《紅外感應(yīng)開關(guān)的設(shè)計(jì)》專業(yè)課程設(shè)計(jì)

1、塔里木大學(xué)2017屆課程設(shè)計(jì)紅外感應(yīng)開關(guān)的設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說明書學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 所屬學(xué)院 信息工程學(xué)院 專 業(yè) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 班 級(jí) 指導(dǎo)教師 教師職稱 塔里木大學(xué)教務(wù)處制目錄摘要21.緒論32. 紅外感應(yīng)開關(guān)電路原理42.1紅外感應(yīng)開關(guān)電路圖42.2元件圖表52.3注意事項(xiàng)：63.1紅外光波譜63.2 紅外收發(fā)系統(tǒng)64.紅外控制和傳統(tǒng)開關(guān)控制的比較74.1傳統(tǒng)開關(guān)的缺陷74.2紅外線感應(yīng)開關(guān)的優(yōu)勢(shì)74.3方案設(shè)計(jì)85.設(shè)計(jì)調(diào)試85.1 調(diào)試前不加電源的檢查85.2 靜態(tài)檢測(cè)與調(diào)試95.3 動(dòng)態(tài)檢測(cè)與調(diào)試96.CD4093單片機(jī)97. PCB板實(shí)體圖108.總結(jié)119.致謝1310.參考文獻(xiàn)

2、14摘要本文介紹了紅外線感應(yīng)開關(guān)的原理，采用紅外探頭將接收到的微弱信號(hào)加以放大，然后驅(qū)動(dòng)繼電器，制成紅外感應(yīng)開關(guān)。本開關(guān)能探測(cè)來自環(huán)境中物體的紅外輻射，探測(cè)環(huán)境中存在感應(yīng)到的物體，開關(guān)會(huì)自動(dòng)開啟。該設(shè)計(jì)可作為企業(yè)、賓館、商場(chǎng)及住宅的走廊、樓梯、電梯間、衛(wèi)生間、庫房等處的自動(dòng)開關(guān)，起到自動(dòng)化的作用，既新穎方便，又節(jié)約用電，在某些場(chǎng)所還能起到威懾盜竊活動(dòng)的防范作用?？萍际谷藗兊纳罡篮?。進(jìn)入21世紀(jì)以來，科學(xué)技術(shù)不斷地飛速發(fā)展，電子類技術(shù)更是不斷地改變著人們的生活。從常見的手機(jī)到翱翔在太空的宇宙衛(wèi)星，各種電子類產(chǎn)品是現(xiàn)代人們必不可少的工具，滲透在人們的日常生活中。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，本身不發(fā)任何類型

3、的輻射，器件功耗很小，價(jià)格低廉，隱蔽性好，應(yīng)用范圍廣，所以可以通過擴(kuò)展而達(dá)到實(shí)際的應(yīng)用。本課程設(shè)計(jì)主要通過紅外線感應(yīng)開關(guān)的制作，深入淺出地學(xué)習(xí)其設(shè)計(jì)，工作原理以及其工作環(huán)境、效率等，為日后進(jìn)一步學(xué)習(xí)和以后工作學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：紅外線 感應(yīng)開關(guān) 自動(dòng)化 1.緒論紅外傳感器是一種能檢測(cè)物體發(fā)射的紅外線而輸出電信號(hào)的傳感器。早在1938年，有人提出過利用電磁效應(yīng)探測(cè)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(dòng)了對(duì)感應(yīng)電效應(yīng)的研究和對(duì)感應(yīng)效應(yīng)晶體的應(yīng)用。熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測(cè)器，它可以作為紅外激光的一種較理想的探測(cè)器。它目標(biāo)正在被廣

4、泛的應(yīng)用到各種自動(dòng)化控制裝置中。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(shì)，諸如較低的功率需求、較快的響應(yīng)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?；谀壳皣鴥?nèi)國際形勢(shì)，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(huì)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，而且使燈具控制和維護(hù)變得更為簡單，而且具有可靠性高、安裝布線容易。智能化已經(jīng)成為當(dāng)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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

