熱釋電人體探測(cè)燈控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及普通電阻加熱爐的設(shè)計(jì)

測(cè)控技術(shù)與儀器摘要紅外線、熱釋電和超聲波遙控電路由于其功耗低，可靠性高和互相干擾小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在現(xiàn)實(shí)生活中得到了廣泛的應(yīng)用，而熱釋電紅外控制在各類照明器件的控制和安全防護(hù)系統(tǒng)的檢測(cè)中更有著獨(dú)特的作用。該設(shè)計(jì)是以BISS0001紅外控制電路組成的熱釋電紅外控制照明燈的工作原理為依據(jù)。采用熱釋電紅外探頭將接收到的信號(hào)加以放大，放大的信號(hào)使電子開(kāi)關(guān)VT導(dǎo)通而驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器SSR開(kāi)通，控制照明燈具點(diǎn)亮發(fā)光。本設(shè)計(jì)的核心是通過(guò)熱釋電紅外探頭RE200B探測(cè)來(lái)自移動(dòng)人體的紅外輻射，只要人們進(jìn)入探測(cè)區(qū)域，以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構(gòu)成被動(dòng)式的熱釋電紅外開(kāi)關(guān)能自動(dòng)快速開(kāi)啟，燈泡兩端有電壓而點(diǎn)亮。根據(jù)這一思想并且了解和掌握它們的工作原理和電路結(jié)構(gòu)后設(shè)計(jì)電路。經(jīng)過(guò)仿真，焊板，調(diào)試。不斷的修改電路，直到能夠?qū)崿F(xiàn)電路所需實(shí)現(xiàn)的功能。該控制器能夠?qū)崿F(xiàn)有人進(jìn)入探測(cè)區(qū)域燈亮，人走燈滅的控制。常用于許多公共場(chǎng)所，如辦公室、樓道和廁所及浴室、儲(chǔ)藏室、梳妝臺(tái)鏡前燈等的自動(dòng)控制。關(guān)鍵詞：熱釋電紅外傳感器;紅外熱釋電處理芯片BISS0001;紅外輻射ABSTRACTInfrared,pyroelectricandultrasonicwaveremotecontrolelectriccircuit,becauseofitslowpowerloss,thehighreliabilityandslightlymutuallydisturbs.Itisalreadywidespreadinapplicationinthereallife,butthepyroelectricinfraredcontrolhastheuniquefunctionineachkindofsecuritywarningequipmentsandinsafetysystem'sexamination.Therefore,itisessentialtounderstandingandgraspingtheworkingprincipleandthecircuitstructure.Inthispaper,itwasdesignedawellhiddenpassiveinfraredalarmwhichwasbasedonthepyroelectricinfraredprocessingchipBISS0001.ThecoreofthedesignwasdetectinghumanintrusionwithPyroelectricinfraredsensorRE200B.PassivepyroelectricinfraredswitchiscombinewithPyroelectricinfraredsensorasmallnumberofexternalcomponents.Itwouldopenthesoundandlightalarm,whichcombinedwithlight-emittingdiodeandthebuzzerautomaticallyandquickly,andtimingcontrolledbytheMCU.Afterthetest,themeasuringrangeofalarmapparatusmayreach1m,thesurveyanglemayreach100°-120°,thesensitivityishigh,therateoffalsealarmissmall,antijammingability,hasservedthesafetyprotectionpurpose.Keywords:Pyroelectricinfraredsensor;PyroelectricinfraredprocessingchipBISS0001;Alarm目錄緒論 11.1 課題背景及來(lái)源 11.2 熱釋電紅外傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀 11.3 本課題所研究的內(nèi)容 22 熱釋電人體探測(cè)燈控系統(tǒng)的組成 42.1 人體熱釋電紅外傳感器 42.1.1 熱釋電人體紅外線傳感器的基本結(jié)構(gòu) 42.1.2 熱釋電人體紅外線傳感器工作原理——熱釋電效應(yīng) 62.1.3 菲涅爾透鏡的簡(jiǎn)介 72.1.4 被動(dòng)式紅外線熱釋電傳感器的優(yōu)缺點(diǎn) 82.2 傳感器信號(hào)處理集成電路 92.2.1 概述 92.2.2 BISS0001信號(hào)處理器芯片 102.3 固態(tài)繼電器簡(jiǎn)介 142.4 三級(jí)管的開(kāi)關(guān)作用 153 人體探測(cè)燈控電路的總體設(shè)計(jì) 173.1 設(shè)計(jì)思想 173.2 各模塊方案選擇和論證 173.3 總體電路的結(jié)構(gòu)劃分 183.4 電路圖的設(shè)計(jì) 203.4.1 人體探測(cè)燈控電路框圖 203.4.2 電路中主要元器件選擇 213.4.3 人體探測(cè)電路工作原理 224 電路制作 234.1 整體電路制作問(wèn)題 234.1.1 原件的散熱問(wèn)題 234.1.2 電子電路的靜電保護(hù) 234.2 電路的焊接與調(diào)試 244.2.1 電路焊接與調(diào)試時(shí)注意事項(xiàng) 244.2.2 調(diào)試條件與步驟 244.3 仿真與試驗(yàn)結(jié)果 254.3.1 電源電路的仿真與調(diào)試結(jié)果 254.3.2 紅外延時(shí)控制電路的仿真與調(diào)試結(jié)果分析 254.3.3 控制執(zhí)行電路的仿真與調(diào)試結(jié)果分析 26總結(jié)與展望 27致謝 28參考文獻(xiàn) 29緒論課題背景及來(lái)源隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市建設(shè)也隨著迅速發(fā)展，節(jié)能與環(huán)保已經(jīng)成為當(dāng)代產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的首要考慮因素和最大賣點(diǎn)。我國(guó)在新能源研發(fā)方面處于落后局面，加上傳統(tǒng)的人工操作和維護(hù)控制手段已不能適應(yīng)現(xiàn)代化城市發(fā)展的需求。目前市場(chǎng)上的普通船型開(kāi)關(guān)、拉線開(kāi)關(guān)仍能占據(jù)著燈具開(kāi)關(guān)市場(chǎng)的主要位置，由于人們的日常生活中許多不可控因素的出現(xiàn)及人們?nèi)粘Ａ?xí)慣所限，造成了大量的電能的浪費(fèi)。這種現(xiàn)象在我們的日常生活中隨處可見(jiàn)。比如說(shuō)：非常安靜的樓道內(nèi)燈火通明，空無(wú)一人的教室每一盞日關(guān)燈都亮著，衛(wèi)生間里沒(méi)有人卻不熄滅燈光……一年中，全國(guó)因此而損耗的電能可以以億度計(jì)量，再加上因燈具常亮，縮短了燈具的使用壽命，頻繁的更換燈具不但造成了人力的大量浪費(fèi)，也造成了財(cái)力的大量浪費(fèi)。通過(guò)這種直接和間接的損失，所以每年電能的損耗就達(dá)數(shù)億元。當(dāng)前，以人體發(fā)出的紅外光為控制源的控制電路，在探測(cè)到人體發(fā)出的紅外光時(shí)，直接使用熱釋電傳感器被動(dòng)遠(yuǎn)紅外探測(cè)功能，使被動(dòng)探測(cè)變成主動(dòng)探測(cè)，加快了智能照明系統(tǒng)的發(fā)展。由于該技術(shù)日漸成熟和完善，應(yīng)用范圍和市場(chǎng)份額也在不斷擴(kuò)大。目前，市場(chǎng)上已出現(xiàn)多種較為成熟的產(chǎn)品?？梢哉f(shuō)，智能照明系統(tǒng)已成為照明控制技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展的主流，同時(shí)也為樓宇智能化的做出了突出貢獻(xiàn)。采用智能照明系統(tǒng)不僅能提升照明效果、優(yōu)化照明控制方式，而且能減少照明用電、節(jié)省施工材料、提高工作效率等。本文介紹的人體探測(cè)燈控電路則同時(shí)采用熱釋電傳感器的被動(dòng)探測(cè)與主動(dòng)探測(cè)功能，人體無(wú)論活動(dòng)與否，都能準(zhǔn)確地檢測(cè)出人體信息，實(shí)現(xiàn)人來(lái)、人在開(kāi)關(guān)接通，人離后延時(shí)數(shù)分鐘（可預(yù)設(shè)）斷開(kāi)的自動(dòng)控制作用。該控制器用途廣泛，節(jié)省電能，使用壽命長(zhǎng)，具有普通船型開(kāi)關(guān)、拉線開(kāi)關(guān)無(wú)法相比的優(yōu)點(diǎn)和作用。隨著現(xiàn)代化的發(fā)展,工業(yè),農(nóng)業(yè),商業(yè),教育等等行業(yè)的用電量都大幅度增加,在這種情況下電能的浪費(fèi)成為人們普遍關(guān)注的問(wèn)題。本課題從實(shí)際出發(fā)，準(zhǔn)備對(duì)紅外線樓道自動(dòng)照明系統(tǒng)進(jìn)行探索研究，部分解決電能的損耗問(wèn)題。由此觀之，如何有效的減少照明用電的浪費(fèi)和更好的管理照明系統(tǒng)已成為一個(gè)不可忽視問(wèn)題。熱釋電紅外傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀熱釋電紅外傳感器是一種非常具有應(yīng)用潛力的人造傳感器。它不僅能檢測(cè)到人所發(fā)射出的紅外光，而且某些動(dòng)物發(fā)出的紅外光也能探測(cè)的到，并轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào)輸出。早在十九世紀(jì)30年代末，就有人提出利用熱釋電效應(yīng)原理制作一種探測(cè)器探測(cè)紅外輻射，但并未受到當(dāng)時(shí)人們的重視。一直到六十年代，隨著紅外技術(shù)、激光的迅速發(fā)展，才又推動(dòng)了對(duì)熱釋電效應(yīng)的研究和對(duì)熱釋電探測(cè)器的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。在國(guó)內(nèi)，20世紀(jì)80年代一種新型高靈敏度探測(cè)元件——熱釋電紅外傳感器發(fā)展起來(lái)了。這種熱釋電紅外傳感器能以非接觸形式探測(cè)出人體輻射的紅外熱量變化，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。將這個(gè)電壓信號(hào)加以調(diào)理之后便可驅(qū)動(dòng)各種控制電路，如用于電源的開(kāi)關(guān)控制、防盜防火報(bào)警、自動(dòng)探測(cè)等。熱釋電紅外傳感器不僅適用于防盜報(bào)警場(chǎng)所，亦適用于對(duì)人體傷害極為嚴(yán)重的高壓電及x射線、r射線等場(chǎng)所的自動(dòng)報(bào)警等。對(duì)熱釋電紅外傳感器的研究已達(dá)20幾年，但大多無(wú)法兼顧探測(cè)器探測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確性，在寵物、熱氣流等干擾下，信號(hào)識(shí)別的準(zhǔn)確率有所下降，誤報(bào)率較高。這使得熱釋電紅外探測(cè)器在智能住宅小區(qū)的安防應(yīng)用中遇到了瓶頸。探測(cè)器之所以產(chǎn)生如此之高的誤報(bào)，主要原因是因?yàn)槿狈?duì)PIR傳感器輸出的紅外信號(hào)進(jìn)行充分有效的分析，對(duì)信號(hào)中所含有的特征信息沒(méi)有進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)挖掘。僅僅采用脈沖計(jì)數(shù)/定時(shí)、設(shè)定信號(hào)幅度閾值觸發(fā)等簡(jiǎn)單方法，導(dǎo)致探測(cè)器的報(bào)警準(zhǔn)確率不高，不利于產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中的推廣。在國(guó)外，很多國(guó)家都很重視這方面的研究開(kāi)發(fā)，隨著計(jì)算技術(shù)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了智能化算法與先進(jìn)的微處理技術(shù)結(jié)合進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)處理判別的探測(cè)器。2006年韓國(guó)釜山國(guó)立大學(xué)研發(fā)了基于熱釋電紅外傳感器（PIR）陣列的室內(nèi)位置檢測(cè)系統(tǒng)。ADEMCOInternational、德國(guó)西門子安防、加拿大PARADOXSUCURITYSYSTEMSLTD等公司推出的智能PIR入侵探測(cè)器。