北郵紅外感應照明燈自動控制電路實驗報告

實驗報告《電子測量與電子電路》綜合設計型實驗實驗名稱：紅外感應照明燈自動控制電路實驗學生(學號)：XXXXXXXXXXXXXXXXXX所屬班級：XXXXXXXXXXXXXXXXXX班內(nèi)序號：XXXXXX所屬學院：XXXXXXXXXXXXXX 2018年4月摘要當今社會，隨著人類生產(chǎn)活動的愈發(fā)頻繁，能源問題越來越嚴重，生態(tài)環(huán)境遭到破壞，節(jié)能環(huán)保成為當今社會一大重要主題。為了節(jié)能環(huán)保的目的公共場所的走廊過道都盡量使用自動控制照明燈，實現(xiàn)“人來燈亮，人走燈滅〞，既能很好的節(jié)約能源，也能給人們的生活帶來方便。實現(xiàn)控制的方法可以是聲控，光控，紅外感應，觸摸或遙控等，根據(jù)使用的環(huán)境可以選用適當?shù)姆椒?。此題選用熱釋電紅外感應控制。關鍵詞：熱釋紅外感應；自動控制；光敏；延時。目錄引言--------------------------------------------------------------------------4實驗設計要求1.1設計概述------------------------------------------------------------------41.2設計任務要求--------------------------------------------------------------4第二章電路設計2.1系統(tǒng)組成框圖--------------------------------------------------------------42.2系統(tǒng)整體設計思路----------------------------------------------------------52.3模塊電路設計思路 2.3.1第一級放大電路設計--------------------------------------------------5 2.3.2第二級放大電路設計--------------------------------------------------6 2.3.3電壓比擬器模塊設計--------------------------------------------------7 2.3.4555定時器模塊設計-------------------------------------------------8第三章電路仿真3.1前2級放大電路仿真-------------------------------------------------------103.2電壓比擬模塊仿真---------------------------------------------------------113.3電路整體仿真-------------------------------------------------------------11第四章電路搭建與調(diào)試4.1組合調(diào)試中的故障與問題分析-----------------------------------------------124.2系統(tǒng)最終演示效果和所實現(xiàn)的功能-------------------------------------------12第五章實驗總結與結論5.1&5.2實驗總結〔搭建與調(diào)測〕------------------------------------------------155.3實驗結論-----------------------------------------------------------------155.4心得體會----------------------------------------------------------------15第六章 實驗元件和儀器資料6.1實驗元件6.1.1熱釋紅外傳感器PIR------------------------------------------------156.1.2集成運放芯片LM358------------------------------------------------166.1.3光敏電阻----------------------------------------------------------176.1.4NE555定時器-------------------------------------------------------196.2實驗儀器----------------------------------------------------------------19第七章參考書籍及資料-------------------------------------------------------19引言：隨著社會的進步，節(jié)能環(huán)保已經(jīng)深入人心，成為當今社會重要主題之一。通過紅外感應來實現(xiàn)自動控制的功能電器已經(jīng)悄悄影響著人們的生活，生活中處處可以看到紅外感應自動控制設備的影子。