1、教室自动感应照明控制系统的方案设计书教室自动感应照明控制系统的设计摘 要为了适应现代电子技术飞速发展的需要，更好地培养21世纪的应用型电子技术人才，在自动化技术日趋成熟的今天，照明电路的自动化控制已是随处可见的了。但是要做到功能强可靠性高、价格低廉等一系列优点，这就是我们现在研究的课题了。照明电路不仅用在工业生产中而且已渗入到人们工作和生活的各个角落。几乎是从小到生活照明，大到工业控制，照明电路都起到了举足轻重的作用。自动感应照明控制系统有力地推动了各行业的技术改造和产品的更新换代，应用前景非常广阔。目前，在各类学校教室的照明灯由于管理不善，经常是教室空无一人，却灯火通明，极大的浪费电源。该设
2、计题目是通过对目前市场上销售的同类产品的调查研究，找出现有产品的不足之处和为什么没有推广的原因，设计制作适合用户使用和方便使用的产品。主要设计内容：人体感应检测系统设计、自动照明开关控制系统设计。一、设计原理及方框图在光线亮时，节电开关呈关闭状态，灯不亮，夜间或光线较暗时，节电开关呈预备工作状态。当有人经过该开关附近时，红外传感器检测到人体信号把节电开关启动，灯亮，当人离去时，延时4050秒后节电开关自动关闭、灯灭。图1是教室感应自动照明控制电路的原理方框图，由红外传感器、放大电路、倍压整流、光控电路、电子开关、延时和交流开关七部分电路组成。图2.0教室感应自动照明控制电路的原理方框图二、原理
3、图及其说明图2-1红外线传感器、光控智能开关原理图2.1原理说明电路原理： 红外传感器是感应人体信号，VT1、R1、R3、C1组成放大电路。为了获得较高的灵敏度，VT1 的值选用大于100。R3不宜过小，否则电路容易产生间歇振荡，C2、D1和D2、C3构成倍压整流电路。R4、R5和光敏电阻D5组成光控电路。有光照射在D5上时，阻值变小，对直流控制电压衰减很大。VT2、VT3和R7、D3组成的电子开关截止，C4 内无电荷，单向可控硅MCR截止，灯泡不亮。在MCR截止时，直流高压经R9、R10、D4降压后加到C3、CW1（稳压管）上端。C3为滤波电容，CW1为稳压值1215V的稳压二极管，保证C3
4、上电压不超过15V直流电压。当无光照射D5时，D5 阻值很大，对直流控制电压衰减很小，VT2、VT3等组成的电子开关导通，D3 也导通，使C4充电。R8、C5和单向可控制MCR、D6D9组成延时与交流开关。C4通过R8 把直流触发电压加到MCR控制端，MCR导通，灯泡点亮。灯泡发光时间长短由C4、R8 的参数决定，按图中所给出的元器件数值（R8为22K），发光4050秒左右后，MCR截止，灯熄灭。C5为抗干扰电容，用于消除灯泡发光抖动现象。2.2电路各部分介绍2.2.1红外线传感器热释电人体红外线传感器是上世纪80年代末期出现的一种新型传感器件。现在，已得到越来越广泛的应用。目前，一些书刊只简
5、要介绍了被动式热释电人体红外线传感器的基本应用。本文就主动式和被动式两方面的基本应用原理作大致介绍。目前，市场上出现的热释电人体红外线传感器主要有上海产的SD02、PH5324，德国产的LH1954、LH1958，美国HAMAMATSU公司产P2288，日本NIPPON CERAMIC公司的SCA02-1、RS02D等。虽然它们的型号不一样，但其结构、外型和电参数大致相同，大部分可以彼此互换使用。利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。红外线传感器测量时不与被测物体直
6、接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。光电检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。红外线传感器常用于无接触温度测量，气体成分分析和无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。例如采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图，可以发现温度异常的部位，及时对