這些智能化的PIR入侵探測(cè)器除了在物理結(jié)構(gòu)上采用了獨(dú)具匠心且非常有效的設(shè)計(jì)來(lái)防止誤報(bào)、漏報(bào)外，更多的采用了先進(jìn)的數(shù)字化信號(hào)處理技術(shù)與智能化算法相結(jié)合的方法，有效監(jiān)測(cè)其所監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的人體移動(dòng)情況，具備良好的抗干擾誤報(bào)特性，且各方面性能穩(wěn)定可靠，在防誤報(bào)漏報(bào)方面已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。美國(guó)SUREN公司最近又推出一款高性能探測(cè)器，分別在透鏡，電路，信號(hào)處理方面做了改進(jìn)，使其性能得到極大提高，并已經(jīng)申請(qǐng)兩項(xiàng)專利。這些國(guó)外產(chǎn)品無(wú)疑會(huì)對(duì)國(guó)內(nèi)防盜探測(cè)領(lǐng)域造成極大的沖擊。因此，進(jìn)行探測(cè)器的智能化的研究，跟蹤國(guó)際先進(jìn)探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展，具有重要的意義。但都沒(méi)有進(jìn)行人體識(shí)別方面的研究。本課題所研究的內(nèi)容本課題主要是利用熱釋電紅外傳感器監(jiān)測(cè)人體發(fā)出的紅外線,輸出微弱的電信號(hào)后，經(jīng)過(guò)集成電路芯片BISS0001進(jìn)行信息的后續(xù)處理，產(chǎn)生輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器而完成燈具亮或滅的系統(tǒng),主要用于家居生活,探測(cè)有無(wú)人進(jìn)入探測(cè)范圍.該系統(tǒng)方便、穩(wěn)定,十分適合樓道、廁所、辦公室等公共場(chǎng)所的照明。熱釋電紅外傳感器既可用于人體探測(cè)燈控裝置，也可以用于自動(dòng)控制、接近開(kāi)關(guān)、遙測(cè)等領(lǐng)域。用它制作的人體探測(cè)裝置與目前市場(chǎng)上銷售的許多人體探測(cè)器材相比，具有如下特點(diǎn)：不需要用紅外線或電磁波等發(fā)射源；靈敏度高、控制范圍大；蔽性好、可流動(dòng)安裝。熱釋電人體探測(cè)燈控系統(tǒng)的組成人體熱釋電紅外傳感器熱釋電紅外傳感器主要是由一種高熱電系數(shù)的材料，如鋯鈦酸鉛系陶瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等制成尺寸為2*1mm的探測(cè)元件。在每個(gè)探測(cè)器內(nèi)裝入一個(gè)或兩個(gè)探測(cè)元件，并將兩個(gè)探測(cè)元件以反極性串聯(lián)，以抑制由于自身溫度升高而產(chǎn)生的干擾。由探測(cè)元件將探測(cè)并接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)變成微弱的電壓信號(hào)，經(jīng)裝在探頭內(nèi)的場(chǎng)效應(yīng)管放大后向外輸出。為了提高探測(cè)器的探測(cè)靈敏度以增大探測(cè)距離，一般在探測(cè)器的前方裝設(shè)一個(gè)菲涅爾透鏡，利用菲涅爾透鏡的特殊光學(xué)原理，在探測(cè)器前方產(chǎn)生一個(gè)交替變化的“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”，以提高它的探測(cè)接收靈敏度。當(dāng)有人從透鏡前走過(guò)時(shí)，人體發(fā)出的紅外線就不斷地交替從“盲區(qū)”進(jìn)入“高靈敏區(qū)”，這樣就使接收到的紅外信號(hào)以忽強(qiáng)忽弱的脈沖形式輸入，從而加強(qiáng)其能量幅度。熱釋電人體紅外線傳感器的基本結(jié)構(gòu)熱釋電人體紅外傳感器有多種型號(hào)，但結(jié)構(gòu)、外形和電參數(shù)大致相同，一般可以互換，其典型外形如圖所示：圖2-1引腳功能圖圖2-2管腳排列圖其內(nèi)部原理圖見(jiàn)下圖：圖2-3內(nèi)部原理圖人體輻射的紅外線中心波長(zhǎng)為9～10um，而探測(cè)元件的波長(zhǎng)靈敏度0.2～20um范圍內(nèi)幾乎穩(wěn)定不變。在傳感器頂端開(kāi)設(shè)了一個(gè)裝有濾光鏡片的窗口，這個(gè)濾光片可通過(guò)光的波長(zhǎng)范圍為7～10um，正好適合于人體紅外輻射的探測(cè)，而對(duì)其它波長(zhǎng)的紅外線由濾光片予以吸收，這樣便形成了一種專門用作探測(cè)人體輻射的紅外線傳感器。為提高傳感器的靈敏度，可在傳感器前1～5cm處放置菲涅爾透鏡，使探測(cè)距離從一般的2m提高到10至20m。在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)時(shí)，可不加菲涅爾透鏡。在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器往往需要預(yù)熱，這是由傳感器本身決定的。一般被動(dòng)紅外探測(cè)器需要一分鐘左右的預(yù)熱時(shí)間。圖2-4探測(cè)器視圖該傳感器由敏感元件、場(chǎng)效應(yīng)管、阻抗變換器和濾光窗等構(gòu)成，并在氮?dú)猸h(huán)境下封裝。敏感元件敏感元件，是用熱釋電人體紅外材料（通常是鋯鈦酸鋁）制成的，先把熱釋電材料制成很小的薄片，再在薄片兩面鍍上電極，構(gòu)成兩個(gè)串聯(lián)的有極性的小電容器。將極性相反的兩個(gè)敏感元做在同一晶片上，是為了抑制由于環(huán)境與自身溫度變化而產(chǎn)生熱釋電信號(hào)的干擾。而熱釋電人體紅外傳感器在實(shí)際使用時(shí)，前面要安裝透鏡，通過(guò)透鏡的外來(lái)紅外輻射只會(huì)聚在一個(gè)敏感元上，以增強(qiáng)接收信號(hào)。熱釋電人體紅外傳感器的特點(diǎn)是它只在由于外界的輻射而引起它本身的溫度變化時(shí)，才給出一個(gè)相應(yīng)的電信號(hào)，當(dāng)溫度的變化趨于穩(wěn)定后就再?zèng)]有信號(hào)輸出，所以說(shuō)熱釋電信號(hào)與它本身的溫度的變化率成正比，或者說(shuō)熱釋電紅外傳感器只對(duì)運(yùn)動(dòng)的人體敏感，應(yīng)用于當(dāng)今探測(cè)人體移動(dòng)報(bào)警電路中。場(chǎng)效應(yīng)管和高阻值電阻RG通常敏感元件材料阻值高達(dá)。因此，要用場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換，場(chǎng)效應(yīng)管常用2sk303v3、2sk94x3等來(lái)構(gòu)成源極跟隨器，高阻值電阻Rg的作用是釋放柵極電荷，使場(chǎng)效應(yīng)管正常工作。一般在源極輸出接法下，源極電壓約為0.4～1.0v。通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管，傳感器輸出信號(hào)就能用普通放大器進(jìn)行處理。濾光窗熱釋電人體紅外傳感器中的敏感元件是一種廣譜材料，能探測(cè)各種波長(zhǎng)輻射。為了使傳感器對(duì)人體最敏感，而對(duì)太陽(yáng)、電燈光等有抗干擾性，傳感器采用了濾光片作窗口。濾光窗是由一塊薄玻璃片鍍上多層濾光層薄膜構(gòu)成的。濾光片是在Ｓ基板上鍍多層膜做成的。每個(gè)物體都發(fā)出紅外輻射，其輻射最強(qiáng)的波長(zhǎng)滿足維恩位移定律：λm?Ｔ＝2989（μm?K）式中λｍ—最大波長(zhǎng)，Ｔ—絕對(duì)溫度。人體溫度為36～37℃，即309～310°K，其輻射的紅外波長(zhǎng)λｍ＝2989／309～310≈9.67～9.64μｍ?？梢?jiàn)，人體輻射的紅外線最強(qiáng)的波長(zhǎng)正好在濾光片的響應(yīng)波長(zhǎng)7.5～14mm的中心處。故濾光窗能有效地讓人體輻射的紅外線通過(guò)，而阻止太陽(yáng)光、燈光等可見(jiàn)光中的紅外線通過(guò)，免除干擾。所以，熱釋電人體紅外傳感器只對(duì)人體和近似人體體溫的動(dòng)物有敏感作用。綜上所述，傳感器只對(duì)移動(dòng)或運(yùn)動(dòng)的人體和體溫近似人體的物體起作用。熱釋電人體紅外線傳感器工作原理——熱釋電效應(yīng)當(dāng)一些晶體受熱時(shí)，在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)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(yīng)。通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被空氣中附集在晶體外表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化電矩不能顯示出來(lái)。當(dāng)溫度變化時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)中的正、負(fù)電荷重心產(chǎn)生相對(duì)位移，晶體自發(fā)極化的值就會(huì)發(fā)生變化，在晶體表面就會(huì)產(chǎn)生電荷耗盡。能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱為熱釋電體，又稱為熱電元件。圖2-5表示了熱釋電效應(yīng)形成的原理。熱電元件常用的材料有單晶(LiTaO3等)、壓電陶瓷(PZT等)及高分子薄膜(PVF2等)。如果在熱電元件兩端并聯(lián)上電阻，當(dāng)元件受熱時(shí)，則電阻上就有電流流過(guò)，在電阻兩端也能得到電壓信號(hào)。圖2-5熱釋電效應(yīng)原理圖菲涅爾透鏡的簡(jiǎn)介菲涅爾透鏡(Fresnellens)（見(jiàn)圖2-6）是由聚烯烴材料制成的薄片，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，它的紋理是利用光的干涉和根據(jù)相對(duì)靈敏度和接收角度要求來(lái)設(shè)計(jì)的，透鏡的要求很高，一片優(yōu)質(zhì)的透鏡必須是表面光潔，紋理清晰，其厚度一般在1mm左右，特性為面積較大，厚度薄及偵測(cè)距離遠(yuǎn)。圖2-6菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡作用有兩個(gè)：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號(hào)折射（反射）在PIR上，第二個(gè)作用是將探測(cè)區(qū)域內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測(cè)區(qū)域的移動(dòng)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(hào)。菲涅爾透鏡，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是在透鏡的一側(cè)有等距的齒紋。通過(guò)這些齒紋，可以達(dá)到對(duì)指定光譜范圍的光帶通(反射或者折射)的作用。傳統(tǒng)的打磨光學(xué)器材的帶通光學(xué)濾鏡造價(jià)昂貴。菲涅爾透鏡可以極大的降低成本。典型的例子就是PIR（被動(dòng)紅外線探測(cè)器）。PIR廣泛的用在警報(bào)器上。如果你拿一個(gè)看看，你會(huì)發(fā)現(xiàn)在每個(gè)PIR上都有個(gè)塑料的小帽子。這就是菲涅爾透鏡。小帽子的內(nèi)部都刻上了齒紋。這種菲涅爾透鏡可以將入射光的頻率峰值限制到10微米左右（人體紅外線輻射的峰值）。成本相當(dāng)?shù)牡?。目前在?guó)內(nèi)市場(chǎng)上最常見(jiàn)的熱釋電紅外傳感器有日本尼賽拉公司生產(chǎn)的型號(hào)為RE200B、RE03B和德國(guó)海曼LHi778、LHi878、LHi968以及國(guó)內(nèi)自主品牌的產(chǎn)品等，其中日本尼賽拉公司的RE200B是市場(chǎng)上最常用的產(chǎn)品。圖2-7菲涅爾透鏡示意圖被動(dòng)式紅外線熱釋電傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)不同于主動(dòng)式紅外傳感器，被動(dòng)紅外傳感器本身不會(huì)發(fā)生任何類型的輻射能，隱蔽性好，器件功耗小，價(jià)格低廉。但是，被動(dòng)式熱釋電傳感器也有不足之處，如：①產(chǎn)生的信號(hào)幅度小，容易受各種熱源、光源干擾；②被動(dòng)紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收；③易受射頻輻射的干擾；④環(huán)境溫度和人體溫度接近時(shí)，探測(cè)和靈敏度明顯下降，有時(shí)造成短時(shí)失靈；⑤被動(dòng)紅外探測(cè)器的主要檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闄M向運(yùn)動(dòng)方向，對(duì)徑向方向運(yùn)動(dòng)的物體檢測(cè)能力比較差。圖2-8傳感器敏感移動(dòng)方向紅外線熱釋電傳感器對(duì)人體的敏感程度還和人的運(yùn)動(dòng)方向關(guān)系很大。紅外線熱釋電傳感器對(duì)于徑向移動(dòng)反應(yīng)最不敏感,而對(duì)于橫切方向(即與半徑垂直的方向)移動(dòng)則最為敏感.在現(xiàn)場(chǎng)選擇合適的安裝位置是避免紅外探頭誤報(bào)、求得最佳檢測(cè)靈敏度極為重要的一環(huán)。