5、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(shí)現(xiàn)簡單的區(qū)域照明。相比之下，智能照明系統(tǒng)體現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)越性，它在智能建筑中的應(yīng)用越來越廣泛。智能照明系統(tǒng)在智能建筑中的應(yīng)用效果如下：a. 改善工作環(huán)境，提高工作效率。b. 可觀的節(jié)能效果。智能照明控制系統(tǒng)使用了先進(jìn)的電力電子技術(shù)，能對(duì)大多數(shù)燈具進(jìn)行智能調(diào)光。當(dāng)室外光較強(qiáng)時(shí)，室內(nèi)照度自動(dòng)調(diào)暗，室外光較弱時(shí)，室內(nèi)照度則自動(dòng)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(shí)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(shè)置照明工作狀態(tài)等方式，通過智能化管理實(shí)現(xiàn)節(jié)能。 c. 提高管理水平，減少維護(hù)費(fèi)用。智

6、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(shí)運(yùn)用于照明控制系統(tǒng)中去，而且將大大減少大樓的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，并帶來較大的投資回報(bào)。2. 紅外感應(yīng)開關(guān)電路原理 功能特點(diǎn)：基于紅外線感應(yīng)技術(shù)的自動(dòng)控制產(chǎn)品，當(dāng)有物體進(jìn)入開關(guān)感應(yīng)范圍時(shí)，專用傳感器探測(cè)到人物體紅外光譜的變化，開關(guān)自動(dòng)接通負(fù)載。物體不離開且在活動(dòng)，開關(guān)持續(xù)導(dǎo)通；物體離開后，開關(guān)延時(shí)自動(dòng)關(guān)閉負(fù)載，親切方便，安全節(jié)能。 具有探測(cè)功能：無觸點(diǎn)電子開關(guān)，延長負(fù)載使用壽命。安裝調(diào)試，因開關(guān)左右兩側(cè)比上下兩側(cè)的感應(yīng)范圍大，所以安裝開關(guān)時(shí)，應(yīng)使其正軸線與物體的運(yùn)動(dòng)方向盡量相垂直，這樣可以達(dá)到最佳感應(yīng)效果。

7、安裝好開關(guān)后加電，當(dāng)紅外感應(yīng)開關(guān)探測(cè)到環(huán)境中物體運(yùn)動(dòng)，開關(guān)就會(huì)自動(dòng)開啟。 紅外感應(yīng)開關(guān)由紅外發(fā)射電路和紅外接收、控制電路組成。2.1紅外感應(yīng)開關(guān)電路圖工作電壓：12V2.2元件圖表元件名稱數(shù)量元件名稱數(shù)量PCB板19013三極管1CD4093直插1100歐 1W電阻114腳IC插槽133歐 1W電阻1KF301-2P接線座2105藍(lán)白電位器112V繼電器11K電阻31N4007二極管210K電阻31N4148二極管322K電阻13MM發(fā)光二極管 紅色182K電阻2940紅外發(fā)射光（白色）1220K電阻2940紅外接收管（黑色）15.1M電阻19012三極管410M電阻147UF25V電解電容1

8、104獨(dú)石電容3100UF25V電解電容12.3注意事項(xiàng)：對(duì)照原理圖，印刷電路板及元件，整理元件清單分清各元件，不要急于動(dòng)手。1.電阻不分正、負(fù)極，但是注意電阻值；電容和發(fā)光二極管有極性，長正、短負(fù)，不要弄錯(cuò)。2.一個(gè)焊點(diǎn)的焊接時(shí)間盡量控制在2秒內(nèi)，力求做到不虛焊，短路，焊點(diǎn)圓潤光滑。3.認(rèn)真分析電路，注意元器件的接放位置，認(rèn)真構(gòu)思電路，布好線路。4.在進(jìn)行元器件焊接時(shí)，要注意安全，防止?fàn)C傷。5.調(diào)試時(shí)人體盡量遠(yuǎn)離感應(yīng)區(qū)域，有時(shí)雖然人體不在模塊的正前方，但是人體離模塊太近時(shí)模塊也能感應(yīng)到，還有調(diào)試時(shí)人體不要觸摸電路部分也會(huì)影響模塊工作.3.1紅外光波譜通常，將電磁波波譜中間間隔為0.76到10

