红外感应楼道灯电路的设计

一、设计说明设计一个款可以用于直流24V（一般用蓄电池供电或有低压供电要求的工作情况下）的红外感应式的楼道灯电路，要求在白天或者楼道的光线亮时电路不工作，在光线暗时能工作。该电路由红外感应探头、红外控制芯片、光敏控制电路、电源电路组成，负载可以为10瓦16伏LED灯供电。其原理框图如图1所示。二、技术指标1．电源电压为：直流24V。2．每次通电持续时间20秒。3．红外感应范围3—4米。4.为了给LED灯供电，要求恒流源输出电流控制在660mA。三、设计要求1.在选择器件时，应考虑成本。2.根据技术指标通过分析计算确定电路形式和元器件参数。3.画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。四、实验要求1．根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路。2．进行实验数据处理和分析。五、推荐参考资料1．童诗白、华成英主编者.模拟电子技术基础.[M]北京：高等教育出版社，2006年2．谭博学主编.集成电路原理与应用.[M]北京：电子工业出版社，2003年3．谢自美主编.电子线路设计、实验、测试.[M]武昌：华中科技大学出版社，1992年图1红外感应楼道灯电路原理框图电源红外感应控制电路恒流源电路光敏电阻4．戴伏生主编.基础电子电路设计与实践，[M]北京：国防工业出版社，2002年5.张庆双主编.全新实用电路集粹上、下册，[M]北京：机械工业出版社，2006年六、按照要求撰写课程设计报告指导教师年月日负责教师年月日学生签字年月日成绩评定表评语、建议或需要说明的问题：指导教师签字：日期：成绩红外感应楼道灯电路的设计摘要:红外感应楼道灯主要采用热释电红外探头将接收到的微弱信号加以放大，然后驱动进行相应的输出，在夜晚时，只要人体进入探测区域，开关会自动开启，起到“人来灯自亮，人走灯自灭”的作用，既新颖方便又节约用电。该设计除了应用于楼道，还可用于电梯间、卫生间、库房等处。本设计电路共分为四个个模块，即放大比较模块、光电开关模块、延时模块、恒流源输出模块，结构简单，本身不发任何类型的辐射，器件功耗较小，价格低廉，隐蔽性好，应用范围广，所以可通过扩展而达到实际的应用。关键字：热释电红外感应放大器光电开关延时恒流源一、概述在传统的照明系统中，一般都是综合布线，使用刀开关来控制，灯具的寿命短且较费电。但近年来随着经济的发展和科技的进步，人们对照明灯具节能和科学管理提出了更高的要求，使得照明控制在智能化领域的地位越来越重要。而在商品房的建设热潮中，各大楼盘和房地产商也意识到了智能照明的重要性。使用智能照明控制系统，更能体现其在节能和管理方面的优势。红外感应楼道灯由于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。因为不同于声光控灯，不需要声音和开关控制，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，达到节能的效果。本设计采用热释电红外传感器来判断是否有人经过，当有人经过时，传感器会输出一定频率的脉冲信号。用LM358运放来对传感器输出的低频信号进行放大比较，用555定时器构成单稳态触发器，其中暂稳态高电平持续时间设置为19.8s，用光敏电阻及三极管2N2222A构成光电开关以控制555定时器的RST端，进而实现白天555定时器不工作，晚上时才开始工作的功能，最后采用LED驱动芯片构成恒流源，本设计采用的是ZXLD1362芯片，通过调节变位器分压控制ADJ端的电压值使输出电流控制在660mA,进而驱动16伏10瓦的LED灯。二、工作原理说明首先介绍一下热释电红外传感器的工作原理，由于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左右的红外线而进行工作的。人体发射的10um左右的红外线通过菲涅尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路再进行检测处理。