傳感器信號(hào)處理集成電路概述雖然被動(dòng)式熱釋電紅外探頭有其不足之處，但是在利用特殊方法處理其信號(hào)后，仍然使它在某些領(lǐng)域具有立足之地，有著廣闊的應(yīng)用前景。因此，國(guó)內(nèi)國(guó)外有很多生產(chǎn)廠家根據(jù)熱釋電傳感器的特性設(shè)計(jì)了專用信號(hào)處理器，比如HOLTEKHT761X、PTIPT8A26XXP、WELTREND、WT8072、BISS0001。由于熱釋電傳感器輸出的信號(hào)幅值小、變化緩慢，針對(duì)這些特點(diǎn)，專用信號(hào)處理器一般分為三步處理，具體處理步驟如下：濾波放大普通熱釋電傳感器輸出的微弱信號(hào)大約只在幾百微伏到幾毫伏之間，為了使后續(xù)電路能夠作出有效的信號(hào)處理，考慮到傳感器的信噪比及其它因素，通常取增益為72.5dB，通帶在0.3Hz～7Hz之間。同時(shí)，由于處理的是模擬小信號(hào)，所以為了保證放大器能夠工作的穩(wěn)定可靠，電路中特別設(shè)計(jì)用一個(gè)穩(wěn)壓器給傳感器、放大器和比較器供電。窗口比較器窗口比較器包括差分電路級(jí)和負(fù)載電路級(jí)。差分電路級(jí)根據(jù)輸入電壓生成一對(duì)差分電流，當(dāng)輸入電壓為一參考電壓時(shí)，差分電流根據(jù)具有最大值和最小值的輸入電壓變化，負(fù)載電路級(jí)從參考電流和與從差分電流中選出的電流相對(duì)應(yīng)的電流生成輸出電壓。通過(guò)產(chǎn)生參考電流和所述電流，按第二電流是否大于參考電流來(lái)確定一電壓范圍。由于窗口比較器的窗口按所述電流和參考電流形成，從而輸出電壓電平根據(jù)輸入電壓是否落入電壓范圍發(fā)生變化。熱釋電傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后的信號(hào)通過(guò)窗口比較器后檢出滿足幅值要求的信號(hào)后，再轉(zhuǎn)換成一系列數(shù)字脈沖信號(hào)。噪聲抑制數(shù)字信號(hào)處理長(zhǎng)期以來(lái)，根據(jù)各國(guó)專家對(duì)人體運(yùn)動(dòng)中的特點(diǎn)以及傳感器的特性的研究，用在一定時(shí)間內(nèi)計(jì)算脈沖個(gè)數(shù)及測(cè)量脈沖寬度的方法來(lái)甄別有人體發(fā)出的有效信號(hào)，這里由系統(tǒng)振蕩器提供時(shí)鐘源（16kHz）。經(jīng)過(guò)上述三步處理后就能準(zhǔn)確、可靠地判斷人體發(fā)出的信號(hào)。根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合以實(shí)現(xiàn)既定控制，例如報(bào)警器自動(dòng)報(bào)警，自動(dòng)開(kāi)啟某個(gè)設(shè)備等。BISS0001信號(hào)處理器芯片BISS0001是一款具有較高性能的傳感信號(hào)處理集成電路。它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構(gòu)成被動(dòng)式的熱釋電紅外開(kāi)關(guān)。它能自動(dòng)快速開(kāi)啟各類白炙燈、熒光燈、蜂鳴器、自動(dòng)門、電風(fēng)扇、烘干機(jī)和自動(dòng)洗手池等裝置，特別適用于企業(yè)、賓館、商場(chǎng)、庫(kù)房及家庭的過(guò)道等敏感區(qū)域，或用于安全區(qū)域的自動(dòng)燈光、照明和報(bào)警系統(tǒng)。見(jiàn)圖2-9。圖2-9BISS0001芯片BISS0001芯片功能敘述如下：CMOS數(shù)模混合專用集成電路。具有獨(dú)立的高輸入阻抗運(yùn)算放大器，可與多種傳感器匹配，進(jìn)行信號(hào)與處理。雙向鑒幅器，可有效抑制干擾。內(nèi)設(shè)延遲時(shí)間定時(shí)器和封鎖時(shí)間定時(shí)器，結(jié)構(gòu)新穎，穩(wěn)定可靠，調(diào)解范圍寬。內(nèi)置參考電壓。工作電壓范圍2V～6V，采用16腳DIP和SOP封裝。其管腳圖見(jiàn)圖2-10。各個(gè)引腳的說(shuō)明見(jiàn)表2-1，芯片的工作電壓和電流見(jiàn)表2-2，芯片性能見(jiàn)表2-3。圖2-10BISS0001管腳圖表2-1BISS0001各個(gè)引腳的說(shuō)明引腳名稱I/O功能說(shuō)明1AI可重復(fù)觸發(fā)和不可重復(fù)觸發(fā)選擇端。當(dāng)A為“1”時(shí)，允許重復(fù)觸發(fā)；反之，不可重復(fù)觸發(fā)2VOO控制信號(hào)輸出端。由VS的上跳前沿觸發(fā)，使Vo輸出從低電平跳變到高電平時(shí)視為有效觸發(fā)。在輸出延遲時(shí)間Tx之外和無(wú)VS的上跳變時(shí)，Vo保持低電平狀態(tài)。3RR1--輸出延遲時(shí)間Tx的調(diào)節(jié)端4RC1--輸出延遲時(shí)間Tx的調(diào)節(jié)端5RC2--觸發(fā)封鎖時(shí)間Ti的調(diào)節(jié)端6RR2--觸發(fā)封鎖時(shí)間Ti的調(diào)節(jié)端7VSS--工作電源負(fù)端8VRFI參考電壓及復(fù)位輸入端。通常接VDD，當(dāng)接“0”時(shí)可使定時(shí)器復(fù)位9VCI觸發(fā)禁止端。當(dāng)VcVR時(shí)允許觸發(fā)(VR≈0.2VDD)10IB--運(yùn)算放大器偏置電流設(shè)置端11VDD--工作電源正端122OUTO第二級(jí)運(yùn)算放大器的輸出端132IN-I第二級(jí)運(yùn)算放大器的反相輸入端141IN+I第一級(jí)運(yùn)算放大器的同相輸入端151IN-I第一級(jí)運(yùn)算放大器的反相輸入端161OUTO第一級(jí)運(yùn)算放大器的輸出端表2-2BISS0001芯片的工作電壓和電流符號(hào)參數(shù)測(cè)試條件參數(shù)范圍單位V0電源電壓0.3~6.0VVi/Vo輸入/輸出電壓--VSS-0.3~VDDZ=0.3VIout最大輸出電流V0=5.0v10mATopr工作溫度20~+20℃Tstg貯存溫度40~+125℃表2-3BISS0001芯片性能符號(hào)參數(shù)測(cè)試條件最小值最大值單位Vco工作電壓范圍--35VIco工作電流無(wú)負(fù)載50uA100uAVos輸入失調(diào)電壓5V50mAIos輸入失調(diào)電流5V50nAAyo開(kāi)環(huán)電壓增益5V,Rl=1.5M60dBCMRR共模抑制比5V,Rl=1.5M60dBVyh運(yùn)放輸出高電平5V,R=500K4.25vVVyl運(yùn)放輸出低電平5V0.75VVrhVc端輸入高電平5V,0.5mA1.1VVrlVc端輸入低電平5V,0.1mA0.9VVohVo端輸出高電平5V4VVolVo端輸出高電平5V0.4VVahA端輸入高電平3.5VValA端輸入低電平1.5VBISS0001是由運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器以及封鎖時(shí)間定時(shí)器等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐贰?nèi)部框圖見(jiàn)圖2-11。圖2-11BISS0001內(nèi)部框圖圖2-12所示的不可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形，來(lái)說(shuō)明其工作過(guò)程。不可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形。圖2-12不可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形首先，根據(jù)實(shí)際需要，利用運(yùn)算放大器OP1組成傳感信號(hào)預(yù)處理電路，將信號(hào)放大。然后耦合給運(yùn)算放大器OP2，再進(jìn)行第二級(jí)放大，同時(shí)將直流電位抬高為VM(≈0.5VDD)后，將輸出信號(hào)V2送到由比較器COP1和COP2組成的雙向鑒幅器，檢出有效觸發(fā)信號(hào)Vs。由于VH≈0.7VDD、VL≈0.3VDD，所以，當(dāng)VDD=5V時(shí)，可有效抑制±1V的噪聲干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。COP3是一個(gè)條件比較器。當(dāng)輸入電壓Vc=VR時(shí)，COP3輸出為高電平，進(jìn)入延時(shí)周期。當(dāng)A端接“0”電平時(shí)，在Tx時(shí)間內(nèi)任何V2的變化都被忽略，直至Tx時(shí)間結(jié)束，即所謂不可重復(fù)觸發(fā)工作方式。當(dāng)Tx時(shí)間結(jié)束時(shí)，Vo下跳回低電平，同時(shí)啟動(dòng)封鎖時(shí)間定時(shí)器而進(jìn)入封鎖周期Ti。在Ti時(shí)間內(nèi)，任何V2的變化都不能使Vo跳變?yōu)橛行顟B(tài)（高電平）,可有效抑制負(fù)載切換過(guò)程中產(chǎn)生的各種干擾。圖2-13所示的可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形，來(lái)說(shuō)明其工作過(guò)程?？芍貜?fù)觸發(fā)工作方式下的波形在Vc=“0”、A=“0”期間，信號(hào)Vs不能觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)。在Vc=“1”、A=“1”時(shí)，Vs可重復(fù)觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)，并可促使Vo在Tx周期內(nèi)一直保持有效狀態(tài)。在Tx時(shí)間內(nèi)，只要Vs發(fā)生上跳變，則Vo將從Vs上跳變時(shí)刻起繼續(xù)延長(zhǎng)一個(gè)Tx周期；若Vs保持為“1”狀態(tài)，則Vo一直保持有效狀態(tài)；若Vs保持為“0”狀態(tài)，則在Tx周期結(jié)束后Vo恢復(fù)為無(wú)效狀態(tài)，并且，同樣在封鎖時(shí)間Ti時(shí)間內(nèi)，任何Vs的變化都不能觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)。圖2-13可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形固態(tài)繼電器簡(jiǎn)介固態(tài)繼電器（亦稱固體繼電器）英文名稱為SolidStateRelay，簡(jiǎn)稱SSR。它是具有隔離功能的無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)器件，單相SSR為四端有源器件，其中兩個(gè)輸入控制端，兩個(gè)輸出端，輸入輸出間為光隔離，輸入端加上直流或脈沖信號(hào)到一定電流值后，輸出端就能從斷態(tài)轉(zhuǎn)變成通態(tài)。固態(tài)繼電器工作可靠，壽命長(zhǎng)，無(wú)噪聲，無(wú)火花，無(wú)電磁干擾，開(kāi)關(guān)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，且體積小，耐沖擊，耐振蕩、防爆、防潮、防腐蝕、能與TTL、DTL、HTL等邏輯電路兼容，以微小的控制信號(hào)達(dá)到直接驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載。圖2-14固態(tài)繼電器圖2-15固態(tài)繼電器的等效電路三級(jí)管的開(kāi)關(guān)作用如圖2-16所示，三級(jí)管工作在飽和導(dǎo)通狀態(tài)（發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都是正偏置）時(shí)，其c-e極間電壓很小，比PN結(jié)的導(dǎo)通電壓還要?。ü韫茉?.5V以下），c-e極間相當(dāng)于“短路”，即呈“開(kāi)”的狀態(tài)。圖2-16飽和態(tài)如同通路如圖2-17所示，三極管在截止?fàn)顟B(tài)（發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都是反偏置）時(shí)，其c-e極間電流很?。ü韫芑旧狭坎坏剑?，相當(dāng)于“斷開(kāi)（即‘關(guān)’）”的狀態(tài)。圖2-17截止態(tài)如同斷路線圖三極管開(kāi)關(guān)電路的特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度極快，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比機(jī)械開(kāi)關(guān)快，沒(méi)有機(jī)械接點(diǎn)，不產(chǎn)生電火花。開(kāi)關(guān)的控制靈敏，對(duì)控制信號(hào)的要求低，導(dǎo)通時(shí)開(kāi)關(guān)的電壓降比機(jī)械開(kāi)關(guān)大，關(guān)斷時(shí)開(kāi)關(guān)的漏電流比機(jī)械開(kāi)關(guān)大。不宜直接用于高電壓、強(qiáng)電流的控制。人體探測(cè)燈控電路的總體設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)思想人體探測(cè)燈控電路由于觸發(fā)的時(shí)候不需要人發(fā)出任何聲音，而是人走過(guò)時(shí)身體向外界散發(fā)紅外熱量最終控制燈具的開(kāi)啟，當(dāng)人離開(kāi)后，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的延時(shí)，自動(dòng)熄滅。