来自各个敏感区的红外辐射均被汇聚到位于透镜凹面下方的红外传感器上。当人体在探测区域内移动，由盲区向敏感区移动或由敏感区向盲区移动时，人体所发出的红外辐射就一次又一次地被盲区所阻断，而只有通过敏感区的红外辐射才能被红外热电元件所接收。简单的说菲涅尔透镜的作用一是聚焦作用，即将热释红外信号折射在PIR上；二是将探测区内分为若干个明区和暗区，使进去探测区的移动物体（人）能以温度的形式在PIR热释电人体红外传感器上产生变化的熱释红外信号。不使用菲涅尔透镜时传感器的探测半径不足2米，只有菲涅尔透镜使用才能发挥最大作用。配上菲涅尔透镜时传感器的探测半径可达到10米。
图2.4.1.2 a 采用菲涅尔透镜组探测移动人体图2.4.1.2 b 菲涅尔透镜
2.5热释电红外传感器的特点
优点：人体红外线传感器的功耗很小，能长期可靠工作。同时由于其发射任何类型的辐射信号，不易被常规手段侦测到，所以在安全监控领域得到大量使用。
缺点：人体红外线感应器容易受各种热源、光源、射频辐射的干扰，其穿透力也较差，人体的红外辐射容易被各种物体遮挡，而且当环境温度和人体温度接近时，探测灵敏度会明显下降，严重时还会造成探测失效，因此在设计及安装使用时应注意上述问题。
2.6热释电红外传感器的安装要求
热释电红外传感器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系。正确的安装应满足下列条件：
1）热释电红外传感器应离地面2.0-2.2米。
2）热释电红外传感器远离空调，冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。
3）热释电红外传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。
4）热释电红外传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上。热释电红外传感器也不要安装在
有强气流活动的地方。
2.7热释电人体感应开关原理图
图2.7 热释电人体感应开关原理图
2.7.1电路工作原理:
该电路采用LN074B 作探头。当探头接收到人体释放的热释红外信号后，由
控头内部转换成一个频率约0.3~3Hz 微弱的低频信号，经Q1、IC2两级放大器放
大后输入电压比较器IC3。两级电压放大采用直流放大器，63总增益约70~75
分贝。
IC3等组成电压比较器，其中RP 为参考电压调节电位器，用来调节电路灵敏
度，也就是探测范围。平时，参考电压（IC3的（2）脚电压）高于IC2的输入
电压（IC3的（3）脚电压），IC3输出低电平。当有人进入探测范围时，探头输
出探测电压，经Q1和IC2放大后使信号输出电压高于参考电压，这时IC3的（6）
脚输出高电平，三极管Q2导通，继电器J1能电吸合，接通开关。 电路中Q3、C7、R8、~R10组成开机延时电路。当开机时，开机人的感应会使
IC3输出高电平，造成误触发。开机延时电路在开机的瞬间，由电容C7的充电作
用而使Q3导通，这样就使IC3输出的高电平经Q3通地，Q2可以保持截状态，防
止了开机误触发。开机延时时间由C7与R8的时间常数决定，约20秒。 47u C2
0.033 C3 470u C1
10K R2 2.2M R1 Q1 - + 220K R4 4.7u C4 2.2M R5 0.033 C6 - + D2 1N4148 22K RP 6.8k
R? 10 R7 Q2 Q3 4.7K R9 220K
R10 100K R8 47u C5 47u
C7 D E S 探头 GND IC2
IC3 GND
J1 9V GND
2.7.2 电路元件选用
热释红外探头选用LN074B型。IC2、IC3选用高输入阻抗的运算放大器CA3140。该电路采用结型场效应管作差分输入级，输入阻抗高达1.5*10(12)欧，输入失调电流仅0.5pA，频带宽达4.5MHz，转换速率为9V/us，是一种性能十分优良的运算放大器，很适合于作微弱信号的放大级。
2.7.3电路探头的安装
探头安装在高度距离地面为2米左右。外壳设计时应使透镜对地面呈13度左右的俯角，这样就可以形成一个监视区。由于探测器控制角只有86度左右，所以在安装时应选择最优良角度，使死区尽量减小。
2.7.4电路调试
电路调试主要是调节电位器RB，选择合适的参考电压，以达到最佳灵敏度。
第三章热释电感应开关电路图
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。
