1、題 目 熱釋電遠紅外人體接近開關設計 摘 要紅外線感應開關的原理，采用熱釋電紅外探頭（pt8a2621）將接收到的微弱信號加以放大，然后驅動繼電器，制成紅外熱釋電感應開關。本開關能探測來自移動人體的紅外輻射，只要人體進入探測區域，開關會自動開啟。該設計可作為企業、賓館、商場及住宅的走廊、樓梯、電梯間、衛生間、庫房等處的自動開關，起到“人來燈自亮，人走燈自滅”的作用，既新穎方便，又節約用電，在某些場所還能起到威懾盜竊活動的防范作用。本設計結構簡單，本身不發任何類型的輻射，器件功耗很小，價格低廉，隱蔽性好，應用范圍廣，所以可以通過擴展而達到實際的應用。關鍵詞：紅外線；感應開關；紅外輻射；探測區域

2、目 錄1 設計目的11.1設計的背景與目的11.2熱釋電紅外感應開關簡述12 設計任務與要求22.1設計任務22.2設計要求23 設計步驟及原理分析33.1設計方法33.1.1人體熱釋電紅外線傳感器的基本結構和原理33.1.2熱釋電紅外線傳感器的優缺點53.2設計步驟63.2.1概述63.2.2運算放大器73.2.3集成運放的性能指標73.2.4集成運放的組成83.2.5集成電路芯片83.3設計原理分析103.3.1單向可控硅簡介103.3.2雙向可控硅114 總結體會：135 參 考 文 獻14iii1 設計目的1.1設計的背景與目的由于我國在新能源研發方面處于落后局面，目前市場上的普通船型

3、開關、拉線開關占據著燈具開關市場的主要位置。然而由于許多不可控因素的出現及人們日常習慣所限，造成了大量的電能的浪費。這種現象在我們的生活中隨處可見。空無一人的教室十多盞日關燈依然亮著，非常安靜的樓道內燈火通明，衛生間無人使用卻不熄滅燈光全國每年因此而損耗的電能可以以億度計量，同時因燈具使用時間的過長，也縮短了燈具的使用壽命，頻繁的更換燈具也造成了人力，財力的大量浪費。近十年以來，我國建筑體系的不斷發展，也對照明系統提出了更高的要求。隨著大量采用電子技術的家用電器面市, 住宅電子化出現。近幾年樓宇智能化又飛速發展起來，其中實現自動照明系統可以減少電能浪費成為實現現代化住宅的重要一筆。本課程設計從

4、實際出發，準備對紅外線樓道自動照明系統進行探索，隨著現代化的發展,工業,農業,商業,教育等等行業的用電量都大幅度增加,在這種情況下電能的浪費成為人們普遍關注的問題。1.2熱釋電紅外感應開關簡述普通人體會發射10um左右的特定波長紅外線，用專門設計的傳感器就可以針對性的檢測這種紅外線的存在與否，當人體紅外線照射到傳感器上后，因熱釋電效應將向外釋放電荷，后續電路經檢測處理后就能產生控制信號。這種專門設計的探頭只對波長為10m左右的紅外輻射敏感，所以除人體以外的其他物體不會引發探頭動作。探頭內包含兩個互相串聯或并聯的熱釋電元，而且制成的兩個電極化方向正好相反，環境背景輻射對兩個熱釋元件幾乎具有相同的

5、作用，使其產生釋電效應相互抵消，于是探測器無信號輸出。一旦人侵入探測區域內，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，于是輸出檢測信號。人體是一特定波長紅外線的發射體，由紅外傳感器檢測到這種紅外線的變化并予以放大處理后，可以推動適當的負載，此乃人體紅外自動開關。它要求熱釋電人體紅外傳感器的信號放大處理電路有很高的靈敏度并要能準確鑒別生物體與非生物體的運動，使誤動作率降到最低。采用熱釋電紅外傳感器及專用單片集成電路構成的這種開關能成為人到燈亮、人走燈滅。它安裝方便，無需改動市電線路。2系統設計任務與要求2.1設計任務照明控制系統是以