因?yàn)椴煌诼暪饪責(zé)簦恍枰曇艉烷_(kāi)關(guān)控制，從而避免了聲控噪音的侵?jǐn)_，同時(shí)因?yàn)樗歉袘?yīng)人體熱量控制開(kāi)關(guān)，所以避免了無(wú)效電能的損耗，達(dá)到節(jié)能效果。此類設(shè)計(jì)的要點(diǎn)在于對(duì)紅外線信號(hào)的放大及處理，尤其是從系統(tǒng)的穩(wěn)定性上下功夫，運(yùn)放用作放大電路已為電子設(shè)計(jì)師所常用，因?yàn)槠浞糯蟊稊?shù)完全可以通過(guò)反饋量的大小來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)外圍電路非常簡(jiǎn)單，性能也較好，但是作為放大從傳感器接收下來(lái)的人體紅外信號(hào)時(shí)，由于傳感器易受熱噪聲的影響，放大器放大倍數(shù)的選擇是一大難點(diǎn)，也是本設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵所在，選大了，無(wú)法關(guān)斷所控制的照明燈，選小了，又檢測(cè)不到人體發(fā)出的紅外線信號(hào)。另外，前級(jí)的放大倍數(shù)與干擾比較電路的參數(shù)選擇應(yīng)配合起來(lái)，如何區(qū)分是熱噪聲信號(hào)還是有效的人體信號(hào)，另一方面還取決于對(duì)比較器參考電壓的選擇，至于延時(shí)部分的選擇相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，只要前面部分的工作可靠了，一般后續(xù)電路就較為容易實(shí)現(xiàn)了。各模塊方案選擇和論證探測(cè)器模塊的設(shè)計(jì)方案一：采用BISS0001芯片組成的探測(cè)電路穩(wěn)定性一般，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，檢測(cè)到人體的距離也比較的遠(yuǎn)。方案二：采用LM324芯片組成的探測(cè)電路的穩(wěn)定性一般，但電路較復(fù)雜。調(diào)試比較困難。方案三：采用紅外對(duì)管收發(fā)電路，但是紅外對(duì)管不單檢測(cè)到人，而且物體經(jīng)過(guò)也會(huì)檢測(cè)到，由于題目所要求的是只是檢測(cè)到人經(jīng)過(guò)，所以排除本方案。綜合以上三種方案，選擇方案一來(lái)做探測(cè)電路。控制執(zhí)行模塊的設(shè)計(jì)方案一：采用固態(tài)繼電器SSR作為燈控開(kāi)關(guān)。固態(tài)繼電器只是相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)關(guān),不能調(diào)節(jié)電流。但固態(tài)繼電器動(dòng)作電壓與控制電壓通過(guò)內(nèi)部電路例如光耦進(jìn)行分離的。造成的誤差小。方案二：采用可控硅作為燈控開(kāi)關(guān)。由于可控硅只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開(kāi)關(guān)特性，這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化。綜合以上兩種方案，選擇方案一來(lái)做控制執(zhí)行電路。總體電路的結(jié)構(gòu)劃分設(shè)計(jì)的電路主要由三部分組成：電源電路：電源變壓器T、整流二極管VD1～VD4、濾波電容C7、C9、旁路電容C8、三端穩(wěn)壓集成電路IC2組成。圖3-1電源電路電源電路設(shè)計(jì)的目的是把220V交流電通過(guò)降壓、整流、濾波和穩(wěn)壓后形成穩(wěn)定的＋5V直流電壓給整個(gè)控制電路供電。紅外延時(shí)控制電路：由熱釋電紅外傳感器PIR、靈敏度電位器RP1、熱釋電紅外傳感信號(hào)處理集成電路BISS00O1（IC1）及延時(shí)元件R1、C2、電位器RP2、光敏電阻RG等外圍元件組成。圖3-2紅外延時(shí)電路紅外延時(shí)控制電路能可靠地將運(yùn)動(dòng)的人體與運(yùn)動(dòng)的物體加以區(qū)別，可避免誤動(dòng)作。延時(shí)時(shí)間由延時(shí)元件R1與C2的時(shí)間常數(shù)決定，圖所示時(shí)間為15s。由于芯片第1腳接高電平，電路處于允許重復(fù)觸發(fā)狀態(tài)，即在延時(shí)時(shí)間（15s）內(nèi)，只要人稍微移動(dòng)一下，電路就重新被觸發(fā)，第2腳再輸出一個(gè)脈寬為15s的高電平信號(hào)。所以只要有人在浴室內(nèi)，照明燈具H將始終被點(diǎn)亮。只有人離開(kāi)后，延時(shí)15s后，電路復(fù)位，照明燈具H自動(dòng)熄滅?？刂茍?zhí)行電路：由電子開(kāi)關(guān)VT、固態(tài)繼電器SSR和照明燈具H組成。圖3-3控制執(zhí)行電路電子開(kāi)關(guān)VT在控制信號(hào)輸出端為低電平時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，固態(tài)繼電器SSR關(guān)斷，照明燈具不亮。反之，則亮。電路圖的設(shè)計(jì)總電路的主要元件是熱釋電紅外傳感器，因其抗干擾性好、探測(cè)靈敏度高、工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于防盜報(bào)警、自動(dòng)門、感應(yīng)燈、自動(dòng)水閥、自動(dòng)馬達(dá)控制等工業(yè)和生產(chǎn)領(lǐng)域。BISS0001是專門為熱釋電紅外傳感器（PIR）配套設(shè)計(jì)的集成電路，采用CMOS工藝制造，具有性能指標(biāo)高、一致性好、功耗低、外圍電路簡(jiǎn)單、安裝調(diào)試方便、工作可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。圖3-4利用BISS0001構(gòu)成的熱釋電紅外延時(shí)照明控制器電路人體探測(cè)燈控電路框圖人體紅外線熱釋電紅外探頭熱釋電紅外處理芯片人體紅外線熱釋電紅外探頭熱釋電紅外處理芯片控制執(zhí)行電路燈具電源電路圖3-5人體探測(cè)燈控電路結(jié)構(gòu)框圖電路中主要元器件選擇由圖3-1可知，該熱釋電紅外延時(shí)照明控制器由電源電路、紅外延時(shí)控制電路和控制執(zhí)行電路組成。其中，電源電路由電源變壓器T、整流二極管VD1～VD4、濾波電容C7、C9、旁路電容C8、三端穩(wěn)壓集成電路IC2組成。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，T常選用220V/9V、5VA小型優(yōu)質(zhì)電源變壓器；VD1～VD4選用IN4001型整流二極管；IC2選用LM7805型三端穩(wěn)壓集成電路。220V交流電通過(guò)降壓、整流、濾波和穩(wěn)壓后形成穩(wěn)定的+5V直流電壓給整個(gè)控制電路供電。紅外延時(shí)控制電路由熱釋電紅外傳感器PIR、靈敏度電位器RP1、熱釋電紅外傳感信號(hào)處理集成電路BISS0001（IC1）及延時(shí)元件R1、C2、電位器RP2、光敏電阻RG等外圍元件組成。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，PIR常選用P2288、PH5324、LH1956型等熱釋電紅外傳感器，為了提高PIR傳感器感受紅外線的靈敏度，在傳感器前應(yīng)加裝配套的拋物面形或半球形的菲涅耳透鏡；RG選用MG45型等光敏電阻，且要求亮電阻與暗電阻相差倍數(shù)越大越好；RP1、RP2選用WSW型有機(jī)實(shí)心微調(diào)電位器。控制執(zhí)行電路由電子開(kāi)關(guān)VT、固態(tài)繼電器SSR和照明燈具H組成。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，VT常選用9013型NPN三極管，要求β≥100；SSR選用JCX－2F－DC5V型過(guò)零緊湊型固態(tài)繼電器；H可根據(jù)需要選用100W以下的白熾燈泡。人體探測(cè)電路工作原理電路通電后，當(dāng)無(wú)人進(jìn)人熱釋電傳感器PIR監(jiān)控范圍時(shí)，熱釋電紅外傳感信號(hào)處理集成電路BISS0001處于復(fù)位狀態(tài)，控制信號(hào)輸出端（第2腳）Vo輸出為低電平，電子開(kāi)關(guān)VT處于截止?fàn)顟B(tài)，固態(tài)繼電器SSR關(guān)斷，照明燈具H不亮，控制器處于監(jiān)控狀態(tài)。當(dāng)有人進(jìn)人熱釋電傳感器PIR監(jiān)控范圍并移動(dòng)時(shí)，PIR可將人體散發(fā)出的紅外線變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，輸出信號(hào)頻率為0.1～10Hz。RP2與RG組成光控電路，白天光敏電阻RG受自然光照射呈現(xiàn)低電阻，當(dāng)BISS0001第9腳電平Vo＜02VDD時(shí)，觸發(fā)禁止，BISS0001等后級(jí)電路不工作，照明燈具H不亮。晚上或環(huán)境光線較暗時(shí)，RG阻值增大，當(dāng)BISS0001第9腳電平玩＞0.2Vpp時(shí)，BISS0001處于監(jiān)控狀態(tài)，輸出端％仍為低電平。如果此時(shí)有人在PIR監(jiān)控范圍內(nèi)移動(dòng)，PIR便輸出隨人體移動(dòng)而變化的電信號(hào)，通過(guò)RP1送人BISS0001芯片內(nèi)部獨(dú)立高輸人阻抗運(yùn)算放大器OP1的輸入端11N+（第14腳），經(jīng)OP1前置放大后，由第16腳輸出，經(jīng)C4耦合到第13腳2IN-端，再經(jīng)芯片內(nèi)部第2級(jí)運(yùn)算放大器OP2進(jìn)行放大，然后經(jīng)芯片內(nèi)部雙向鑒幅器處理，輸出有效觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)芯片內(nèi)部的延時(shí)定時(shí)器TX，最后由狀態(tài)控制器從BISS0001第2腳輸出高電平控制信號(hào)，使電子開(kāi)關(guān)VT導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器SSR開(kāi)通，照明燈具H點(diǎn)亮發(fā)光。BISS0001第2腳輸出高電平控制信號(hào)時(shí)間等于電路的延時(shí)時(shí)間，它由延時(shí)元件R1與C2的時(shí)間常數(shù)決定，圖所示時(shí)間為15s。由于芯片第1腳接高電平，電路處于允許重復(fù)觸發(fā)狀態(tài)，即在延時(shí)時(shí)間（15s）內(nèi)，只要人稍微移動(dòng)一下，電路就重新被觸發(fā)，第2腳再輸出一個(gè)脈寬為15s的高電平信號(hào)。所以只要有人在浴室內(nèi)，照明燈具H將始終被點(diǎn)亮。只有人離開(kāi)后，延時(shí)15s后，電路復(fù)位，照明燈具H自動(dòng)熄滅。電路制作整體電路制作問(wèn)題原件的散熱問(wèn)題電子設(shè)備的內(nèi)部熱源主要是一些發(fā)熱的電子元器件，如功率管、集成電路、變壓器、功率損耗大的電阻等，為了不使元器件和電子設(shè)備的溫度過(guò)高，必須采取措施將發(fā)熱元件所產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去。不同的元器件，其散熱處理方法也不同。阻容散熱電阻的散熱電阻的溫升與功率損耗、電阻結(jié)構(gòu)與尺寸、表面狀態(tài)、與其他元件的距離、安裝位置及周圍環(huán)境有關(guān)。電容的散熱電容的參數(shù)包括額定電壓（耐壓）、電容量、絕緣電阻、損耗因數(shù)（損耗角正切值）等，它們的大小都直接與溫度有關(guān)，溫度升高，對(duì)所有參數(shù)都有害。要使電容處于正常工作狀態(tài)，應(yīng)將電容與高溫元件隔離。變壓器和扼流圈的散熱變壓器的熱源是鐵芯和線包，其自然散熱的途徑對(duì)變壓器本身而言主要是熱傳導(dǎo)，外部散熱主要是熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)，其次是熱輻射。為了提高對(duì)流散熱效果，可將變壓器墊起一定高度，并在底板上開(kāi)設(shè)通風(fēng)孔。集成電路的散熱集成電路及復(fù)合固態(tài)器件的散熱與小功率晶體管相似，其引線數(shù)比較多，可供自然對(duì)流的面積大，功耗較大的集成電路常利用導(dǎo)熱條進(jìn)行傳導(dǎo)散熱。電子電路的靜電保護(hù)兩種物體相互摩擦?xí)r，由于電子與離子的親和性不同，會(huì)在兩物體間引起電子與離子的移動(dòng)，形成一面帶正電荷，另一面帶負(fù)電荷。當(dāng)兩物體離開(kāi)后，在各物體上產(chǎn)生額外的電荷，當(dāng)積累的電荷達(dá)到一定量后，電荷會(huì)向相反極性的一方遷移，這時(shí)就發(fā)生放電現(xiàn)象。人體的轉(zhuǎn)動(dòng)引起衣服間的相互摩擦，或人在地毯(非防靜電地毯)上行走，都會(huì)使人體帶靜電，其電壓可達(dá)2kV～15kV。一個(gè)良好的電子系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)該在電路設(shè)計(jì)的最初階段就考慮瞬態(tài)保護(hù)要求。保護(hù)電路的基本原理是，使用電壓箝位電路阻止高壓進(jìn)入柵極，同時(shí)提供大電流分流通道。