《傳感器技術(shù)與應用》課程設計

1、佛山職業(yè)技術(shù)學院課程設計名稱：傳感器技術(shù)與應用.課程設計題 目：夜晚自動點亮的道路警示燈設計專業(yè)：電氣.自動化技術(shù)班級：.15級自動化1.班姓 名：馮嘉俊.學號：32課程設計成績評定表學期第二學期姓名馮嘉俊專業(yè)電氣自動化技術(shù)班級一班課題名稱傳感器技術(shù)與應用課程設計論文題目新板簡易金屬探測器評疋 標 準評定指標分值得分知識創(chuàng)新性20理論正確性20內(nèi)容難易性15綜合實際性10知識掌握程度15書寫規(guī)范性10工作量10總成績100評語：任課教師時間備注目錄第1章：總體方案概要.11.1意義及研究現(xiàn)狀 11.2設計思路 2第2章：設計方案各部分介紹.32.1熱電是傳感器的構(gòu)成及工作原理 32.2低通濾波

2、器 42.3信號放大器 6第3章：仿真電路的建立與分析 .83.1仿真電路建立 83.2仿真結(jié)果的分析 8第4章：設計體會 .1010參考文獻摘要本文介紹了紅外線感應開關(guān)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(qū)動繼電器，制成 紅外熱釋電感應開關(guān)。 本開關(guān)能探測來自移動人體的紅外輻射， 只要 人體進入探測區(qū)域，開關(guān)會自動開啟。該設計可作為企業(yè)、賓館、商 場及住宅的走廊、樓梯、電梯間、衛(wèi)生間、庫房等處的自動開關(guān)，起 到“人來燈自亮，人走燈自滅”的作用，既新穎方便，又節(jié)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(jié)構(gòu)簡單， 本 身不發(fā)任何類型的輻

3、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(guān)鍵詞 ： 紅外線 感應開關(guān) 紅外輻射 探測區(qū)域引言電力作為一種潔凈方便的能源廣泛的應用于我們的生活與生產(chǎn) 方面，因此電能的節(jié)能尤為重要，要節(jié)能首先就要做到節(jié)約能源，其 次再通過科學研究發(fā)明更加人性化和節(jié)能的用電器。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)的迅 速發(fā)展，才又推動了對熱釋電效應的研究和對熱釋電晶體的應用。 熱 釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、 紅外遙感以及熱輻

4、射探測器， 它可 以作為紅外激光的一種較理想的探測器。 它目標正在被廣泛的應用到 各種自動化控制裝置中正文第 1 章：總體方案概要1.1 意義及研究現(xiàn)狀電力作為一種潔凈方便的能源廣泛的應用于我們的生活與生產(chǎn)方面， 因此電 能的節(jié)能尤為重要， 要節(jié)能首先就要做到節(jié)約能源， 其次再通過科學研究發(fā)明更 加人性化和節(jié)能的用電器。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)的迅速發(fā)展，才又推動了對熱釋電效應 的研究和對熱釋電晶體的應用。 熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、

5、 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。 它目標正在被廣 泛的應用到各種自動化控制裝置中。（1）紅外線感應燈控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢： 我國照明缺乏獨創(chuàng)產(chǎn)品，模仿產(chǎn)品居多，基礎(chǔ)加工落后，只顧外表，輕視功 能，產(chǎn)品的品種比較單一，性能差。尤其是在“智能”照明方面，缺乏創(chuàng)新，與 國外智能燈具在技術(shù)研究方面有著不小的差距。 我國現(xiàn)階段的照明系統(tǒng)一般采用 主電源經(jīng)配電箱分成多路配電輸出線， 提供照明燈回路用電， 由串接在照明燈回 路中的開關(guān)面板直接接通或斷開供電線來實現(xiàn)對燈的控制， 燈只有開和關(guān)兩種狀 態(tài)，無邏輯時序及亮、 暗調(diào)光控制， 因而無法形成各種燈光亮度組合的場

6、景及系 統(tǒng)控制。全球性的能源短缺和環(huán)境污染在經(jīng)濟高速發(fā)展的中國表現(xiàn)得尤為突出， 節(jié)能和環(huán)保是中國實現(xiàn)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展所急需解決的問題。 每年照明電能消 耗約占全部電能消耗的12%15%,作為能源消耗的大戶，必須盡快尋找可以替 代傳統(tǒng)光源的節(jié)能環(huán)保光源。 LED 以其較之于傳統(tǒng)照明光源所沒有的優(yōu)勢，諸 如較低的功率需求、較快的響應速度、綠色環(huán)保以及不斷快速提高的發(fā)光效率等， 成為目前我國今后照明系統(tǒng)發(fā)展的方向。 基于目前國內(nèi)國際形勢， 尤其是能源緊 缺，智能照明必是以后照明系統(tǒng)的發(fā)展方向。 智能照明將會使人們利用起來更加 便利，改善家庭環(huán)境， 不僅為建筑照明提供多種的藝術(shù)效果， 而且使燈具控制