6、照明配電箱通過手動開關來控制照明燈具的通斷，或通過回路中串入接觸器，實現遠距離控制。傳統的照明電路只是為燈提供一定的電壓使其發光,這種燈只是人為控制,具有很大弊端,特別是在一些集體工作地,比如說,工廠,公司,學校等.而今出現的建筑物自控(ba)系統，是以電氣觸點來實現區域控制、定時通斷、中央監控等功能。2.2設計要求該電路的主要元件是熱釋電紅外傳感器，因其抗干擾性好、探測靈敏度高、工作溫度范圍寬等優點被廣泛應用于防盜報警、自動門、感應燈、自動水閥、自動馬達控制等工業和生產領域 。biss0001是專為熱釋電紅外傳感器（pir）配套設計的集成電路，采用 cmos工藝制造，具有性能指標高、一致性好

7、、功耗低、外圍電路簡單、安裝調試方便、工作可靠性高等優點（整體電路設計如圖2-1所示）。圖2-1 整體電路圖的設計上圖中，r3為光敏電阻，用來檢測環境照度。當作為照明控制時，若環境較明亮，r3的電阻值會降低，使9腳的輸入保持為低電平，從而封鎖觸發信號vs。sw1是工作方式選擇開關，當sw1與1端連通時，芯片處于可重復觸發工作方式；當sw1與2端連通時，芯片則處于不可重復觸發工作方式。輸出延遲時間tx由外部的r9和c7的大小調整，值為tx24576xr9c7；觸發封鎖時間ti由外部的r10和c6的大小調整，值為ti24xr10c6。3 設計步驟及原理分析3.1設計方法傳感器是將感受的物理量、化學

8、量等信息，按一定規律轉換成便于測量和傳輸的電信號的裝置。電信號易于傳輸和處理，所以大多數的傳感器是將物理量等信息轉換成電信號輸出的。3.1.1人體熱釋電紅外線傳感器的基本結構和原理熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發射的紅外線而輸出電信號的傳感器。一般人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會發出特定波長10um左右的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發射的10um左右的紅外線而進行工作的。人體發射的10um左右的紅外線通過菲尼爾濾光片增強后聚集到紅外感應源上。紅外感應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生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續電路經檢驗處理后即可產生

9、報警信號。人體熱釋電紅外線傳感器（以下簡稱：傳感器）由敏感單元、阻抗變換器和濾光窗等三大部分組成。熱釋電傳感器是對溫度變化敏感的傳感器。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，在傳感器監測范圍內溫度有t的變化時，熱釋電效應會在兩個電極上產生電荷q，即在兩電極之間產生一微弱的電壓v。由于它的輸出阻抗極高，在傳感器中有一個場效應管進行阻抗變換。熱釋電效應所產生的電荷q會被空氣中的離子所結合而消失，即當環境溫度穩定不變時，t=0，則傳感器無輸出。當人體進入檢測區，因人體溫度與環境溫度有差別，產生t，則有t輸出；若人體進入檢測區后不動，則溫度沒有變化，傳感器也沒有輸出了。所以這種傳感

10、器檢測人體或者動物的活動傳感。當一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產生數量相等而符號相反的電荷，這種由于熱變化產生的電極化現象，被稱為熱釋電效應。通常，晶體自發極化所產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，其自發極化電矩不能表現出來。當溫度變化時，晶體結構中的正負電荷重心相對移位，自發極化發生變化，晶體表面就會產生電荷耗盡，電荷耗盡的狀況正比于極化程度，圖3-1表示了熱釋電效應形成的原理。能產生熱釋電效應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）懸浮電荷溫度變化熱平衡條件tk極化溫度變化造成極化t+ t