有多種電路設(shè)計(jì)可以達(dá)到ESD保護(hù)的目的，但選用時(shí)必須考慮以下原則，并在性能和成本之間加以權(quán)衡：速度要快，這是ESD干擾的特點(diǎn)決定的；能應(yīng)付大的電流通過(guò)；考慮瞬態(tài)電壓會(huì)在正、負(fù)極性兩個(gè)方向發(fā)生；對(duì)信號(hào)增加的電容效應(yīng)和電阻效應(yīng)控制在允許范圍內(nèi)；電路的焊接與調(diào)試電路焊接與調(diào)試時(shí)注意事項(xiàng)在進(jìn)行焊接前要判斷好各管子的管腳，以免發(fā)生錯(cuò)誤最終導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失??；電路中有電解電容存在，因此在焊接前應(yīng)注意其正負(fù)極性；在焊接時(shí)注意安全，防止被燙傷；由于電路板較小，在焊接后注意檢查，防止焊點(diǎn)相接觸；由于此開(kāi)關(guān)電路的輸入電壓是220V交流電，因此在做調(diào)試時(shí)應(yīng)注意不要用手接觸電路，以免發(fā)生觸電危險(xiǎn)。調(diào)試條件與步驟本次調(diào)試是在實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)桌上測(cè)試的，而且電路板沒(méi)有任何的屏蔽措施，實(shí)驗(yàn)室的電磁干擾也比較的大。所以在調(diào)試過(guò)程中應(yīng)該注意的事情很多，在調(diào)試前應(yīng)根據(jù)IC1的大小，在無(wú)孔開(kāi)關(guān)蓋板上開(kāi)一個(gè)適當(dāng)大小的孔，將IC1的傳感面朝外，與蓋板外表面平齊，用502膠水粘牢。其余元件焊在一塊電路板上，用軟線與IC1連接。光敏電阻最好和IC1同樣安裝，以便受光，整個(gè)裝置置于開(kāi)關(guān)盒內(nèi)。由于人進(jìn)出樓道時(shí)身體離紅外感應(yīng)開(kāi)關(guān)很近，所以該開(kāi)關(guān)一般均能可靠工作。如欲增大探測(cè)距離，可在傳感器前面配上相應(yīng)的菲涅爾透鏡。調(diào)試時(shí)，首先斷開(kāi)光敏電阻，調(diào)整RP1，讓人通過(guò)傳感器旁邊時(shí)燈泡點(diǎn)亮。接著焊上光敏電阻，遮住光線再細(xì)調(diào)一次便可。然后調(diào)整RP2讓燈泡發(fā)光時(shí)間長(zhǎng)短適當(dāng)即可。做好如上準(zhǔn)備后，電路的調(diào)試的具體步驟大致如下：通電觀察：通電后不要急于測(cè)量電氣指標(biāo)，而要觀察電路有無(wú)異?，F(xiàn)象，例如有無(wú)冒煙現(xiàn)象，有無(wú)異常氣味，手摸集成電路外封裝，是否發(fā)燙等。如果出現(xiàn)異常現(xiàn)象，應(yīng)立即關(guān)斷電源，待排除故障后再通電。靜態(tài)調(diào)試：靜態(tài)調(diào)試一般是指在不加輸入信號(hào)，或只輸入固定的電平信號(hào)的條件下所進(jìn)行的直流測(cè)試，可用萬(wàn)用表測(cè)出電路中各點(diǎn)的電位，通過(guò)和理論估算值比較，結(jié)合電路原理的分析，判斷電路直流工作狀態(tài)是否正常，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電路中已損壞或處于臨界工作狀態(tài)的元器件。通過(guò)更換器件或調(diào)整電路參數(shù)，使電路直流工作狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。動(dòng)態(tài)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，在電路的輸入端輸入合適的信號(hào)，按信號(hào)的流向，順序檢測(cè)各測(cè)試點(diǎn)的輸出信號(hào)，若發(fā)現(xiàn)不正常現(xiàn)象，應(yīng)分析其原因，并排除故障，再進(jìn)行調(diào)試，直到滿足要求。仿真與試驗(yàn)結(jié)果電源電路的仿真與調(diào)試結(jié)果電路中紅外延時(shí)控制電路的仿真與調(diào)試結(jié)果分析電路中設(shè)計(jì)紅外延時(shí)控制電路的目的是為了將熱釋電傳感器發(fā)出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，提高工作電壓，保證開(kāi)光電路正常工作。圖4-1為集成芯片構(gòu)成的紅外延時(shí)電路的仿真電路圖。圖4-1紅外延時(shí)控制模塊在Multision10.0環(huán)境下設(shè)計(jì)集成芯片BISSOOO1構(gòu)成的比較放大電路仿真電路圖。由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生峰值為5mv，頻率為50HZ的矩形波，用示波器觀察輸入、輸出波形和電壓由圖4-2可以看出，仿真開(kāi)始波形穩(wěn)定后，輸出波形峰值為4V左右。能觸發(fā)開(kāi)關(guān)電路中的三級(jí)管導(dǎo)通，從而驅(qū)動(dòng)繼電器導(dǎo)通，電路正常工作。圖4-2示波器仿真波形控制執(zhí)行電路的仿真與調(diào)試結(jié)果分析總結(jié)與展望通過(guò)本次實(shí)習(xí)，不僅讓我溫故了以前所學(xué)的知識(shí)，也讓我更深的體會(huì)“溫故而知新”這句話的意思。以前總在感覺(jué)，大學(xué)四年自己幾乎是學(xué)一門丟一門。大家都在討論說(shuō)，曾經(jīng)學(xué)到的東西在考試完之后不久就已經(jīng)全部歸還給老師了。但是經(jīng)過(guò)這次實(shí)習(xí)之后，我發(fā)現(xiàn)，其實(shí)我們學(xué)到的知識(shí)并沒(méi)有丟給老師，只是因?yàn)樗鶎W(xué)的知識(shí)沒(méi)有應(yīng)用的空間，所以暫時(shí)的存儲(chǔ)在大腦中。這也使我認(rèn)識(shí)到，測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)是一個(gè)注重理論與實(shí)踐相結(jié)合的專業(yè)。記不住，只是因?yàn)槿鄙賹?shí)踐的機(jī)會(huì)。因而，為了能讓我們學(xué)有所用，學(xué)有所得，我們應(yīng)積極參加實(shí)踐，同時(shí)也肯定了我們其實(shí)我們的未來(lái)的學(xué)習(xí)與生活是美好的。至少我們有著我們的發(fā)展空間?；蛟S對(duì)我們這些對(duì)未來(lái)畏懼，對(duì)未來(lái)未知的畏懼的大學(xué)生有著不同的意義。本次設(shè)計(jì)的主要芯片是紅外熱釋電處理芯片BISS0001，它是一款兼具多重功能的集成芯片，由熱釋電傳感器輸出的信號(hào)，經(jīng)芯片處理后輸出觸發(fā)信號(hào)使電子開(kāi)關(guān)VT導(dǎo)通從而通過(guò)固態(tài)繼電器SSR控制燈具亮。其精確度高，探測(cè)范圍大，分辨力強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)等。這實(shí)習(xí)的幾十天，很短，但是卻給予了我們綜合大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)，應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的機(jī)會(huì)，也成為了我們這些還迷茫于人生路口至關(guān)重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)?，F(xiàn)代化的生活離不開(kāi)電能的使用,但目前電能的浪費(fèi)已成為人們普遍關(guān)注的問(wèn)題,隨著電子技術(shù)和自動(dòng)化水平的不斷提高,以及各種高準(zhǔn)確度,高性能傳感器的應(yīng)用,自動(dòng)節(jié)能燈具成為人們理想的選擇?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在今后光學(xué)科技的發(fā)展中，智能化將進(jìn)一步深入，使其受探測(cè)環(huán)境的影響降至最低，提高靈敏度，減小誤報(bào)率，電源模塊中，改進(jìn)7805發(fā)熱對(duì)熱釋電紅外探頭的影響；因此在防盜、警戒等安保裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。此外，在電子防盜、人體探測(cè)等領(lǐng)域中，被動(dòng)式熱釋電紅外探測(cè)器也以其價(jià)格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎。致謝在本論文的寫作過(guò)程中，我的導(dǎo)師肖慧老師傾注了大量的心血，從選題到開(kāi)題報(bào)告，從寫作提綱，到一遍又一遍地指出每稿中的具體問(wèn)題，嚴(yán)格把關(guān)，循循善誘，肖老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、豐富的知識(shí)、勤奮的工作精神和積極向上的求學(xué)精神將使我在未來(lái)的學(xué)崖中受益頗豐。在此我表示衷心感謝。同時(shí)我還要感謝在我學(xué)習(xí)期間給我極大關(guān)心和支持的各位老師以及關(guān)心我的同學(xué)和朋友。感謝測(cè)控教研組的老師們，是你們孜孜不倦的教授我許多專業(yè)知識(shí)，在此十分感謝各位老師的細(xì)心指導(dǎo)，才能讓我順利完成畢業(yè)論文。感謝徐哈寧老師的指導(dǎo)，使我在這段時(shí)間里進(jìn)步不少。我還要感謝在一起愉快的度過(guò)畢業(yè)論文小組的同學(xué)們，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個(gè)一個(gè)的困難和疑惑，直至本文的順利完成。感謝同屆同學(xué)在學(xué)習(xí)及生活中無(wú)私的幫助，使我在不久的將來(lái)受益匪淺。最后，再次對(duì)關(guān)心、幫助我的老師和同學(xué)表示衷心地感謝！參考文獻(xiàn)[1]王澤萍,.編碼式汽車防盜報(bào)警器.家電檢修技術(shù),1999,(01)[2]韓保存,李建華.SP-400型400米超小型無(wú)線電遙控器.電子世界,1996,(03)[3]譚克俊,欒秀珍,房麗萍等.基于單片機(jī)的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)鍵盤及報(bào)警控制卡設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù).2004.7:80~81[4]魯青膠.新穎實(shí)用的紅外探測(cè)防盜報(bào)警器[J].電子技術(shù).1994.2:78~80[5]劉輝.智能小區(qū)防盜報(bào)警系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)[J].電器時(shí)代.2002.7:74~75[6]蒸燕春.智能化住宅小區(qū)安防電子系統(tǒng)的常用手段[J].現(xiàn)代電子技術(shù).2002.9:39~41[7]雷旭,何萬(wàn)強(qiáng).新型家用防盜報(bào)警系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù).2003.4:82~83[8]X.Wu.M.PedramandL.Wang.Multi-codestateassimentforlowpowerdesign[J].IEEProc-CircutsSyst,Vol.147.No.5.October2000.[9]魯青膠.15路人體遙感無(wú)線防盜報(bào)警器[J].電子技術(shù).1995.3:33~35[10]K.J.Astrom.Whereistheintelligenceinintelligentcontrol[J].IEEEControl.May1991[11]K.S.Narendra.IntelligentControl.SystemScience[J].YaleUniversity.New.Haven.May1990[12].[美]TheodoreS.Rappaport編，蔡濤\李旭等譯?！稛o(wú)線通信原理與應(yīng)用》，北京：電子工業(yè)出版社，2004[13]L.A.Sgro,P.Minutolo,G.Basile,A.D’Alessio,“UV-visiblespectroscopyoforganiccarbonparticulatesampledfromethylene/airflames”,Chemosphere42p.671-680,2001[14]吳英才,林華清.熱釋紅外傳感器在防盜系統(tǒng)中的應(y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普通電阻加熱爐一般是在高溫條件下進(jìn)行工作的，如若要設(shè)計(jì)此類爐子必須首先要掌握高溫的基本知識(shí)及其測(cè)量方法，本講解內(nèi)容主要針對(duì)我公司非熱加工專業(yè)人員的一般機(jī)械設(shè)計(jì)工程師而編制的。勿需諱言，公司新加盟的機(jī)械工程師大多屬于“非內(nèi)行”設(shè)計(jì)人員，“非內(nèi)行”是指設(shè)計(jì)師不了解熱加工工藝及工序。這些設(shè)計(jì)師們往往設(shè)計(jì)的產(chǎn)品對(duì)使用方來(lái)說(shuō)總是非常蹩腳，因此對(duì)于他們來(lái)說(shuō)在設(shè)計(jì)普通電阻加熱爐前，掌握基本的熱加工工藝及其相關(guān)知識(shí)也是十分重要的。目的如下：（1）