7、疾病进行诊断治疗（见热像仪）；利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进行监视，可实现大范围的天气预报；采用红外线传感器可检测飞机上正在运行的发动机 的过热情况等。HN911采用热释电红外控制模块的照明灯，它可以用于卫生间、储藏室、楼梯走廊等处，可做到人来灯亮，人走灯灭，并且还具有白天自动封锁功能。HN911系列模块是采用新技术和新工艺，将高灵敏度的热释电红外传感器、放大器、信号处理及输出电路组装在一起制成模块式电路，它具有从信号接收至控制输出的全部功能。在它的输出端接上晶体管放大电路或单稳态电路可以驱动继电器，接上光耦合电路可以驱动双向可控硅。图2-3 HN911模块的内部电路结构2.2.2单
8、相倍压整流电路在一些需用高电压、小电流的地方，常常使用倍压整流电路。倍压整流，可以把较低的交流电压，用耐压较低的整流二极管和电容器，“整”出一个较高的直流电压。倍压整流电路一般按输出电压是输入电压的多少倍，分为二倍压、三倍压与多倍压整流电路。图4-4是二倍压整流电路。电路由变压器B、两个整流二极管D1、D2及两个电容器C1、C2组成。图2.4单相倍压整流电路其工作原理如下：e2 正半周（上正下负）时，二极管D1导通，D2 截止，电流经过D1 对C1充电，将电容Cl上的电压充到接近e2 的峰值，并基本保持不变。e2 为负半周（上负下正）时，二极管D2导通，Dl截止。此时，Cl上的电压Uc1E2与
9、电源电压e2 串联相加，电流经D2 对电容C2 充电，充电电压Uc2e2 峰值12E22E2。如此反复充电，C2 上的电压就基本上是2E2了。它的值是变压器电级电压的二倍，所以叫做二倍压整流电路。在实际电路中，负载上的电压Usc=2x1.2E2 。整流二极管D1和D2所承受的最高反向电压均为2E2。电容器上的直流电压Uc1=E2，Uc2=2E2。可以据此设计电路和选择元件2.2.3 延时电路分析RC电路的过渡过程时，不一定只分析电容电压的变化，可能是任意支路电流或任意元件上的电压，所以一般用f(t)表示任意一种电量。这里写出分析RC电路任意电量的过渡过程的步骤： (1)计算换路前最后时刻t=0
10、-时电容电压uc(0-)的值。分析电路时，要把电容看作开路，按直流电路的分析方法计算；(2)按换路定律uc(0+)=uc(0-)，写出换路后的电容电压；(3)求电路中需要的f(0+)值。注意使用换路后的电路，将uc(0+)作为直流电压源进行分析；(4)求f()值：注意使用换路后的电路，电容看成开路用直流电路分析方法；(5)求时间常数t：R是从电容两端看进去的等效电阻，注意应将电压源短路、电流源开路，再进行电阻的串并联，然后计算tRC。(6)用三要素公式求： 所以RC延时电路的延迟时间可以通过改变RC的值来实现，它具有改变方便，制作简单的优点，因而广泛用于对延迟时间要求不是很高，很长的电路中。2
11、.2.4光控电子开关电路的设计光控电子开关起到日熄夜亮的控制作用，以节约用电。图2-5光控电子开关原理图2.2.5工作原理电路如图2-4所示，220V交流电通过灯泡H及整流全桥后XC5215-6BG225I，单向可控硅VS因无触发电流而阻断。此时流过灯泡H的电流2.2mA,灯泡H不能发光。电阻R1和稳压二极管DW使三极管V偏压不超过6.8V，对三极管起保护作用。夜晚，亮度小于一定程度时，光敏二极管D呈现高阻状态100K，使三极管V正向导通，发射极约有0.8V的电压，使可控硅VS触发导通，灯泡H发光。RP是清晨或傍晚实现开关转换的亮度选择元件。2.2.6红外线传感器、光控智能开关的制作与调试本电
12、路按要求选择元器件，焊接正确，即可使用推广。若灵敏度不够，可减小热释电红外线传感器串联的电阻R1，但R1不够太小，应视具体情况而定。适当减小R1后灵敏度仍不够时，可更换耦合电容C1，将1uF换成0.7uF，效果将很显著。制作的如图2-3所示。图2-6红外线传感器、光控智能开关PCB板2.2.7光控电子开关的安装与调试安装时将它与受控电灯H串联，并让它正对着天幕或房子采光窗前较明亮的空间，避免3M以内夜间灯光的直接照射。调试宜傍晚时进行，调节RP阻值的大小，使受控电灯H在适当的亮度下始点亮。制作的如图2-5所示。图2-7光控电子开关的PCB板三、照明电路中实际中元件的选用及设计1、电路设计原理H