本實驗設計利用熱釋電紅外傳感器PIR獲得電壓，然后通過LM358來實現(xiàn)兩級電壓放大，然后經(jīng)過電壓比擬器，二極管D1導通，使555構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器反轉進入暫穩(wěn)態(tài)，3腳輸出高電平，將LED燈點亮，實現(xiàn)紅外感應自動控制。第一章實驗設計要求1.1設計概述本設計是在指導老師給定課題的根底上經(jīng)過分析，采用熱釋電紅外傳感器PIR，能根據(jù)生命體從傳感器旁經(jīng)過的距離長短作為觸發(fā)信號〔實驗中用手劃過傳感器來模擬〕，使LED二極管發(fā)光并延遲10秒以上熄滅。1.2設計任務要求根本要求用發(fā)光二極管模擬照明燈，在白天保持熄滅狀態(tài)，在夜間有人從附近10cm經(jīng)過燈便點亮，延遲10秒后熄滅。電源用5伏直流電源，傳感器用RE200B紅外熱釋電傳感器。電路工作穩(wěn)定可靠。提高要求延長感應距離到20cm或30cm。電路設計延時電路熱釋傳感器PIR放大器電壓比擬器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器照明燈2.1系統(tǒng)組成框圖延時電路熱釋傳感器PIR放大器電壓比擬器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器照明燈2.2系統(tǒng)總體設計思路PIR熱釋傳感器能夠因為紅外線的變化在其S端輸出微弱的超低頻交流信號，，經(jīng)C2加到三極管Q1輸入端放大，再經(jīng)運放U1A組成的放大器進一步放大，使信號增益到達幾十dB，后進入電壓比擬器反向輸入端。信號幅度高于比擬電壓時，比擬器輸出低電平，二極管D1導通，使555構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器反轉進入暫穩(wěn)態(tài)，3腳輸出高電平，將LED燈點亮。由于要求LED燈延時熄滅，還要參加RC延時電路，調(diào)節(jié)電位器可以改變燈點亮的時間2.3模塊電路設計思路2.3.1第一級放大電路設計原理簡述：由于PIR輸出的是超低頻交流信號，為了保障電路的穩(wěn)定，采用深度負反應電路〔電壓并聯(lián)負反應〕,耦合電容C2的作用是阻直流，通交流，一般采用容量較大的電解電容器，本實驗采用C2=47uF,F〔反應系數(shù)〕=-1/R2,由于輸入的信號十分微弱，不妨設Ii=10mA〔實際電流大于10mA〕,則Vo=If*R2+1，通過靜態(tài)工作點的設置，Ib=-If=(Vce-Vbe)/R2,得到R1取值為10千歐，R2的取值為1兆歐，第一級放大倍數(shù)約為120；2.3.2第二級放大電路設計原理簡述：(此處忽略電容)第二級放大采用同相放大電路，輸入信號輸入到運放的同相輸入端〔R’=0〕。反應網(wǎng)絡為Rf和R1，構成深度電壓串聯(lián)負反應放大電路。根據(jù)分析集成運算放大電路的兩個重要特點〔“虛短〞、“虛斷〞〕可知：因為U+=U-=Ui〔“虛短〞，但不是“虛地〞〕，I+=I-=0所以故有則即閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為Uo與Ui是比例關系，改變比例系數(shù)，即改變Rf／R1，即可改變Uo的值。實際參數(shù)：在實際電路中取R4(原理中為Rf)=R3(原理中為R1〕=47千歐，C1=33uF,C5=0.01uF,第二級放大倍數(shù)約為2倍。2.3.3電壓比擬器模塊設計設計原理簡述：電壓比擬器是對兩個模擬電壓比擬其大小,并判斷出其中哪一個電壓高。圖1(a)是比擬器，它有兩個輸入端：同相輸入端(“+〞端)及反相輸入端(“-〞端)，有一個輸出端Vout(輸出電平信號)。另外有電源V+及地(單電源比擬器)，同相端輸入電壓VA，反相端輸入VB。VA和VB的變化如下圖。在時間0～t1時，VA>VB；在t1～t2時，VB>VA；在t2～t3時，VA>VB。在這種情況下，Vout的輸出如圖1(c)所示：VA>VB時，Vout輸出高電平(飽和輸出)；VB>VA時，Vout輸出低電平。根據(jù)輸出電平的上下便可知道哪個電壓大。如果把VA輸入到反相端，VB輸入到同相端，VA及VB的電壓變化仍然如圖1(b)所示，則Vout輸出如圖1(d)所示。與圖1(c)比擬，其輸出電平倒了一下。輸出電平變化與VA、VB的輸入端有關。如果輸入電壓VA與某一個固定不變的電壓VB相比擬，此固定不變的VB稱為參考電壓、基準電壓或閾值電壓。在試驗中合理設置參考電壓便可以實現(xiàn)特定的電壓比擬。實際電路參數(shù)為了便于電路組合之后的調(diào)試過程，特引入電位器分壓，信號從反相端輸入，參考電壓從同向端輸入。如下圖：2.3.4555定時器模塊設計設計原理簡述：U2的暫態(tài)時間由R14和C4構成的時間常數(shù)決定，調(diào)節(jié)電位器R14可以改變燈點亮的時間。暫態(tài)過后U2的3腳輸出低電平，燈熄滅。調(diào)節(jié)R10可改變對人體活動的感應靈敏度。白天光敏電阻R9呈低阻態(tài)，Q2飽和導通，將U2的4腳置低電平，使U2強制復位，3腳恒為低電平，燈不會亮。