掌握高溫爐的結(jié)構(gòu)、電熱體、加熱原理；（2）

掌握熱電偶的測(cè)溫原理、測(cè)溫方法、高溫爐恒溫帶的測(cè)量；1.2普通電阻加熱爐類型

我們所講的普通電阻加熱爐屬于工業(yè)爐，而非是鍋爐，常見(jiàn)的鍋爐不屬于此類高溫工業(yè)爐范疇，鍋爐屬于能源轉(zhuǎn)化設(shè)備，例如：采暖鍋爐是將煤轉(zhuǎn)化為熱能。而工業(yè)爐是利用其它能源對(duì)工件或物料進(jìn)行加熱，以達(dá)到對(duì)工件或物料進(jìn)行處理的目的。例如：為改善機(jī)械零件性能的熱處理爐，需要對(duì)特殊零件進(jìn)行焊接的釬焊爐，對(duì)粉末冶金類零件進(jìn)行燒結(jié)的燒結(jié)爐等等…..相關(guān)這些爐子一般稱為工業(yè)爐。

根據(jù)工業(yè)爐所用能源供給形式通常分為兩類：一是燃料加熱爐，二是電阻加熱爐。獲得高溫的設(shè)備一般稱高溫爐，現(xiàn)在使用高溫爐的能源大部分是電能。由于當(dāng)前全球環(huán)境不斷惡化的要求，各國(guó)限制CO2的排放幾乎成為共識(shí)，因此對(duì)于使用燃?xì)獾墓I(yè)爐而言，其發(fā)展前景暗淡，所以一般高溫爐在某種實(shí)際意義上就是指電阻加熱爐。

根據(jù)加熱方式的不同，電爐又分為電阻爐、電弧爐、電子束爐等等。其中用得比較多的是電阻爐。在電阻爐中又分為管式爐、坩堝爐、馬弗爐等等。

電阻爐按傳熱方式又分為輻射式、對(duì)流式及傳導(dǎo)式。輻射式電阻爐是以輻射傳熱為主，對(duì)流較少。對(duì)流式電阻爐是以對(duì)流傳熱為主，輻射為輔，這些爐型一般稱作空氣循環(huán)爐，此類爐型常用于650℃以下的低溫。當(dāng)工件加熱時(shí)加熱介質(zhì)不是空氣而為其它介質(zhì)時(shí)，如：加熱介質(zhì)是融化的鹽、堿或流動(dòng)粒子時(shí)，此種狀態(tài)是以傳導(dǎo)和對(duì)流兩種方式對(duì)工件加熱。此類爐型是我們常見(jiàn)的鹽浴爐、堿浴爐。

依據(jù)熱工制度工業(yè)爐又分周期爐和連續(xù)爐。周期爐一般是按單班、兩班生產(chǎn)。連續(xù)爐一般是按三班連續(xù)生產(chǎn)。

依據(jù)爐內(nèi)氣氛，又細(xì)分出了氧化性氣氛狀態(tài)下的電阻爐【這是本講解主要內(nèi)容】、真空狀態(tài)下的真空電阻爐、氣氛狀態(tài)下的可控氣氛電阻爐、流動(dòng)粒子爐等等。

依據(jù)裝料形式，電阻爐又分為臥式電阻爐、立式電阻爐等爐型。1.3一般電阻爐的結(jié)構(gòu)