11、k熱能圖3-1 熱釋電效應的形成原理熱釋電傳感器利用的正是熱釋電效應，是一種溫度敏感傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，元件兩個表面做成電極，當傳感器監測范圍內溫度有t的變化時，熱釋電效應會在兩個電極上會產生電荷q，即在兩電極之間產生一微弱電壓v。由于它的輸出阻抗極高，所以傳感器中有一個場效應管進行阻抗變換。熱釋電效應所產生的電荷q會跟空氣中的離子所結合而消失，當環境溫度穩定不變時，t=0，傳感器無輸出。當人體進入檢測區時，因人體溫度與環境溫度有差別，產生t，則有信號輸出；若人體進入檢測區后不動，則溫度沒有變化，傳感器也沒有輸出，所以這種傳感器能檢測人體或者動物的活動。傳感器主要有外殼、

12、濾光片、熱釋電元件pzt、場效應管fet等組成。其中，濾光片設置在窗口處，組成紅外線通過的窗口。濾光片為6mm多層膜干涉濾光片，對太陽光和熒光燈光的短波長（約5mm以下）可很好濾除。熱釋電元件pzt將波長在8mm-12mm之間的紅外信號的微弱變化轉變為電信號，為了只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涅耳濾光片，使環境的干擾受到明顯的抑制作用。3.1.2熱釋電紅外線傳感器的優缺點不同于主動式紅外傳感器，被動紅外傳感器本身不發任何類型的輻射，隱蔽性好，器件功耗很小，價格低廉。 但是，被 動式熱釋電傳感器也有缺點，如：1）信號幅度小，容易受各種熱源、光源干擾；2）被動紅外穿透力差

13、，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收；3）易受射頻輻射的干擾；4）環境溫度和人體溫度接近時，探測和靈敏度明顯下降，有時造成短時失靈；5）被動紅外探測器的主要檢測的運動方向為橫向運動方向，對徑向方向運動的物體檢測能力比較差抗干擾性能： 1）防小動物干擾 探測器安裝在推薦地使用高度，對探測范圍內地面上地小動物，一般不產生報警。 2）抗電磁干擾 探測器的抗電磁波干擾性能符合gb10408中4.6.1要求，一般手機電磁干擾不會引起誤報。 3）抗燈光干擾 探測器在正常靈敏度的范圍內，受3米外h4鹵素燈透過玻璃照射，不產生報警。 紅外線熱釋電傳感器的安裝要求：紅外線熱釋電人體傳感器只能安裝在室內，其

14、誤報率與安裝的位置和方式有極大的關系.。正確的安裝應滿足下列條件： 1）紅外線熱釋電傳感器應離地面2.0-2.2米。 2）紅外線熱釋電傳感器遠離空調, 冰箱，火爐等空氣溫度變化敏感的地方。 3）紅外線熱釋電傳感器探測范圍內不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔離物。 4）紅外線熱釋電傳感器不要直對窗口，否則窗外的熱氣流擾動和人員走動會引 起誤報，有條件的最好把窗簾拉上。紅外線熱釋電傳感器也不要安裝在有強氣流活動的地方。 3.2設計步驟3.2.1概述雖然被動式熱釋電紅外探頭有些缺點，但是利用特殊信號處理方法后，仍然使它在某些領域具有廣闊的應用前景。因此，有很多生產商根據pir傳感器的特性設計了專用信號

15、處理器，比如holtek ht761x、pti pt8a26xxp、weltrend wt8072,biss0001。圖3.2.1是pir信號處理部分，有兩個運算放大器、一個窗口比較器、一個穩壓器、一個系統振蕩器和一個邏輯控制器。其它是依賴處理結果的控制部分，這里重點介紹pir信號處理部分，控制部分就簡單略過。圖3.2.1pir信號處理部分電路圖由于pir 信號變化緩慢、幅值小，針對該特點，專用信號處理器一般分為三步處理，具體處理步驟如下：a）濾波放大普通pir傳感器輸出信號幅值一般都很小，大約幾百微伏到幾毫伏，為了后續電路能作有效的處理，考慮到傳感器的信噪比，通常取增益72.5db，通帶0.