7、和 維護變得更為簡單，而且具有可靠性高、安裝布線容易。（2）紅外線感應燈控制系統(tǒng)的優(yōu)點：智能化已經(jīng)成為當今建筑發(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用越來越廣 泛。智能照明系統(tǒng)在智能建筑中的應用效果如下：1）改善工作環(huán)境，提高工作效率。2）可觀的節(jié)能效果。 智能照明控制系統(tǒng)使用了先進的電力電子技術(shù)

8、， 進行智 能調(diào)光。當室外光較強時，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，智能照明的管理系統(tǒng)采用設置照明工作狀態(tài)等方式，通過智能化管理實現(xiàn)節(jié)能。3）提高管理水平，減少維護費用。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。1.2設計思路通過熱釋電傳感器感應人體紅外輻射后輸出一個微弱的交流信號，然后經(jīng)過濾波整理，再將信號放大處理后，將信號輸出。熱釋電傳感器輸出的信

9、號是一個毫伏級的微弱交流信號，且不穩(wěn)定，這個信號頻率與人體運動速度有關(guān)，當人運動速度越大，信號也越強。經(jīng)過濾波電路后， 可以排除雜波及突變信號的干擾，再經(jīng)過信號放大處理，輸出一定的電信號使燈 點亮。當人離開后，由于沒有觸發(fā)信號，燈自然會滅。實現(xiàn)了“夜間人來燈亮， 人走燈滅”的目的。第2章：設計方案各部分介紹2.1熱釋電傳感器的構(gòu)成及工作原理熱釋電紅外（PIR）傳感器，亦稱為熱紅外傳感器，是一種能檢測人體發(fā)射 的紅外線的新型高靈敏度紅外探測元件。它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅 外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。將輸出的電壓信號加以放大，便 可驅(qū)動各種控制電路，如作電源開關(guān)控制、防盜防

10、火報警等。目前市場上常見的 熱釋電人體紅外傳感器主要有上海塞拉公司的SD02、PH5324,德國Perkinelmer公司的 LHi954、LHi958,美國 Hamastsu公司的 P2288，日本 Nippon Ceramic 公 司的SCA02-1、RS02D等。雖然它們的型號不一樣，但其結(jié)構(gòu)、外型和特性參 數(shù)都大致相同，大部分可以彼此互換使用。熱釋電紅外線傳感器由探測元、濾光窗和場效應管等阻抗變換器等三大部分 組成，對不同的傳感器來說，探測元的制造材料有所不同。如SD02的敏感單元由鋯鈦酸鉛制成；92288有LiTa03制成。將這些材料做成很薄的薄片，每一片 薄片相對的兩面各引出一根電

11、極，在電極兩端則形成一個等效的小電容。因為這 兩個小電容是做在同意硅晶片上的，因此形成的等效小電容能自身產(chǎn)生極化， 在 電容的兩端產(chǎn)生極性相反的正負電荷。傳感器中兩個電容是極性相反串聯(lián)的。當傳感器沒有檢測到人體輻射出的紅外線信號時，在電容兩端產(chǎn)生極性相 反、電量相等的正、負電荷，所以，正負電荷相互抵消，回路中無電流，傳感器 無輸出。當人體靜止在傳感器的檢測區(qū)域內(nèi)時，照射到兩電容上的紅外線光能量相 等，且達到平衡，極性相反、能量想等的光電流在回路中相互地向，唇干起仍然 沒有信號輸出。當人體在傳感器的檢測區(qū)域內(nèi)移動時，照射到兩個電容上的紅外線能量不相 等，光電流在回路中不能相互抵消，傳感器有信號輸

12、出。綜上所述，傳感器只對 移動或運動的人體和體溫近似的物體起作用。濾光窗是由一塊薄玻璃片鍍上多層薄膜而形成的，能夠有效地濾除 7.014um波長意外的紅外線。人體的正常體溫為 3637.5 C,即309310.5K, 其輻射的最強的紅外線的波長為 m=2989/（309310.5）=9.679.64um,中心波長 為9.65um，正好落在濾光窗的響應波長的中心。所以，濾光窗能有效地讓人體 輻射的紅外線通過，而最大限度地阻止陽光、燈光中的紅外線通過，以免引起干 擾。熱釋電紅外傳感器在結(jié)構(gòu)上引入場效應管的目的在于完成阻抗變換。 由于探 測元輸出的是電荷信號，不能直接使用，因而需要將其轉(zhuǎn)換為電壓形式