工業(yè)電阻爐一般由爐襯部分即隔熱+耐火層、爐架、加熱元件、測(cè)溫及控溫系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、機(jī)械傳達(dá)系統(tǒng)、導(dǎo)流系統(tǒng)等部分組成，無(wú)論那種形式，它們結(jié)構(gòu)基本一致。如圖1-1所示。

圖1-1一般工業(yè)電阻爐爐體結(jié)構(gòu)

如上圖所示，圖中加熱元件是用來(lái)將電能轉(zhuǎn)換成熱能的主要部件，耐火及絕熱材料起隔熱保溫作用。為了使?fàn)t膛達(dá)到所期望的溫度并在有效工作區(qū)域有合適的溫度均勻性，例如：期望爐內(nèi)溫度到達(dá)1200℃，溫度均勻性要求控制在±5℃以內(nèi)，此時(shí)爐子設(shè)計(jì)時(shí)除了要考慮布置合理的加熱元件以外，還需要增設(shè)循環(huán)對(duì)流導(dǎo)流系統(tǒng)，以便達(dá)到最佳的效果溫度場(chǎng)。此外，爐體還包括爐架、爐殼、料車、接線柱等。爐殼內(nèi)包容了耐火及絕緣隔熱材料，爐膽支撐爐體。一般工業(yè)爐大多含機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，如爐門升降機(jī)構(gòu)，物料傳送機(jī)構(gòu)等等。接線柱用于將電源和電熱元件連接。測(cè)溫及控溫系統(tǒng)是爐子溫度精度保證的核心內(nèi)容，一般由二次儀表保證。1.4電阻爐設(shè)計(jì)原理

電阻爐是一個(gè)將電能轉(zhuǎn)換成熱能的設(shè)備及綜合裝置，依據(jù)焦耳定律，當(dāng)電流I流過(guò)電阻R的導(dǎo)體時(shí)，經(jīng)過(guò)時(shí)間t便可產(chǎn)生熱量Q：Q=0.24I2Rt

(cal)

(1-1)

通過(guò)以上公式可見(jiàn)：我們控制I、R、t三個(gè)參數(shù)就等于控制了Q值。即可達(dá)到控制發(fā)熱體的目的。在設(shè)計(jì)技術(shù)前，一定要牢記：為了達(dá)到增加熱量值并不是意味著無(wú)限度地增加發(fā)熱元件的電阻值，這往往會(huì)增加爐子的制造成本。如適當(dāng)增大發(fā)熱元件的電流，發(fā)熱量將會(huì)成倍增加。這便是電阻爐設(shè)計(jì)原理上需要掌握的精髓。

因此合理地選用電熱元件更為重要，依據(jù)設(shè)計(jì)原理首先要計(jì)算出必須的、合理的R值和足夠的I值，確保在工藝及使用需要時(shí)，在規(guī)定的時(shí)間t內(nèi)產(chǎn)生足夠的熱量Q，達(dá)到設(shè)備所要求的溫度。這里需要強(qiáng)調(diào)的是：選擇R值固然重要，但更為重要的是選擇I值。

另一方面，即使電熱元件能夠發(fā)出足夠的熱量，設(shè)備不一定能夠達(dá)到我們所需要使用的溫度，之所以電爐未能達(dá)到所要求的高溫，乃是因?yàn)樵诤艽蟪潭壬先Q于電爐的隔熱保溫狀況。爐子少散熱或極少散熱才是更為至關(guān)重要的事情。實(shí)際上所有經(jīng)驗(yàn)的工程師都知道：設(shè)計(jì)電爐的正確使用溫度，除了取決于爐子的供熱量以外，更重要的是取決于爐子的散熱量。因此設(shè)計(jì)爐子的保溫能力，如何合理選擇保溫材料的厚度，最大限量地減少熱量損失是工業(yè)爐設(shè)計(jì)工程師首選的、必要的措施之一。

電熱元件一般分為金屬和非金屬兩大類。在金屬電熱元件中常用的有鐵鉻鋁合金和鎳鉻合金、鉑-銠、鉬、鎢、鉭電熱體等等，非金屬的有石墨電熱體、碳化硅電熱體等等。

（1）鐵鉻鋁合金電熱元件

目前國(guó)產(chǎn)的、常見(jiàn)的有三種牌號(hào)：Cr25Al5、Cr17Al5、Cr13Al4等,其合金性能見(jiàn)表1-1，隨著技術(shù)進(jìn)步，含Mo等其它鐵鉻鋁合金電熱元件牌號(hào)越來(lái)越多，它們適用于1000-1300℃的溫度范圍內(nèi)工作，甚至更高，有些新材料可達(dá)1400℃以上。它們抗氧化性好、易加工、電阻大，電阻溫度系數(shù)小，價(jià)格低廉。在高溫下能生成Cr2O3的致密的氧化膜，阻止空氣對(duì)合金的進(jìn)一步氧化，但不宜在還原氣氛中使用，另外還應(yīng)盡量避免與碳、酸性介質(zhì)、水玻璃、石棉及有色金屬等接觸，以免破壞保護(hù)膜。這種電熱體的主要缺點(diǎn)是高溫強(qiáng)度低，經(jīng)常時(shí)間在高溫工作后，加熱元件由于晶粒長(zhǎng)大而變脆。

（2）鎳鉻合金電熱體

這類合金電熱體適用于1000℃以下的溫度，其型號(hào)為Cr20Ni80、Cr15Ni60等，其性能見(jiàn)表1-1。此種材料易加工、有較高的電阻率和抗氧化性，在高溫下能生成Cr2O3或NiCr4氧化膜，但不宜再還原氣氛中使用。Ni-Cr合金經(jīng)高溫使用后，只要沒(méi)有過(guò)燒仍然很柔軟。表1-1：Ni-Cr,Fe-Cr-Al合金性能合金種類成份wt％Cr成份wt％Al成份wt％Ni成份wt％Fe比重20℃電阻系數(shù)Ω/m熔點(diǎn)℃電阻溫度系數(shù)1/℃導(dǎo)熱系數(shù)KJ/m.h熱膨脹系數(shù)1/℃最高使用溫度℃常溫加工性能Cr25Al523-274.5-6.5

余量7.11.451500(3-4)*10-560.2515*10-61200裂紋Cr17Al516-194-6

余量7.21.315006*10-560.2515.6*10-61000裂紋Cr13Al413-153.5-5.5

余量7.41.26145015*10-560.2516.5*10-6850裂紋Cr20Ni8020-23

75-78余量8.41.1114008.5*10-560.2514*10-61100良好Cr15Ni6015-18

55-61余量8.151.1139014*10-545.1913*10-61000良好非金屬電熱元件有碳化硅制品、硅鉬制品和石墨注：以上3種電熱元件在今后講解中再詳細(xì)論述。

（3）耐火材料和保溫材料

為了獲得穩(wěn)定的高溫必須具備兩個(gè)條件，一是要有電熱體即熱源，二是包圍電熱體以防熱量向外散失的絕緣體。

耐火材料：在高溫電阻爐中，發(fā)熱元件本身溫度較高，一般可達(dá)1400℃以上，爐膛結(jié)構(gòu)需要布置合適的耐火材料。勝任耐火材料必須具備以下條件：高的耐火度、結(jié)構(gòu)致密、高溫條件下強(qiáng)度好、無(wú)明顯揮發(fā)、不與爐內(nèi)工作氣體發(fā)生反應(yīng)。

表1-2列出了常用的耐火材料主要物理性能。主要有高鋁磚、剛玉管、1600℃硅酸鋁纖維板等等。

表1-2：常用耐火材料材料名稱耐火度℃荷重軟化點(diǎn)(2Kg/cm2)℃使用溫度℃體積密度(g/cm3)主要用途石墨制品〉3000

20001.6高溫電阻爐耐溫部件硅磚1690-17101620-16501000-16301-9電阻爐爐膛內(nèi)層耐火黏土磚1610-17301250-1400《14001.8-2.2電阻爐爐底用磚高鋁磚1750-17901400-15501650-16702-3.2電阻爐爐膛內(nèi)層剛玉制品20001240-18501600-16702.96-3.10高溫電阻爐耐火部件鎂磚20001470-15201650-16702.5-2.9電阻爐爐膛內(nèi)層輕質(zhì)粘土磚1670-171012001200-14000.4-1.3電阻爐爐膛內(nèi)層硅酸鋁纖維〉160016501600-16500.35電阻爐爐膛內(nèi)層硅藻土磚1280

900-9500.45-0.65

保溫材料：為了減少熱損失和增加爐溫的穩(wěn)定性，常常在爐殼內(nèi)填入保溫材料，他們必須是具有導(dǎo)溫系數(shù)小、氣孔率大、具有一定的耐火度。按溫度使用可分為：A高溫保溫材料大于1200℃，B900-1000℃，C低于900℃三大類，有關(guān)材料見(jiàn)表1-3。

高溫保溫材料常用的有輕質(zhì)粘土磚（1150-1400℃），輕質(zhì)硅磚不大于（1500℃），輕質(zhì)高鋁轉(zhuǎn)不大于（1350℃），硅酸鋁纖維板（1200-1400℃）等等。中溫的保溫材料常用的有：輕質(zhì)珍珠巖和蛭石。

低溫保溫材料有石棉、礦渣棉等，石棉是很普通的隔熱材料，其化學(xué)成分為含水硅酸鎂，礦渣棉是將冶金熔渣用高壓蒸汽吹成纖維狀在空氣中迅速冷卻而得到的人造礦物纖維。

現(xiàn)在隨著技術(shù)進(jìn)步，目前已開(kāi)發(fā)出最好的保溫材料是一種高鋁纖維棉，它質(zhì)輕柔軟似棉花，保溫性能很好，使用溫度最高可達(dá)1600℃

當(dāng)然，硅酸鋁纖維氈也以較佳保溫性能被大量使用。

因此目前可供我們選擇的新型保溫材料大量出現(xiàn)，使我們開(kāi)拓了設(shè)計(jì)視野，摒棄過(guò)去使用耐火磚和珍珠巖的概念，盡可能的選擇最新材料，隔熱保溫性能會(huì)大大提高，這樣我們工業(yè)爐制造除了將會(huì)變得越來(lái)越輕外，而且越來(lái)越節(jié)約能源。

表1-3常用保溫材料性能材料名稱容量(Kg/m3)最高使用溫度℃主要用途硅藻土磚、管、板500±50900電阻爐保護(hù)層膨脹蛭石100-300《1000電阻爐保溫層填料石棉板1150《600電阻爐爐底、爐殼、頂?shù)?，密封材料礦渣棉150-180400-500電阻爐保溫層填料硅酸鋁纖維2591000電阻爐保溫層填料礦渣棉磚、管、板350-450400-500電阻爐保溫層材料磷酸鹽珍珠巖制品《220≯1000電阻爐保溫層材料玻璃纖維300750低溫電阻爐保溫層填料

1.5電阻爐的計(jì)算與設(shè)計(jì)

根據(jù)不同工件大小的不同尺寸需要，設(shè)計(jì)制造的電阻爐可分為小型電阻爐、中型電阻爐、大型電阻爐。隨著爐膛尺寸的加大，爐子加熱功率將會(huì)相應(yīng)的增加。