只有光線暗時R9呈高阻態(tài)，Q2截止，4腳為高電平，才解除對電路的封鎖?！补饷綦娮柙谑覂?nèi)光照條件下阻值為幾千歐〕實際參數(shù)設計：第三章電路仿真3.1前兩級放大電路仿真3.1.1第一級可以看出第一級放大倍數(shù)在120倍左右，根本與預期倍數(shù)符合。3.1.2第二級第二級放大倍數(shù)在2左右，符合預期倍數(shù)。3.2電壓比擬模塊仿真從仿真中可以看出上下電平隨輸入信號的變化而切換，符合預期設計。3.3整體系統(tǒng)仿真當輸入低頻小信號時，LED燈點亮，仿真結果根本符合前面的設計。第四章電路搭建與調(diào)試4.1組合調(diào)試中的故障與問題分析在開始搭建電路和調(diào)試的過程中，雖然做了比擬充分的準備，但在實際操作還是出現(xiàn)了一些意想不到的問題：在一開始完成前級放大電路的搭建，我通過函數(shù)發(fā)生器向電路輸入一個低頻小信號〔幅度為10mV,頻率為1Hz〕然后用示波器分別顯示第一級，第二級的輸出信號波形，結果并沒有顯示正常的波形，經(jīng)過對電路進行初步檢查時發(fā)現(xiàn)問題出在地線上，地線的連接出現(xiàn)錯誤；但糾正后依然沒有1得到正常的結果，我只得一處一處來測試，最終發(fā)現(xiàn)是自己將一個10千歐的電阻接成了1千歐，導致靜態(tài)工作點設置出現(xiàn)了問題，第一級放大電路起不到作用，更換后，結果與預期根本相符；實驗中碰到的另一個問題是感應距離，本實驗對感應距離的調(diào)制主要基于參考電壓與比擬電壓之間的差值，差值越小，電路越靈敏，但當差值過小時，只要有一點點的影響就會讓LED燈點亮，最終變成了常亮，所以此電路的識別距離L<=25cm。除此之外，在一個試驗臺調(diào)好距離后，拿到另一個試驗臺結果就會發(fā)現(xiàn)變化〔有時會常亮〕，經(jīng)過資料查詢，我發(fā)現(xiàn)這是由熱釋傳感器的自身參數(shù)與性能引起的，不同試驗臺位置不同，溫度不同，電源電壓也有細微差距，〔主要是影響紅外分布〕導致結果不同。4.2系統(tǒng)最終演示效果和所實現(xiàn)的功能輸如是第一級放大電路的輸出：〔輸入信號幅度為10mV,頻率為1Hz〕由波形可得第一級放大倍數(shù)為117倍，接近設計倍數(shù)〔120〕輸出波形頻率接近1Hz如是第二級放大電路的輸出：〔輸入信號幅度為10mV,頻率為1Hz〕由波形可得第二級放大倍數(shù)為2倍左右，符合設計倍數(shù)〔2〕輸出波形頻率接近1Hz如圖4.2.3是參考電壓波形圖，可以看出參考電壓在2V左右如圖4.2.4是單穩(wěn)觸發(fā)器輸出電平〔高電平4V左右，低電平接近0V〕如圖4.2.5是已經(jīng)搭建完成并調(diào)試成功的系統(tǒng)電路圖：在調(diào)試過程中我是用筆帽蓋住光敏電阻，模擬出黑夜的環(huán)境，當我的手從PIR上方或者周圍經(jīng)過時，LED燈點亮，手離開大約10秒后LED燈熄滅，在LED點亮時拿開筆帽，LED燈熄滅，根本完成了實驗要求。第五章實驗總結與結論5.1電路搭建方面總結：電路搭建用電阻時一定要確認阻值，不然在后期調(diào)試糾錯時將遇到巨大的問題，而且十分難以發(fā)現(xiàn)，這是比聯(lián)線錯誤更加隱匿的錯誤。第二，在電路連接時，最后把接電源的線與地線分別用兩種顏色的線〔紅和黑〕，內(nèi)部電路連接可以每一局部用一種顏色，這樣電路結構就十分清晰，也便于后期的調(diào)試與糾錯；5.2電路調(diào)試方面總結：電路調(diào)試要分模塊，從電路結構入手，如果系統(tǒng)的結果與預期相差甚遠，則分模塊入手，從前到后，一處輸出就可以有一處調(diào)測，這樣能很精確地判斷錯誤所在，另外應當充分利用實驗儀器，例如示波器。5.3實驗結論：根據(jù)實驗原本提供的電路圖和原理簡述，并結合實驗的要求，我通過計算得到了具體電阻、電容的參數(shù)值，然后通過仿真，電路搭建與調(diào)試完成了本實驗的電路，并實現(xiàn)了所要求的根本功能。5.4心得體會：〔1〕關于選題，選擇自己感興趣的題目，因為一個感興趣的問題將是做實驗源源不斷的動力。盡管紅外感應燈自動控制電路不像其他題目在網(wǎng)上有大量的資料，大局部問題還需要靠自己摸索，但是因為對紅外感應自動控制這樣一個實用電路感興趣，也覺得與自己的學院能掛上關系，畢竟與光同行！然后能靜下心來，一步一步自己摸索出來。〔2〕關于操作，必須要提的是電路首先需要按照設計圖正確的搭出來，當實驗出不來的時候，檢查了半天發(fā)現(xiàn)是某一個管腳接錯或者電阻阻值用錯，是非常懊惱的，這樣的低級錯誤既傷神又耗時間，所以第一步是要把電路搭對了。〔真的是有血的教訓〕〔3〕關于調(diào)試，電腦仿真和實際電路還是有一定的區(qū)別的，仿真能出來，實際模擬電路不一定出的來，這樣就需要靜下心來，仔細分析問題產(chǎn)生的原因，一級一級的檢查。〔4〕關于交流，遇到暫時無法解決的問題，要及時與別人溝通請教。及時的溝通可以加快實驗的進程，也便于弄清楚一些復雜的實驗問題。第六章實驗元件和儀器資料6.1實驗元件6.1.1熱釋紅外感應傳感器PIR:工作原理：