13、。 場效應 管輸入阻抗高達104M門，接成共漏極形式來完成阻抗變換。 使用時D端接電源 正極,G端接電源負極，S端為信號輸出。對于移動速度非常緩慢的物體，如陽光，兩個電容上的紅外線光能能量仍然 可以看作是相等的，在賄賂中相互抵消；再加上傳感器的響應頻率很低（一班為 0.110Hz），即傳感器對紅外光的波長的敏感范圍很窄（一般為515um）,因此，傳感器對它們不敏感，因而無輸出。本設計中熱釋電紅外傳感器選用PIR325,為了達到要求中“人體感應探測范圍1m以上，視場角100度以上”?？杉友b一個菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學原理，在探測器前方產(chǎn)生一個交替變化的 “盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”，以

14、提高它的探測接收靈敏度。當有人從透鏡前走過時， 人體發(fā)出的紅外線就不斷地交替從“盲區(qū)”進入“高靈敏區(qū)”，這樣就使接收到的紅外信號以忽強忽弱的脈沖形式輸入，從而強其能量幅度。菲涅爾透鏡作用有兩個：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號折射（反射）在 PIR上，第二個作用是將探測區(qū)域內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入探測區(qū)域的 移動物體能以溫度變化的形式在 PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號。2.2低通濾波器低通濾波器實驗電路圖如圖2.2.1.0低通濾波器仿真效果如圖2.2.2所示。vcc圖2.2.1低通濾波器電路原理圖圖222低通濾波器仿真效果圖通過電阻、電容及運算放大器組成低通濾波電路，其特征頻率:12R0C1

15、2U 8.2 1 03 2 1 0-6:10Hz（式 2-2-1）（式 2-2-2）A =1& =1.64R4LM324系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源 應用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在 低到3。0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之 一。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件 的必要性。每一組運算放大器可用圖1所示的符號來表示，它有5個引出腳，其 中“ +”、“ -”為兩個信號輸入端，“ V+ ”、“ V- ”為正、負電源端，“ Vo” 為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-

16、（-）為反相輸入端，表示運放輸出端 Vo的 信號與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端 Vo的信號 與該輸入端的相位相同。LM324系列由四個獨立的，高增益，內(nèi)部頻率補償運算放大器，其中專為 從單電源供電的電壓范圍經(jīng)營。從分裂電源的操作也有可能和低電源電流消耗是 獨立的電源電壓的幅度。應用領(lǐng)域包括傳感器放大器，直流增益模塊和所有傳統(tǒng)的運算放大器現(xiàn)在可 以更容易地在單電源系統(tǒng)中實現(xiàn)的電路。例如，可直接操作的LM324系列，這是用來在數(shù)字系統(tǒng)中，輕松地將提供所需的接口電路，而無需額外的土 15V電源 標準的5V電源電壓。LM324引腳如圖2.23詩腳連接編出1虢入1 Vcc罐

17、人2 輸田2ifl（俯輒圖）圖2.2.3 LM324引腳圖2.3信號放大器作用就是將提供的微弱信號放大到可以驅(qū)動負載正常工作。 信號放大器電路原理圖如圖2.3.1。RS圖2.3.1信號放大器電路原理圖信號放大器效果仿真圖如圖223。Oscill o scope-XSC1圖2.2.3信號放大器效果仿真圖第3章：仿真電路的建立與分析3.1仿真電路建立:仿真電路圖如圖3.1.1所示圖3.1.1仿真電路圖3.2仿真結(jié)果的分析:仿真電路效果圖如圖3.2.1所示圖3.1.2仿真電路效果圖當有人進入到熱釋電紅外線傳感器探測范圍內(nèi)時就會有一個微弱的交流信 號產(chǎn)生，然后經(jīng)過濾波整理，再將信號放大處理后，從而驅(qū)動燈正常點亮，實現(xiàn) 了夜間人來燈亮，當人走后就沒有信號輸入，燈持續(xù)一段時間后就會自然滅，實 現(xiàn)了人走燈滅。第 4 章：設計體會經(jīng)過了一個星期的課程設計， 使我們對所學的知識有了更多的體會， 對課題 進行分析、 設計時我們發(fā)現(xiàn)， 所要用到的知識不僅僅局限于課本， 再搜索資料的 同時擴展了課本中所學的知