9、00m的波段曾稱為紅外光譜區(qū)。一般把紅外光譜分為即近紅外、中紅外、中遠(yuǎn)紅外和遠(yuǎn)紅外區(qū)四個(gè)區(qū)域。采用近紅外光作為紅外遙控的光源，其原因主要如下： 一般的接收用的光電二極管、光敏三極管大都采用硅半導(dǎo)體材料制作而成，這類管子對(duì)波長為780到1550nm的紅外光的探測(cè)靈敏度最高。紅外光發(fā)射器件，尤其是采用GaAs、AlGaAs等半導(dǎo)體材料制作的紅外發(fā)光二極管，發(fā)射波長在880到1700nm范圍內(nèi)，這與硅光電接收器件的相應(yīng)波長相匹配，使探測(cè)靈敏度高，提高了工作效率。 3.2 紅外收發(fā)系統(tǒng) a. 驅(qū)動(dòng)方式 紅外發(fā)光二極管是一種由PN結(jié)構(gòu)成的注入電流型發(fā)光器件，在加上合適的正向偏置電壓后，就可以發(fā)出一定波長

10、的近紅外光，投入到實(shí)踐當(dāng)中。驅(qū)動(dòng)方式除直流電流驅(qū)動(dòng)方式外，發(fā)光二極管還有交流電流驅(qū)動(dòng)方式和脈動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)方式等。在紅外遙控系統(tǒng)中，通常采用脈動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)方式，即脈沖式紅外光發(fā)射方式，而不采用恒定直流驅(qū)動(dòng)方式，即平均發(fā)射方式， b. 紅外接收系統(tǒng)的組成 紅外光遙控接收系統(tǒng)主要由紅外發(fā)射電路和紅外接收電路組成。在紅外發(fā)射電路中，脈沖信號(hào)由波形發(fā)生器產(chǎn)生，經(jīng)驅(qū)動(dòng)級(jí)放大后驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管，使紅外發(fā)光二極管發(fā)射出一段等頻率的紅外光脈沖信號(hào)。c 紅外遙控系統(tǒng)的控制方式 紅外光遙控系統(tǒng)分為單通道紅外遙控開關(guān)方式、單通道步進(jìn)式紅外遙控方式、雙光束紅外遙控方式、多通道紅外遙控方式。4.紅外控制和傳統(tǒng)開關(guān)控制的比較

11、 4.1傳統(tǒng)開關(guān)的缺陷 沒有簡單的方法實(shí)現(xiàn)全開全關(guān)的操作，離家前還得檢查一遍是否所有的燈已經(jīng)關(guān)閉，非常麻煩。雙控開關(guān)布線復(fù)雜，更無法實(shí)現(xiàn)三控和多控。在裝修好的房子里增加燈和開關(guān)，就會(huì)破壞裝修，房間越大就越不方便。關(guān)燈原理不合乎節(jié)能的要求。因力，由于關(guān)燈不方便，造成關(guān)燈不及時(shí)而且浪費(fèi)電，而不能像紅外感應(yīng)開關(guān)那么方便，只有更換燈泡才能解決問題。4.2紅外線感應(yīng)開關(guān)的優(yōu)勢(shì)集中控制和多種操作功能：在任何一個(gè)地方的終端均可控制不同地方的燈；或者是在不同地方的終端可以控制同一盞燈。開燈時(shí)，燈光由昏暗變明亮，關(guān)燈時(shí)，燈光由亮漸漸變暗，避免亮度的突然變化刺激人眼，給人眼一個(gè)緩沖，保護(hù)眼睛。而且避免大電流和高溫

