教室自动感应照明控制系统的设计

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。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。一、设计原理及方框图在光线亮时，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节电开关启动，灯亮，当人离去时，延时40～50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制电路的原理方框图二、原理图及其说明20KR12MR247KR336KR6红外线传感器1uFC11uFC2VT1220uFC3CW1D1D2100KR447KR5D5VT220KR7VT3D347uFC4R8103uFC5D4DSD6-D9BT51KR951KR10GND220V图2-1红外线传感器、光控智能开关原理图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β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。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12～15V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、D6～D9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的参数决定，按图中所给出的元器件数值（R8为22K），发光40~50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NIPPONCERAMIC公司的SCA02-1、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。图2-3HN911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。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（上负下正）时，二极管D2导通，Dl截止。此时，Cl上的电压Uc1＝2E2与电源电压e2串联相加，电流经D2对电容C2充电，充电电压Uc2＝e2峰值＋1．2E2≈22E2。如此反复充电，C2上的电压就基本上是22E2了。它的值是变压器电级电压的二倍，所以叫做二倍压整流电路。在实际电路中，负载上的电压Usc=2x1.2E2。整流二极管D1和D2所承受的最高反向电压均为22E2。电容器上的直流电压Uc1=2E2，Uc2=22E2。可以据此设计电路和选择元件2.2.3延时电路分析RC电路的过渡过程时，不一定只分析电容电压的变化，可能是任意支路电流或任意元件上的电压，所以一般用f(t)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，将uc(0+)作为直流电压源进行分析；(4)求f(∞)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法；(5)求时间常数t：R是从电容两端看进去的等效电阻，注意应将电压源短路、电流源开路，再进行电阻的串并联，然后计算t＝RC。(6)用三要素公式求：所以RC延时电路的延迟时间可以通过改变RC的值来实现，它具有改变方便，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。2.2.4光控电子开关电路的设计光控电子开关起到日熄夜亮的控制作用，以节约用电。VT9104VD1D14.7KRP100KR1470KR2VRVS6,8VEL160W220V图2-5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XC5215-6BG225I，单向可控硅VS因无触发电流而阻断。此时流过灯泡H的电流≤2.2mA,灯泡H不能发光。电阻R1和稳压二极管DW使三极管V偏压不超过6.8V，对三极管起保护作用。夜晚，亮度小于一定程度时，光敏二极管D呈现高阻状态≥100KΩ，使三极管V正向导通，发射极约有0.8V的电压，使可控硅VS触发导通，灯泡H发光。RP是清晨或傍晚实现开关转换的亮度选择元件。2.2.6红外线传感器、光控智能开关的制作与调试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，可减小热释电红外线传感器串联的电阻R1，但R1不够太小，应视具体情况而定。适当减小R1后灵敏度仍不够时，可更换耦合电容C1，将1uF换成0.7uF，效果将很显著。制作的如图2-3所示。图2-6红外线传感器、光控智能开关PCB板2.2.7光控电子开关的安装与调试安装时将它与受控电灯H串联，并让它正对着天幕或房子采光窗前较明亮的空间，避免3米以内夜间灯光的直接照射。调试宜傍晚时进行，调节RP阻值的大小，使受控电灯H在适当的亮度下始点亮。制作的如图2-5所示。图2-7光控电子开关的PCB板三、照明电路中实际中元件的选用及设计1、电路设计原理HN911是一款新型热释电红外探测采用双列6脚直插式封装。其管脚排1所示。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。HN911可在严寒或炎热等恶劣环附表为HN911红外探测模工作原理HN911红外探测模块内部电路主要放大器、比较器、电1脚输出高电平,2脚输动态时,即有移动发热物体传感器接收到红外输出幅度约1mV、频率0.3～的微弱信号。该信号经放大器放由比较器比较,经信号处理电路处最后由延时输出电路输出用做驱HN911模块内放大器具有温度补探测器工作时,人体辐射和周当背景红外辐射增强。2、工作原理采用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的负脉冲信号，并直接加至555时基集成电路IC3的触发端2脚。图3-1采用HN911热释电红外控制模块的照明灯电路原理图HN911系列模块共有3种型号，即通用型（HN911T）、微功耗型（HN911L）和低温型（HN911D）。HN911系列模块具有良好的抗干扰性能，尤其是抗电磁波性能十分优良，并可在一20℃（T型和L型）到一3000(D型）的低温下稳定地工作。HN911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，使放大器的增益一直保持稳定。HN911的输出端输出的是一个脉冲宽度大于2s的脉冲信号，其中1脚输出的是正脉冲信号，2脚输出的是负脉冲信号。电路中IC3接成典型的单稳态触发器，电路翻转置位，3脚输出高电平，VT3迅速导通，继电器K吸合，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R2向C3充电，约经t二1．1RZC3时间，暂稳态结束，电路复位，3脚恢复低电平，VI3截止，k释放，被控照明灯熄灭。如果有人在IC1的探测范围内不断活动，IC1的2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I．1RZC3时间后，照明灯才熄灭。调节电位器RP1可以调整IC1模块的探测灵敏度。111‘RL,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，VT1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