13、N911是一款新型热释电红外探测采用双列6脚直插式封装。其管脚排1所示。该传感器由于内部放大器可以将人体辐射保证了传感器的工作稳定性。HN911可在严寒或炎热等恶劣环附表为HN911红外探测模工作原理HN911红外探测模块内部电路主要放大器、比较器、电1脚输出高电平,2脚输动态时,即有移动发热物体传感器接收到红外输出幅度约1mV、频率0.3的微弱信号。该信号经放大器放由比较器比较,经信号处理电路处最后由延时输出电路输出用做驱HN911模块内放大器具有温度补探测器工作时,人体辐射和周当背景红外辐射增强。2、工作原理采用HN911热释电红外控制模块的照明灯电路原理图如图3-1所示，电路中ICl为H
14、N911热释电红外传感控制模块，平时2脚输出高电平，当它探测到人体发出的红外光线时，其输出端2脚可输出脉冲宽度大于2s的负脉冲信号，并直接加至555时基集成电路IC3的触发端2脚。 图3-1采用HN911热释电红外控制模块的照明灯电路原理图HN911系列模块共有3种型号，即通用型（HN911T）、微功耗型（HN911L）和低温型（HN911D）。HN911系列模块具有良好的抗干扰性能，尤其是抗电磁波性能十分优良，并可在一20（T型和L型）到一3000 (D型）的低温下稳定地工作。HN911系列模块能在低温下稳定地工作，主要得益于它的温度补偿电路。该电路能在因环境温度变化将使放大器的增益发生变化
15、时及时进行补偿，使放大器的增益一直保持稳定。HN911的输出端输出的是一个脉冲宽度大于2s的脉冲信号，其中1脚输出的是正脉冲信号，2脚输出的是负脉冲信号。电路中IC3接成典型的单稳态触发器，电路翻转置位，3脚输出高电平，VT3迅速导通，继电器K吸合，其常开触点闭合可以接通被控照明灯的电源，使其通电发光。此时电源经R2向C3充电，约经t二11 RZ C3时间，暂稳态结束，电路复位，3脚恢复低电平，VI3截止，k释放，被控照明灯熄灭。如果有人在IC1的探测范围内不断活动，IC1的2脚将不断有负脉冲输出，所以照明灯不会熄灭，直至人离开，延迟I 1 RZ C3时间后，照明灯才熄灭。调节电位器RP1可以
16、调整IC1模块的探测灵敏度。111RL, R3, R4等组成光控制电路。在白天，光敏电阻器RL受自然光线照射呈低电阻，VT1导通，故IC3的4脚在低电平，所以IC3被强制复位，3脚始终保持低电平，照明灯不会被点亮。只有到了晚上，RL失去自然光线照射，呈高电阻，VT1截止，从而解除对IC3的强制复位，电路才能被触发工作。调节RP2可以改变电路的光控制灵敏度。VT2与R6组成自保电路，它可以解决晚上自身灯光对电路的干扰。晚上，当有人走进IC1的探测范围，IC3翻转置位，K吸合，由它控制的照明灯点亮。555时基集成电路3脚输出的高电平，同时又经R6加至VT2的基极，使VT2迅速导通，故使VT1截止，
17、这就保证了555时基集成电路的4脚电平不会因为RL受自身光线照射而跌落。如果没有自保电路，RL在安装时必须要避开自身灯光的照射，否则电路不能正常工作。IC2为7805三端稳压集成电路，它为HN911热释电红外传感模块提供稳定的5V工作电压。3、元器件选择ICl选用HN911热释电红外控制模块；IC2选用LM7805三端稳压集成电路；IC3选用NE555时基集成电路。RL应选择MG45型光敏电阻器，要求亮阻小于5kn，暗阻大于 IMn，如MG44-03、MG45-13等型号。其他元器件无特殊要求可按图3-1所标型号及参数选用。四、部分元器件介绍1、555定时器图2-6定时器的引脚图555定时器的
18、组成和功能。图4-2是555定时器内部组成框图。它主要由两个高精度电压比较器A1、A2，一个RS触发器，一个放电三极管和三个5K电阻的分压器而构成。图2-7 555定时器组成框图它的各个引脚功能如下：1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 18V。一般用5V。3脚：输出端Vo2脚：低触发端6脚：TH高触发端4脚：是直接清零端。当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较