12、的突變對(duì)燈絲的沖擊，保護(hù)燈泡，延長使用壽命。4.3方案設(shè)計(jì) 采用一種單通道的控制方式,此方式是最簡潔的紅外線遙控方式。執(zhí)行機(jī)件可以是繼電器或可控硅器件，達(dá)到控制對(duì)象開、關(guān)的目的。下圖給出了單通道紅外感應(yīng)控制開關(guān)電路的組成及控制原理：。 感應(yīng)電路 信號(hào)放大電路 開關(guān)控制電路紅外發(fā)射 單片機(jī) 開關(guān)控制 紅外接收 5.設(shè)計(jì)調(diào)試 控制電路板的安裝與調(diào)試在整個(gè)電路的設(shè)計(jì)中占有重要位置，它是把理論付諸實(shí)踐的過程，也是把紙面設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際產(chǎn)品的必經(jīng)階段。對(duì)試驗(yàn)階段的電路板的安裝一般有兩種方式即焊接方式和面包板插接方式。使用面包板焊接更加方便，容易更換線路和器件，而且可以多次使用。本設(shè)計(jì)常用的調(diào)試儀器有：萬用

13、表、穩(wěn)壓電源、信號(hào)源等。5.1 調(diào)試前不加電源的檢查 對(duì)照電路圖和實(shí)際線路檢查連線是否正確，包括錯(cuò)接、少接、多接等；用萬用表電阻檔位檢查焊接和接插口是否良好；元器件引腳之間有無短路，連接處有無接觸不良，二極管、三極管、集成電路和電解電容的極性是否正確；電源供電包括極性、信號(hào)源連線是否正確；電源端對(duì)地是否存在短路（用萬用表測(cè)量電阻）。 經(jīng)過上述檢查，我們發(fā)現(xiàn)我們所設(shè)計(jì)的電路存在錯(cuò)接和連接處不良接觸的問題，經(jīng)過細(xì)心的檢查后，解決了上述的一些電路上的問題。5.2 靜態(tài)檢測(cè)與調(diào)試 斷開信號(hào)源，把經(jīng)過準(zhǔn)確測(cè)量的電源接入電路，用萬用表電壓檔位監(jiān)測(cè)電源電壓，觀察有無異?，F(xiàn)象：如冒煙、異常氣味、手摸元器件發(fā)燙

14、，電源短路等，如發(fā)現(xiàn)異常情況，立即切斷電源，排除故障。我們的電路在此項(xiàng)測(cè)試中如無異常情況，接著我們又分別測(cè)量各關(guān)鍵點(diǎn)直流電壓，如靜態(tài)工作點(diǎn)、放大電路輸入、輸出端直流電壓等是否在正常工作狀態(tài)下，結(jié)果有個(gè)別電路不符，經(jīng)過調(diào)整電路元器件參數(shù)、更換元器件，使電路最終工作在合適的工作狀態(tài)。 5.3 動(dòng)態(tài)檢測(cè)與調(diào)試 動(dòng)態(tài)調(diào)試是在靜態(tài)調(diào)試的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，調(diào)試的方法地在電路的輸入端加上所需的信號(hào)源，并循著信號(hào)的注射逐級(jí)檢測(cè)各有關(guān)點(diǎn)的波形、參數(shù)和性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求，如必要，要對(duì)電路參數(shù)作進(jìn)一步調(diào)整。發(fā)現(xiàn)問題，要設(shè)法找出原因，排除故障，繼續(xù)進(jìn)行。6.CD4093單片機(jī)d4093由四個(gè)2輸入端施密特觸發(fā)器電路

15、組成。每個(gè)電路均為在兩輸入端有斯密特觸發(fā)功能的2輸入與非門。每個(gè)門在信號(hào)的上升和下降沿的不同點(diǎn)開、關(guān)。上升電壓(V P)T和下降電壓(V N)之差定義為滯后電壓 (V T)。7. PCB板實(shí)體圖正面板反面板8.總結(jié)這篇設(shè)計(jì)詳細(xì)介紹了基于單片機(jī)的紅外感應(yīng)開關(guān)的工作原理、基本結(jié)構(gòu)；分析了紅外感應(yīng)技術(shù)的原理，清晰的總結(jié)出紅外發(fā)射電路和接收電路的工作原理和技術(shù)要求。并針對(duì)其特點(diǎn)，采用感應(yīng)信號(hào)放大方法，通過放大電路的構(gòu)建，成功解決了信號(hào)微弱的問題。其次，本設(shè)計(jì)在對(duì)現(xiàn)有紅外感應(yīng)技術(shù)的大量文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出了運(yùn)用先進(jìn)的單片機(jī)系統(tǒng)制作多功能紅外感應(yīng)開關(guān)，使其在原始控制開關(guān)的基礎(chǔ)上，增加了更加智能化的感應(yīng)控