16、3hz7hz。同時，由于是處理模擬小信號，所以為了保證放大器的工作穩定可靠，電路中特別集成了一個穩壓器用于給傳感器、放大器和比較器供電。b）窗口比較器經過放大后的信號通過窗口比較器后檢出滿足幅值要求的信號后，再轉換成一系列數字脈沖信號。c）噪聲抑制數字信號處理根據對人體運動特點以及傳感器的特性的長期研究，用固定時間內計脈沖個數和測脈沖寬度的方法來甄別有效的人體信號，這里由系統振蕩器提供時鐘源（16khz）。 比較器分壓電路隱壓器系統振蕩器定時振蕩器噪聲抑制控制電路鎖定電路模式及cds控制電路輸出驅動上電復位過零觸發op2oop2nop2pop1pop1nop1o veesocsoscdcdsm

17、odeoutrestzc圖3-2 人體感應開關方框圖 3.2.2運算放大器集成運算放大器（簡稱運放）是一種高電壓放大倍數的直接耦合放大器。它工作在放大區時，輸入和輸出呈線性關系，所以它又被稱為線性集成電路。集成運放是一種高放大倍數、高輸入電阻、低輸出電阻的直接耦合放大電路。3.2.3集成運放的性能指標1）開環差模電壓放大倍數 aod它是指集成運放在無外加反饋回路的情況下的差模電壓的放大倍數。2）最大輸出電壓 uop-p它是指一定電壓下，集成運放的最大不失真輸出電壓的峰-峰值。3）差模輸入電阻rid它的大小反映了集成運放輸入端向差模輸入信號源索取電流的大小。要求它愈大愈好。4）輸出電阻 r它的大

18、小反映了集成運放在小信號輸出時的負載能力。5）共模抑制比 cmrr它放映了集成運放對共模輸入信號的抑制能力，其定義同差動放大電路。cmrr越大越好3.2.4集成運放的組成它有四部分組成：1）偏置電路:偏置電路是提供各級靜態工作電流的;2）輸入級：其作用是提供與輸出端成同相關系和反相關系的兩個輸入端,為了抑制零漂，采用差動放大電路3）中間級：其作用是提供較高的電壓放大倍數;為了提高放大倍數，一般采用有源負載的共射放大電路。4）輸出級：其作用是提供一定的電壓變化和電流變化;為了提高電路驅動負載的能力，一般采用互補對稱輸出級。 3.2.5 集成電路芯片biss0001熱釋電紅外控制集成電路采用標準的

19、 dip16腳塑封結構，內部由系統時鐘、兩級運放、電壓比較器、檢測器、計時器、過零檢測器及輸出控制電路等組成。biss0001是一款高性能的傳感信號處理集成電路。靜態電流極小，配以熱釋電紅外傳感器和少量外圍元器件即可構成被動式的熱釋電紅外傳感器。廣泛用于安防、自控等領域能。特點:a）靈敏度高，內置兩級增益可調運放電路及溫度補償電路，這種電路能抑制如熱氣團流所產生的紅外干擾，誤報率低，探測距離達10以上。b）控制時間可調。c）有兩種輸出信號，可驅動雙向可控硅或繼電器。d）內置穩壓器輸出 3.1基準電壓直接驅動pir。e）外接cds傳感器，白天抑制輸出。f）工作電壓4.0-5.5v，工作電流1。g

20、）對于交流供電的控制電路設計有過零檢測控制，使被控負載的接通與斷開均處于交流電的過零點，這不僅可以減弱對負載的電流沖擊，同時也消除了開關器件對電源的干擾，降低對電源的污染。h）外接rc振蕩元件，便于調整輸出控制的時間長短。圖3-5 管腳圖表3-2管腳說明引腳名稱i/o功能說明1ai可重復觸發和不可重復觸發選擇端。當a為“1”時，允許重復觸發；反之，不可重復觸發2voo控制信號輸出端。由vs的上跳前沿觸發，使vo輸出從低電平跳變到高電平時視為有效觸發。在輸出延遲時間tx之外和無vs的上跳變時，vo保持低電平狀態3rr1-輸出延遲時間tx的調節端4rc1-輸出延遲時間tx的調節端5rc2-觸發封鎖