3.1 人体红外感应开关电路图
图 3.1 a 人体红外感应开关电路图
图3.1b 成品样板
电路简介：
在实际电路中，我们使用到了PIR热释电红外感应器，两个电阻、继电器、NPN型三极管、普通灯泡、接线簇、电源插头。
当人进入感应区时，通过菲涅尔透镜将人体红外线信号折射到PIR热释电红外感应器上。通过PIR与R1和R2串联使得PIR热释电红外感应器上的电压产生微小的变化，在将信息发送到红外热释电处理芯片上，使得这部分电压经过RC2放大。然后经过一个电压比较器转换成高电频，后刺激三极管放大电流，驱动继电器控制电灯。最终实现了人到灯亮，人走灯灭。
3.2 电路中主要元件介绍
3.2.1集成电路芯片
红外热释电处理芯片BISS0001是专为热释电红外感应器(PIR)配套设计的集成电路，采用CMOS工艺制造，内部由系统时钟、两级运放、电压比较器、检测器、计时器、过零检测器及输出控制电路等组成。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。
图3.2.1 BISS0001实物图
特点及管脚说明
*CMOS工艺
*数模混合
*具有独立的高输入阻抗运算放大器
*内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰
*内设延迟时间定时器和封锁时间定时器
*采用16脚DIP封装
管脚图及管脚说明
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的上跳变沿触发，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Vc
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
3.2.2 继电器
继电器是一种电控制器件。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统
（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。是最重要的控制原件之一。
作为控制元件，概括起来，继电器有如下几种作用：
1）扩大控制范围：例如，多触点继电器控制信号达到某一定值时，可以按触点组的不同形式，同时换接、开断、接通多路电路。
2）放大：例如，灵敏型继电器、中间继电器等，用一个很微小的控制量，可以控制很大功率的电路。
3）综合信号：例如，当多个控制信号按规定的形式输入多绕组继电器时，经过比较综合，达到预定的控制效果。
4）自动、遥控、监测：例如，自动装置上的继电器与其他电器一起，可以组成程序控制线路，从而实现自动化运行。
图3.22a 5脚继电器图3.22b仰面管脚图图3.22c内部管脚图
本实验中，使用的是5脚继电器。五脚是指继电器有5个脚，即2个线圈脚，另外三个脚是一个单路“双掷”开关，分为动触点、常闭触点、常开触点
各一个脚。实验中元件型号为：P7E-SS-C-05D，如图3.22c元件中1、2脚构成线圈脚，4脚构成常开触点，5脚构成常闭触点，3脚为公共端点。线圈通电时，触头动作。
3.2.3 三极管
半导体极管又称“晶体三极管”或“晶体管”。在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的PN结，组成一个PNP（或NPN）结构。中间的N区（或P 区）叫基区，两边的区域叫发射区和集电区，这三部分各有一条电极引线，分别叫基极B、发射极E和集电极C，是能起放大、振荡或开关等作用的半导体电子器件。
三极管的基本结构是两个反向连结的PN接面，如下图所示，可有PNP(图3.2.3 a)和NPN(图3.2.3 b)两种组合。
图3.2.3 a pnp 图3.2.3 b npn
晶体三极管，是最常用的基本元器件之一，晶体三极管的作用主要是电流放大，他是电子电路的核心元件，现在的大规模集成电路的基本组成部分也就是晶体三极管。以共发射极接法为例（信号从基极输入，从集电极输出，发射极接地），当基极电压UB有一个微小的变化时，基极电流IB也会随之有一小的变化，受基极电流IB的控制，集电极电流IC会有一个很大的变化，基极电流IB越大，集电极电流IC也越大，反之，基极电流越小，集电极电流也越小，即基极电流控制集电极电流的变化。但是集电极电流的变化比基极电流的变化大得多，这就是三极管的放大作用。IC 的变化量与IB变化量之比叫做三极管的放
大倍数β（β=ΔIC/ΔIB, Δ表示