16、制的功能，使得本次設(shè)計(jì)的紅外感應(yīng)控制開關(guān)更加的具有實(shí)用性。通過實(shí)驗(yàn)表明，在有效距離（實(shí)驗(yàn)室內(nèi)）里我們成功的利用紅外線感應(yīng)來控制開關(guān)的閉合，電磁繼電器隨著紅外感應(yīng)的變化發(fā)出正常的聲響。由于先前進(jìn)行了嚴(yán)格的器件的挑選，整個(gè)紅外感應(yīng)控制器系統(tǒng)的靈敏度、測(cè)量精度、穩(wěn)定性都有不錯(cuò)的表現(xiàn)，達(dá)到了本次設(shè)計(jì)的要求。按照該流程設(shè)計(jì)電路若要設(shè)計(jì)出一個(gè)性能不錯(cuò)的電路，現(xiàn)在對(duì)于我們來說還有些困難，理論與實(shí)踐并不是一味的互相吻合，它們往往會(huì)存在誤差甚至讓你無從琢磨和下手，這就需要我們用實(shí)踐去證明它，只有如此，才能發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并有所收獲，這正是我們?yōu)榇硕偪竦哪康?。?dāng)然，雖說事物本身具有相對(duì)性和絕對(duì)性，但僅此實(shí)驗(yàn)我覺得我們不

17、能抱以絕對(duì)上的觀念去看待，我們應(yīng)該靈活對(duì)待，理論的電路設(shè)計(jì)圖是我們?cè)趯?shí)踐中的思路圖，為了達(dá)到更好的實(shí)踐效果才制作的，所以我們要學(xué)會(huì)分清實(shí)踐與理論之間的差別，在實(shí)踐中適當(dāng)?shù)膶?duì)本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。最后，由于時(shí)間和本人水平的制約，本設(shè)計(jì)可能還存在著某些不足之處！希望各位專家、學(xué)者和同學(xué)們給予指正，謝謝！9.致謝經(jīng)過一個(gè)星期的努力，我們?cè)趨怖蠋?、張老師和楊老師的耐心幫助和指?dǎo)下，加上我們自己的努力下終于完成了此次設(shè)計(jì)，并按設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)了紅外感應(yīng)開關(guān)的各項(xiàng)功能。通過這次設(shè)計(jì)使我們從中學(xué)到了很多課本上學(xué)不到的知識(shí)，了解到了紅外感應(yīng)開關(guān)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，并學(xué)會(huì)了用單片機(jī)開發(fā)產(chǎn)品的完整的過程，知道了科學(xué)技術(shù)對(duì)于

18、我們生活是那么的重要。例如：有了紅外感應(yīng)開關(guān)，我們可以省下更多的時(shí)間去干更多的事，提高了我們的生活效率，使我們的生活變的更加簡潔、輕松和愉快；明白了設(shè)計(jì)的概念，通過自己親自去動(dòng)手和調(diào)試我明白的實(shí)踐的重要性。在畫電路圖、組裝電路和焊接的過程中我們遇到了許多問題，老師教我們要學(xué)會(huì)先自己認(rèn)真、仔細(xì)的分析實(shí)際操作中存在的問題。有的地方實(shí)在不懂，老師則一遍又一遍給我們講解。在這期間，我學(xué)會(huì)了獨(dú)立思考，自己動(dòng)手處理問題，明白了理論結(jié)合實(shí)踐的含義；同時(shí)也懂得了團(tuán)隊(duì)合作是很重要的，分工明確，認(rèn)真處理好自己負(fù)責(zé)的部分，才能提高工作效率。只有齊心協(xié)力、團(tuán)結(jié)一致才能把事情做好；我想這些在我們以后的工作中都是非常有用的。通過這次課程設(shè)計(jì)，讓我學(xué)到了許多，感觸很深，有