21、時間ti的調節端6rr2-觸發封鎖時間ti的調節端7vss-工作電源負端8vrfi參考電壓及復位輸入端。通常接vdd，當接“0”時可使定時器復位9vci觸發禁止端。當vcvr時允許觸發(vr0.2vdd)10ib-運算放大器偏置電流設置端11vdd-工作電源正端122outo第二級運算放大器的輸出端132in-i第二級運算放大器的反相輸入端141in+i第一級運算放大器的同相輸入端151in-i第一級運算放大器的反相輸入端161outo第一級運算放大器的輸出端工作原理:biss0001是由運算放大器、電壓比較器、狀態控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構成的數模混合專用集成電路。以下圖所

22、示的不可重復觸發工作方式下的波形，來說明其工作過程。 不可重復觸發工作方式下的波形。圖3-6 不可重復觸發方式3.3設計原理分析3.3.1單向可控硅簡介可控硅是一種無觸點可控開關,它將半導體器件的應用從弱電領域擴展到強電領域,在自動控制電路如調光,調溫,調速,調頻中都有廣泛應用.單向可控硅由p型和n型半導體四層交替疊合而成.他有三個電極:陽極a(從外層p型半導體引出),陰極k(從外層n型半導體引出),門級g(從內層p型半導體引出)導通。讓門極相對陰極成正極性，使產生門極電流，閘流管立即導通。當門極電壓達到閥值電壓vgt，并導致門極電流達到閥值igt，經過很短時間tgt（稱作門極控制導通時間）負

23、載電流從正極流向陰極。假如門極電流由很窄的脈沖構成，比方說1s，它的峰值應增大，以保證觸發。當負載電流達到閘流管的閂鎖電流值il 時，即使斷開門極電流，負載電流將維持不變。只要有足夠的電流繼續流動，閘流管將繼續在沒有門極電流的條件下導通。這種狀態稱作閂鎖狀態。注意，vgt，igt 和il 參數的值都是25下的數據。在低溫下這些值將增大，所以驅動電路必須提供足夠的電壓、電流振幅和持續時間，按可能遇到的、最低的運行溫度考慮。靈敏的門極控制閘流管，如bt150，容易在高溫下因陽極至陰極的漏電而導通。假如結溫tj 高于tjmax ,將達到一種狀態，此時漏電流足以觸發靈敏的閘流管門極。閘流管將喪失維持截

24、止狀態的能力，沒有門極電流觸發已處于導通。要避免這種自發導通，可采用下列解決辦法中的一種或幾種：1）確保溫度不超過tjmax。2）采用門極靈敏度較低的閘流管，如bt151，或在門極和陰極間串入1k或阻值更小的電阻，降低已有閘流管的靈敏度。3）若由于電路要求，不能選用低靈敏度的閘流管，可在截止周期采用較小的門極反向偏流。這措施能增大il。應用負門極電流時，特別要注意降低門極的功率耗散。 3.3.2雙向可控硅 由npnpn五層半導體疊合而成。它實質上也可看成是由一個控制極的兩只反向并聯的單向可控硅構成。它有三個電極：控制極g、主電極t1 和t2 ，t1 和t2 無陰陽極之分。 工作特點：雙向可控硅的主電極t1 、t2 無論加正向還是反向電壓，其控制極g的觸發信號無論是正向還是反向，它都能被觸發導通。 導通：和閘流管不同，雙向可控硅可以用門極和mt1 間的正向或負向電流觸發。（vgt，igt 和il 的選擇原則和閘流管相同，見規則1）因而能在四個“象限”觸發，如圖3-7 所示。圖3-7 雙向可控硅觸發象限在負載電流過零時，門極用直流或單極脈沖觸發，優先采用負的門極電流，理由如下。若運行在3+象限，由于雙向可控硅的內部結構，門極離主載流區