19、器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为的情况下，555时基电路的功能表如表1示。表1 555定时器的功能表清零端高触发端TH低触发端Qn+1放电管T功能00导通直接清零10导通置011截止置11Qn不变保持单稳态触发器的特点是电路有一个稳定状态和一个暂稳状态。在触发信号作用下，电路将由稳态翻转到 暂稳态，暂稳态是一个不能长久保持的状态，由于电路中RC延时环节的作用，经过一段时间后，电路会自 动返回到稳态，并在输出端获得一个脉冲宽度为
20、tw的矩形波。在单稳态触发器中，输出的脉冲宽度tw，就 是暂稳态的维持时间，其长短取决于电路的参数值。稳态时，输出uo为低电平，即无触发器信号（ui为高电平）时，电路处于稳定状态输出低电平。在 ui负脉冲作用下，低电平触发端得到低于（1/3）Vcc，触发信号，输出uo为高电平，放电管VT截止，电 路进入暂稳态，定时开始。在暂稳态期间，电源VccRC地，对电容充电，充电时间常数TRC，uc按指数规律上升。当电容 两端电压uc上升到（2/3）Vcc后，6端为高电平，输出uo变为低电平，放电管VT导通，定时电容C充电结束 ，即暂稳态结束。电路恢复到稳态uo为低电平的状态。当第二个触发脉冲到来时，又重
21、复上述过程。2、双向晶闸管21双向晶闸管的结构双向晶闸管是由N-P-N-P-N五层半导体材料制成的，对外也引出三个电极，其结构如图所示。双向晶闸管相当于两个单向晶闸管的反向并联，但只有一个控制极。双向晶闸管与单向晶闸管一样，也具有触发控制特性。不过，它的触发控制特性与单向晶闸管有很大的不同，这就是无论在阳极和阴极间接人何种极性的电压，只要在它的控制极上加上一个触发脉冲，也不管这个脉冲是什么极性的,都可以便双向晶闸管导通。22双向晶闸管的工作原理由于双向晶闸管在阳、阴极间接任何极性的工作电压都可以实现触发控制，因此双向晶闸管的主电极也就没有阳极、阴极之分，通常把这两个主电极称为T1电极和T2电极
22、，将接在P型半导体材料上的主电极称为T1电极，将接在N型半导体材料上的电极称为T2电极。由于双向晶闸管正、反特性具有对称性，所以它可在任何一个方向导通。由于双向晶闸管的两个主电极没有正负之分，所以它的参数中也就没有正向峰值电压与反同峰值电压之分，而只用一个最大峰值电压，双向晶闸管的其他参数则和单向晶闸管相同。如图所示双向晶闸管的伏安特性曲线具有对称性，如图所示双向晶闸管的结构及电路。3、稳压二极管3.1稳压二极管的介绍稳压二极管(又叫齐纳二极管)它的电路符号是：此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件.在这临界击穿点上,反向电阻降低到一个很少的数值,在这个低阻区中电流增加
23、而电压则保持恒定,稳压二极管是根据击穿电压来分档的,因为这种特性,稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用.稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用,通过串联就可获得更多的稳定电压。稳压二极管是一个特殊的面接触型的半导体硅二极管，其V-A特性曲线与普通二极管相似，但反向击穿曲线比较陡稳压二极管工作于反向击穿区，由于它在电路中与适当电阴配合后能起到稳定电压的作用，故称为稳压管。稳压管反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小，当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然猛增，稳压管从而反向击穿，此后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压的变化却相当小，利于这一特性，稳压管访问就在电路到起到
24、稳压的作用了。而且，稳压管与其它普能二极管不同之反向击穿是可逆性的，当去掉反向电压稳压管又恢复正常，但如果反向电流超过允许范围，二极管将会发热击穿，所以，与其配合的电阻往往起到限流的作用。3.2稳压管的应用3.2.1浪涌保护电路稳压管在准确的电压下击穿,这就使得它可作为限制或保护之元件来使用,因为各种电压的稳压二极管都可以得到,故对于这种应用特别适宜。图中的稳压二极管D是作为过压保护器件.只要电源电压VS超过二极管的稳压值D就导通,使继电器J吸合负载RL就与电源分开。322电视机里的过压保护电路EC是电视机主供电压,当EC电压过高时,D导通,三极管BG导通,其集电极电位将由原来的高电平(5V)