菲涅尔透镜利用透镜的光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断的交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使得接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量辐射。本设计电路的工作原理框图：图1电路的原理框图供电电源采用蓄电池24伏，红外感应传感器采用被动式热释电红外传感器，当有人走近时，输出为一定频率的脉冲信号。然后经过放大比较电路，放大、比较电路采用运放LM358，其中阈值控制电压为4伏。光电开关采用光敏电阻及三极管2N2222A，利用光敏电阻特性及三极管特性，当有光时光电开关模块输出为低电平（约为0.3伏），当光线暗时，输出为高电平。单稳态电路采用555定时器及RC组成，其中光电开关控制555定时器的RST触发端，电压比较器的输出接在555定时器的TRI端，当电压比较器输出低电平（TRI端为低电平），且光电开关输出的是高电平（RST端为高电平）时，单稳态触发器进行触发，输出一个暂稳态的高电平，持续时间为19.8s，此高电平经过ZXLD1362芯片搭的恒流源电路，实现恒流660mA输出，然后驱动16伏，10瓦的LED灯。三、电路设计1.放大模块放大模块电路如图2所示，用LM358运放对热释电红外感应传感器输出的脉冲信号进行放大，由于传感器输出的信号频率一般为几赫兹，所以设计的前置放大采用低通放大。LM358运放芯片与R1、C1、R2、C2组成低频放大器，C4为高频旁路电容，该级放大器的增益取决于R1、R2的比值，即R1/R2=100。红外感应传感器放大电路阈值电压控制电压比较器光电开关单稳态电路恒流源电路LED图2放大模块电路图2.比较模块比较模块如图3所示，所用运放芯片为LM358N，利用R4、R3电阻分压使得运放同向输入端定为4伏即阈值控制电压为4V。前置放大电路输出的信号接入此运放的反向输入端，使经过放大的信号与基准电压进行比较，当信号足够强时，比较输出一个低跳变脉冲，对555触发器进行触发置位。图3比较模块电路图4.光电开关模块光电开关模块如图4所示，由于Multisim仿真软件里没有光敏电阻，根据光敏电阻特性，即在白天光照强时，呈现低阻（亮阻为几千欧到几十千欧）,在仿真时，用5.1KΩ代表亮阻；在天暗时，光敏电阻呈现极高的电阻（暗阻在几兆欧到几十兆欧），在仿真时，用5.1MΩ代表暗阻。仿真时采用单刀双掷开关，一端接亮阻，一端接暗阻。在接通亮阻（R4）时，它与R2、RP1进行分压后，使三极管2N2222A饱和导通，其饱和管压降仅0.3伏，2脚接在555定时器组成的单稳态触发器的RST端，所以不管555各触发器的电位如何，均不会发生翻转，因而白天灯不会点亮，节能节电。天暗时（仿真时接暗阻R1），光敏电阻阻值极大，与R2、RP1分压极大，调节RP1使2N2222A的基极电位不高于0.6伏，即三极管处于截止状态，此时2脚输出为高电平，555定时器处于待触发状态。图4光电开关模块电路图5.延时模块延时模块电路图如图5所示，由555定时器及RC组成单稳态触发器，课题要求通电持续时间为20秒，即暂稳态高电平持续时间为20秒。根据555定时器构成单稳态触发器工作原理，暂稳态高电平持续时间公式：tw=R*C*Ln3=20s，当R=180KΩ，C=100uF时，tw=19.8s，近似20s，符合要求。其中555的TRI端接在比较模块电路的输出端，RST端接在光电开关模块的三极管集电极端。当光暗且有人经过时，光电控制模块输出为高电平，比较电路输出为高低电平跳变的脉冲信号，当比较电路输出至低电平时，555开始触发，进行19.8s的高电平输出延时。图5延时模块电路图6.恒流源模块恒流源模块电路如图6所示。