根據(jù)不同工件大小的不同溫度需要，設(shè)計(jì)制造的電阻爐可分為低溫電阻爐、中溫電阻爐、高溫電阻爐。隨著爐子溫度的增高，爐子加熱功率也將會(huì)相應(yīng)的增加。

因此加熱功率一般是由爐膛內(nèi)部尺寸大小及工作溫度決定的。當(dāng)然還有一個(gè)重要參數(shù)也對(duì)確定功率大小起作用那就是加熱時(shí)間，也就是我們常說(shuō)的升溫速率。

常見(jiàn)的電阻爐的功率一般在10KW-1000KW范圍不等，有時(shí)可能更高。我們這里所講的電阻爐計(jì)算與設(shè)計(jì)主要包括功率的確定，電熱體的選擇，耐火材料和保溫材料的選擇。

（1）電阻爐功率的確定

電爐功率是從能量角度上衡量電爐大小的一個(gè)指標(biāo)。如何將功率設(shè)計(jì)的恰到好處是一個(gè)重要的事情。設(shè)計(jì)太大將會(huì)造成不必要的浪費(fèi)，設(shè)計(jì)太小將會(huì)使?fàn)t子達(dá)不到溫度要求或者升溫緩慢，達(dá)不到工藝要求。

確定設(shè)備功率方法較多，無(wú)論選用那種，歸納起來(lái)只有兩種：熱平衡計(jì)算法和經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法。實(shí)際上，由于電爐散熱條件的復(fù)雜性，環(huán)境溫度的可變性，要想從理論上確定爐子的功率消耗和爐子在一定功率輸入下所能達(dá)到的溫度事實(shí)上是非常困難的一件事情，即便使用計(jì)算機(jī)的手段，精確計(jì)算事實(shí)上根本做不到。

故一般都靠一些經(jīng)驗(yàn)的、半經(jīng)驗(yàn)的方法，再借助熱平衡方程式，即輔助能量平衡的基本概念來(lái)確定。

下面介紹的內(nèi)容將是一個(gè)極為簡(jiǎn)單的功率確定的經(jīng)驗(yàn)的方法例如：對(duì)于一個(gè)圓形爐膛【爐膛形狀根據(jù)要求可制造成各型各異的，如方形、橢圓、異性等等】來(lái)說(shuō)，首先要計(jì)算出爐膽部分內(nèi)表面積。假設(shè)：爐子為中等保溫程度，則可由表1-4的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)查出每100cm2加熱內(nèi)表面積所需的功率瓦數(shù)，然后乘以被加熱爐膛內(nèi)表面積，即可得到需要的功率。

表1-4：不同溫度下每100cm2爐管表面所需功率溫度℃6007008009001000110012001300功率w80100130160190220260300

示例:由電阻爐內(nèi)徑為10cm，加熱部分長(zhǎng)為80cm，預(yù)計(jì)加熱到1100℃，求在中等保溫情況下?tīng)t子所需功率。首先算出被加熱爐膛的內(nèi)表面積：S=3.14*D*L=3.14*10*80=2513(cm2)

(1-2)由表1-4查出1100℃時(shí)，每100cm2爐膛表面積所需功率Ρ=220w，所以上述爐管的總功率：

(1-3)用這種經(jīng)驗(yàn)辦法計(jì)算小型電爐所需功率，雖不十分嚴(yán)格，但實(shí)踐證明還是很適用的。確定爐子功率的經(jīng)驗(yàn)方法各種各樣，有的以公式形式出現(xiàn)，有的以圖表形式出現(xiàn)，無(wú)論使用那種，選用的正確就行。對(duì)使用熱平衡方程式方法以后再詳細(xì)介紹。

(2)電熱元件的計(jì)算

根據(jù)爐膛所要達(dá)到的最高溫度和爐子的工作氣氛決定電熱體的種類。例如要制作一臺(tái)在空氣中使用的爐子【即氧化性氣】，最高使用溫度為1100℃的電爐，則可選用Cr25Al5電熱絲為發(fā)熱體，但必須明確，電熱元件的最高使用溫度是指電熱體在干燥空氣中表面最高溫度，并非指爐膛溫度。

由于散熱條件不同，一般要求爐膛最高溫度比電熱體最高使用溫度低100℃-200℃左右最好。另外，還必須明確的一個(gè)重要指標(biāo)是電熱體表面負(fù)荷。表面負(fù)荷是指電熱元件在單位表面積所承擔(dān)的爐子的功率數(shù)。

在一定的爐子功率條件下，電熱體表面負(fù)荷選的大，則電熱體用量就少，但電熱體表面負(fù)荷越大，其壽命越短，所以選擇要適當(dāng)。

表1-5為Fe-Cr-Al和Ni-Cr電熱體的表面負(fù)荷值，它是電熱元件計(jì)算的重要參數(shù)。在進(jìn)行電熱體計(jì)算時(shí)，為了使用安全，設(shè)計(jì)時(shí)，電熱體允許表面負(fù)荷一般取下線，為了使用可控硅調(diào)節(jié)電壓，留出可調(diào)余地。工作電壓通常以200v計(jì)算。

下面，以電阻絲爐為例說(shuō)明計(jì)算步驟：爐管尺寸為Φ100*110*1000mm,要求爐膛溫度1100℃，電壓220v，氧化性氣氛，爐體中等保溫，加熱帶長(zhǎng)度800mm,求電阻絲長(zhǎng)度和直徑。

1）加熱帶面積的計(jì)算加熱帶內(nèi)表面積S=∏*D*L=3.14*10*800=2513cm2

(1-4)功率的計(jì)算由表1-4查出，1100℃時(shí)，每100cm2爐管面積所需功率p=220w,所以電爐所需功率：

(1-5)2）電熱體及其參數(shù)的確定根據(jù)要求和表1-1，可選擇Cr25Al5鐵鉻鋁絲為電熱體，再根據(jù)表1-5，Cr25Al5電熱體在1100℃時(shí)準(zhǔn)許的表面積負(fù)荷為10w/cm2。由表1-1查出Cr25Al5在20℃時(shí)的比電阻Po=1.45Ω*mm2/m,溫度系數(shù)=（3-4）*10-5/℃，因此1100℃時(shí)的比電阻

(1-6)

電熱絲直徑的計(jì)算：對(duì)圓線電熱絲來(lái)說(shuō)，其直徑可按式(1-7)計(jì)算：

(1-7)式中：－在工作溫度t時(shí)的比電阻Ω*mm/mP－爐子的功率

(Kw)W－電熱體表面負(fù)荷

w/cm2V－電壓

VD－電熱絲直徑

mm把已知數(shù)據(jù)帶入（1-7）式即可得到電熱絲直徑

（1-8）電熱絲長(zhǎng)度的計(jì)算：電熱絲的截面積：

(1-9)電熱絲電阻：

（1-10）電熱絲長(zhǎng)度：

（1-11）式中：R—電熱體總電阻Ω；f—電阻絲截面積mm2；L—電熱體總長(zhǎng)度m把已知數(shù)據(jù)代入（1-9）(1-10)(1-11)可得：

表1-5：Fe-Cr-Al和Ni-Cr電熱體的表面積負(fù)荷值溫度正常表面積負(fù)荷（w/cm2）正常表面積負(fù)荷（w/cm2）正常表面積負(fù)荷（w/cm2）正常表面積負(fù)荷（w/cm2）正常表面積負(fù)荷（w/cm2）

Fe-Cr-Al電熱體Fe-Cr-Al電熱體Fe-Cr-Al電熱體Cr20Ni80電熱體Cr15Ni60電熱體

Cr27Al6Cr27Al5Cr25Al5Cr20Ni80Cr15Ni605005.10-8,403.90-8.402.6-4.22.4-3.4

5504.75-9.953.66-7.902.4-42.25-3.15

6004.44-7.503.44-7.352.2-3.82.05-2.95

6504.05-7.053.15-6.802-3.71.9-2.75

7003.75-6.602.9-6.251.85-3.51.7-2.55

7503.45-6.152.70-5.701.7-3.31.55-2.30

8003.15-5.702.5-5.151.6-3.051.35-2.10

8502.8-5.252.25-4.601.5-2.751.2-1.85

9002.5-4.82-4.051.35-2.41.05-1.65

9502.25-4.351.8-3.51.25-20.9-1.45

10001.95-3.901.6-2.91.15-1.50.75-1.25

10501.75-3.451.45-2.551.05-1.20.6-1.0

11001.55-3.001.25-2.2010

11501.40-2.451.15-1.90

0.5-0.812001.25-2.001.00-1.65

驗(yàn)算：上面的計(jì)算是否正確，可按表面負(fù)荷公式驗(yàn)算：

(1-12)把有關(guān)數(shù)據(jù)代入（1-12）式，可得：這與設(shè)計(jì)時(shí)選用的表面負(fù)荷還小，故可保證安全使用。

1.6電阻爐的制作（1）確定匝數(shù)并在爐管上纏電阻絲根據(jù)上述，選擇電阻絲為Cr25Al5,其直徑d=3.6mm.總長(zhǎng)度L=49m,爐膛外徑Φ=110mm,加熱帶長(zhǎng)度800mm.如果均勻的將電熱絲繞在爐管加熱帶上，則電熱絲匝數(shù)：

(1-13)式中：n—匝數(shù)

L—電熱絲總長(zhǎng)度

l—爐管外圓周長(zhǎng)

D—爐膛外徑匝間距離h=H/n,

H為加熱帶長(zhǎng)度，這里為800mm所以：H=800/142=5.6(mm)。根據(jù)上面的計(jì)算可以在爐管上纏電阻絲，但在纏時(shí)應(yīng)注意將兩頭各留一米左右電阻絲作為引線，取同一材料的電阻絲作為綁線，另外，為了纏繞均勻，應(yīng)在爐管上畫好匝間距。一般為了保證爐子的恒溫帶，在纏繞時(shí)應(yīng)按密纏疏纏密纏的方法，爐管兩端密纏中間疏纏，纏好后的爐管，用Al2O3（經(jīng)過(guò)1300℃焙燒）粉末加入磷酸或膠水?dāng)嚲鶆?，均勻的涂在爐管上，這主要是保護(hù)電阻絲高溫時(shí)不暴露在空氣中，延緩電阻絲氧化，另外還起到固定電阻絲作用，在高溫時(shí)不易脫落，爐管涂好Al2O3后，要陰干24小時(shí)。爐子裝好后要在100℃烘4小時(shí)，除去水分，400℃烘4小時(shí)把爐子烘干。

（2）測(cè)定電阻爐的恒溫帶為了確定爐子的軸向溫度分布，在爐子制成后一定要測(cè)定爐子的溫度分布情況。如圖1-2圖1-2是測(cè)定電爐縱向恒溫帶的裝置略圖，首先用控溫儀把爐溫控制在要求溫度附近，此溫度應(yīng)盡量與工作溫度相近，將控溫?zé)犭娕挤旁跔t子中間盡量貼近電熱絲，再用一根足夠長(zhǎng)的熱電偶畫好刻度，以備測(cè)量時(shí)使用，假設(shè)控溫儀溫度控制在900℃，當(dāng)溫穩(wěn)定在±1℃時(shí)，開(kāi)始將熱電偶下插一個(gè)刻度，并記錄下此點(diǎn)插入深度和溫度。

例如：表1-6

SV℃900900900900900900900900PV℃901899900901901900899