25、变为低电平,通过待机控制线的控制使电视机进入待机保护状态。323电弧抑制电路在电感线圈上并联接入一只合适的稳压二极管(也可接入一只普通二极管原理一样)的话,当线圈在导通状态切断时,由于其电磁能释放所产生的高压就被二极管所吸收,所以当开关断开时,开关的电弧也就被消除了。这个应用电路在工业上用得比较多,如一些较大功率的电磁吸控制电路就用到它。324串联型稳压电路在此电路中,串联稳压管BG的基极被稳压二极管D钳定在13V,那么其发射极就输出恒定的12V电压了。这个电路在很多场合下都有应用。 4、光敏电阻器4.1光敏电阻的结构光敏电阻器（photovaristor）又叫光感电阻，是利用半导体的光电效应
26、制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子空穴对，参与导电，使电路中电流增强。4.2光敏电阻的原理用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子空穴对增加了半导体材料中载流
27、子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。4.3光敏电阻的分类根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门
28、户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。4.4光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数有亮电阻，暗电阻，光电特性光谱特性，频率特性，温度特性。在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。没有极性，纯粹是个电阻期间，使用时可加直流也可以加交流。4.4光敏电阻的制作材料用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬
29、底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，然后接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。光敏电阻的原理结构如图2.6.1所示。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。5、7805集成三端稳压器启动电路帮助稳压器快速建立输出电压UO；调整电路由复合管构成；
30、取样电路输出固定的电压。CW7800系列稳压器具有过热、过流和过压保护功能，提高输出电压的电路功能。图2-8 7805引脚图集成三端稳压器根据稳定电压的正、负极性分为78，79系列。附表2 三端稳压器输出电流字母表示法LM（无字）SHP0.1A0.5A1A2A5A10A例如：78M05三端稳压器可输出+5 V、05 A的稳定电压；7912三端稳压器可输出 12V、1A的稳定电压。图2-9 外形及管脚分布6、继电器61继电器的工作原理和特性继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自
31、动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。6.1.1电磁继电器的工作原理和特性电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。6.1.2热敏干簧继电器的工作原理和特性热敏干簧继电器是一种利用热敏磁性材料检测和控制温度的新型热敏开关。它由感温磁环、恒磁环、干簧管、导热安装片、塑料衬底及其他一些附件组成。热敏干簧继电器不用线圈励磁，而由恒磁环产生的磁力驱动开关动作。恒磁环能否向干簧管提供磁力是由感温磁环的温控特性决定的。6.1.3固态继电器（SSR）的工作原理和特性固态继电器是一种两个接线端为输入端，另两个接