ZXLD1362为一款1ALED驱动芯片，当延时模块（亮灯控制）输出19.8s的高电平暂稳态时，R2与R3分压来控制ADJ端的电压值，R2为一变位器，调节R2，使ADJ端的电压值为825mV，这样Iout=Inom*66%，输出电流恒为660mA。图6恒流源模块电路图四、性能的测试1.放大模块的测试放大模块测试如图7所示，用双踪示波器测试输入与输出信号。图7放大模块测试电路图测试结果如图8所示，仿真结果显示，放大倍数为100倍。图8放大模块仿真结果图2.比较模块的测试通过一个万用表对此比较电路进行测试，如图9所示。图9比较模块测试电路图测试结果如图10所示，当控制信号小于阈值电压（4伏）时，仿真电压结果如左图所示，当控制信号大于阈值电压时，仿真电压结果如右图所示。图10比较模块万用表仿真结果3.光电开关模块的测试在光线亮时，光敏电阻阻值较小，故接通R1（仿真时亮阻）档，测试2N2222A的集电极电压，测试结果如图11所示，在光线暗时，光敏电阻阻值极大，故接通R2（仿真时暗阻）档，测试2N2222A的集电极电压，测试结果如图12所示。图11光电开关模块亮阻时测试结果图图12光电开关模块暗阻时测试结果图4.恒流源输出的测试恒流源模块测试电路图如图13所示，在亮灯控制信号为高电平时，恒流输出模块用一个电流表及一个16伏10瓦的灯泡进行测试。图13恒流源模块测试图测试结果如图14所示，符合设计要求。图14恒流源模块测试结果图五、结论用热释电红外传感器检测是否有人经过，用放大器对传感器输出的信号进行放大，而后经过电压比较器与阈值电压进行比较，比较器输出的信号控制555单稳态触发器触发置位，光电开关控制555单稳态触发器的置零端，555定时器与RC构成单稳态触发器，暂稳态持续时间为19.8秒，实现当人经过，且光线暗时，输出约为20秒（19.8秒）的高电平。用ZXLD1362芯片实现对单稳态触发器输出的高电平信号进行恒流输出，通过调整变位器的阻值，使输出的电流控制在660mA附近，以驱动16伏10瓦的LED灯，从而实现红外感应楼道灯电路。六、性价比在本次实验设计中，主要选择市场上较为普遍的LM358、ZXLD1362集成芯片，555定时器，LED等元件，功耗较低，价格便宜，且模块明晰，方便连接与修理,同时在保证性能和设计要求的前提下节约了成本，提高了性价比。七、课设体会及合理化建议短短的两周课设即将过去了，通过这两周的课程设计，我学到了很多知识。例如，自己动脑去设计电路图，遇到难题时，上网或去图书馆查找相关资料去解决问题。在此期间我不但巩固了以前学到的数电、模电知识，而且加深了自己在以后的学习和生活中对知识的运用能力，熟练掌握了一些仿真软件，在调试过程中虽然遇到了一些难题，但经过反复的调试，终于调试成功。当然结果并不是最重要的，最重要的是过程。在这个过程中我磨练了自己，培养自己学习能力。我想，有了这些经历，无论对我以后做毕设还是做工作都有很大的帮助。也让我明白了，只要用心做某一件事，没有做不出来的。同时，我很感谢在这两周的时间里，老师给予我的帮助及指导。参考文献1．童诗白、华成英主编者.模拟电子技术基础.[M]北京：高等教育出版社，2006年2．谭博学主编.集成电路原理与应用.[M]北京：电子工业出版社，2003年3．谢自美主编.电子线路设计、实验、测试.[M]武昌：华中科技大学出版社，1992年4．戴伏生主编.基础电子电路设计与实践，[M]北京：国防工业出版社，2002年5.张庆双主编.全新实用电路集粹上、下册，[M]北京：机械工业出版社，2006年附录一：总电路图附录II：元器件清单序号编号名称型号数量1U1U2双运算放大器LM358N12U31ALED驱动器ZXLD136213A1555定时器NE55514J1J2单刀双掷开关25R1电阻1MΩ16R2R8电阻10KΩ27R3R7电阻100KΩ28R4电阻500KΩ19R6电阻180KΩ110R9电位器51KΩ111R10电阻5.1MΩ112R11电阻5.1KΩ113R12电阻100mΩ114C1C7电阻10nF215C9电阻100nF116C2C3C8电解电容47uF317C6电解电容1