人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會發(fā)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(fā)射的10UM左右的紅外線而進行工作的。人體發(fā)射的10UM左右的紅外線通過菲涅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(fā)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生報警信號。

熱釋電效應：

當一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產(chǎn)生數(shù)量相等而符號相反的電荷。這種由于熱變化而產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱為熱釋電效應。

菲涅爾透鏡：

根據(jù)菲涅爾原理制成，菲涅爾透鏡分為折射式和反射式兩種形式，其作用一是聚焦作用，將熱釋的紅外信號折射〔反射〕在PIR上；二是將檢測區(qū)內(nèi)分為假設干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入檢測區(qū)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，這樣PIR就能產(chǎn)生變化電信號。使熱釋電人體紅外傳感器(PIR)靈敏度大大增加。模塊參數(shù)：

1.工作電壓：DC5V至20V

2.靜態(tài)功耗：65微安

3.電平輸出：高3.3V，低0V

4.延時時間：可調(diào)(0.3秒~18秒)

5.封鎖時間：0.2秒

模塊特性：

1、這種探頭是以探測人體輻射為目標的。所以熱釋電元件對波長為10UM左右的紅外輻射必須非常敏感。

2、為了僅僅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爾濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的控制作用。

3、被動紅外探頭，其傳感器包含兩個互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元。而且制成的兩個電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對兩個熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應相互抵消，于是探測器無信號輸出。

4、一旦人侵入探測區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過局部鏡面聚焦，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，經(jīng)信號處理而報警。

5、菲涅爾濾光片根據(jù)性能要求不同，具有不同的焦距(感應距離)，從而產(chǎn)生不同的監(jiān)控視場，視場越多，控制越嚴密。6.1.2集成運放LM358LM358引腳圖LM358簡介LM358是雙運算放大器。內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作.LM358特性直流電壓增益高(約100dB)。

單位增益頻帶寬(約1MHz)。

電源電壓范圍寬：單電源(3—30V)；雙電源(±1.5一±15V)。

低功耗電流，適合于電池供電。

低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流。

共模輸入電壓范圍寬，包括接地。

差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍。

輸出電壓擺幅大〔0至Vcc-1.5V)。LM358參數(shù)輸入偏置電流45nA輸入失調(diào)電流50nA輸入失調(diào)電壓2.9mV輸入共模電壓最大值VCC~1.5V共模抑制比80dB電源抑制比100dB6.1.3光敏電阻光敏電阻器是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器。主要用于光的測量、光的控制、和光電轉換。如圖：光敏電阻器都制成薄片結構，以便能夠吸收更多的光能。該類電阻器的特點是入射光越強，電阻值就越小，入射光越弱，電阻值就越大。如聲控燈中采用了光敏電阻器作為白天控制燈光的裝置。結構：通常由光敏層、玻璃基片〔或樹枝防潮膜〕和電極等組成的。特性：光敏電阻器是利用半導體光電導效應制成的一種特殊電阻器，對光線十分敏感，它的電阻值能隨著外界光照強弱〔明暗〕變化而變化。它在無光照射時，成高阻狀態(tài)；當有光照射時，其電阻值迅速減小。6.1.4NE555定時器555集成時基電路稱為集成定時器，是一種數(shù)字、模擬混合型的中規(guī)模集成電路，