传感器优秀课程设计.doc

传感器课程设计

摘 要
本文介绍了红外线感应开关原理，采取热释电红外探头（PT8A2621）将接收到微弱信号加以放大，然后驱动继电器，制成红外热释电感应开关。本开关能探测来自移感人体红外辐射，只要人体进入探测区域，开关会自动开启。该设计可作为企业、宾馆、商场及住宅走廊、楼梯、电梯间、卫生间、库房等处自动开关，起到“人来灯自亮，人走灯自灭”作用，既新奇方便，又节省用电，在一些场所还能起到威慑偷窃活动防范作用。本设计结构简单，本身不发任何类型辐射，器件功耗很小，价格低廉，隐蔽性好，应用范围广，所以能够经过扩展而达成实际应用。

关键词：红外线 感应开关 红外辐射 探测区域

目 录
第1章：总体方案概要……………………………………………….1
1.1意义及研究现实状况………………………………………………………1
1.2设计思绪………………………………………………………………2
第2章：设计方案各部分介绍……………………………………….3
2.1热电是传感器组成及工作原理……………………………………3
2.2低通滤波器……………………………………………………………4
2.3信号放大器……………………………………………………………6
第3章：仿真电路建立和分析…………………………………….8
3.1仿真电路建立…………………………………………………………8
3.2仿真结果分析………………………………………………………8
第4章：设计体会…………………………………………………….10
参考文件……………………………………………………………....10

第1章：总体方案概要
1.1 意义及研究现实状况
电力作为一个洁净方便能源广泛应用于我们生活和生产方面，所以电能节能尤为关键，要节能首先就要做到节省能源，其次再经过科学研究发明愈加人性化和节能用电器。
热释电红外传感器是一个能检测人或动物发射红外线而输出电信号传感器。早在1938年，有些人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代，伴随激光、红外技术快速发展，才又推进了对热释电效应研究和对热释电晶体应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感和热辐射探测器，它能够作为红外激光一个较理想探测器。它目标正在被广泛应用到多种自动化控制装置中。
（1）红外线感应灯控制系统现实状况及发展趋势： 
中国照明缺乏独创产品，模拟产品居多，基础加工落后，只顾外表，轻视功效，产品品种比较单一，性能差。尤其是在“智能”照明方面，缺乏创新，和国外智能灯具在技术研究方面有着不小差距。中国现阶段照明系统通常采取主电源经配电箱分成多路配电输出线，提供照明灯回路用电，由串接在照明灯回路中开关面板直接接通或断开供电线来实现对灯控制，灯只有开和关两种状态，无逻辑时序及亮、暗调光控制，所以无法形成多种灯光亮度组合场景及系统控制。全球性能源短缺和环境污染在经济高速发展中国表现得尤为突出，节能和环境保护是中国实现社会经济可连续发展所急需处理问题。每十二个月照明电能消耗约占全部电能消耗12%～15%，作为能源消耗大户，必需立即寻求能够替换传统光源节能环境保护光源。LED以其较之于传统照明光源所没有优势，诸如较低功率需求、较快响应速度、绿色环境保护和不停快速提升发光效率等，成为现在中国以后照明系统发展方向。基于现在中国国际形势，尤其是能源紧缺，智能照明必是以后照明系统发展方向。智能照明将会使大家利用起来愈加便利，改善家庭环境，不仅为建筑照明提供多个艺术效果，而且使灯具控制和维护变得更为简单，而且含有可靠性高、安装布线轻易。 
（2）红外线感应灯控制系统优点： 
智能化已经成为当今建筑发展主流技术，涵盖从空调系统、消防系统到安全防范系统和完善计算机网络和通信系统。不过长久以来，智能照明在中国一直被忽略，大多数建筑物仍然沿用传统照明控制方法，部分智能大厦采取楼宇自控（BA）系统来监控照明，但也只能实现简单区域照明和定时开关功效。相比之下，智能照明系统表现出强大优越性，它在智能建筑中应用越来越广泛。智能照明系统在智能建筑中应用效果以下： 
1)改善工作环境，提升工作效率。 
2) 可观节能效果。智能照明控制系统使用了优异电力电子技术，进行智能调光。当室外光较强时，室内照度自动调暗，室外光较弱时，室内照度则自动调亮，使室内照度一直保持在恒定值周围，从而能够充足利用自然光实现节能目标。除此之外，智能照明管理系统采取设置照明工作状态等方法，经过智能化管理实现节能。 
3)提升管理水平，降低维护费用。智能照明控制系统将一般照明人为开和关转换成了智能化管理，不仅使大楼管理者能将其高素质管理意识利用于照明控制系统中去，而且将大大降低大楼运行维护费用，并带来较大投资回报。
1.2 设计思绪
经过热释电传感器感应人体红外辐射后输出一个微弱交流信号，然后经过滤波整理，再将信号放大处理后，将信号输出。

热释电传感器输出信号是一个毫伏级微弱交流信号，且不稳定，这个信号频率和人体运动速度相关，当人运动速度越大，信号也越强。经过滤波电路后，能够排除杂波及突变信号干扰，再经过信号放大处理，输出一定电信号使灯点亮。当人离开后，因为没有触发信号，灯自然会灭。实现了“夜间人来灯亮，人走灯灭”目标。
第2章：设计方案各部分介绍
2.1热释电传感器组成及工作原理
热释电红外（PIR）传感器，亦称为热红外传感器，是一个能检测人体发射红外线新型高灵敏度红外探测元件。它能以非接触形式检测出人体辐射红外线能量改变，并将其转换成电压信号输出。将输出电压信号加以放大，便可驱动多种控制电路，如作电源开关控制、防盗防火报警等。现在市场上常见热释电人体红外传感器关键有上海塞拉企业SD02、PH5324，德国Perkinelmer企业LHi954、LHi958,美国Hamastsu企业P2288，日本Nippon Ceramic企业SCA02-1、RS02D等。即使它们型号不一样，但其结构、外型和特征参数全部大致相同，大部分能够相互交换使用。
热释电红外线传感器由探测元、滤光窗和场效应管等阻抗变换器等三大部分组成，对不一样传感器来说，探测元制造材料有所不一样。如SD02敏感单元由锆钛酸铅制成；92288有LiTa03制成。将这些材料做成很薄薄片，每一片薄片相正确两面各引出一根电极，在电极两端则形成一个等效小电容。因为这两个小电容是做在同意硅晶片上，所以形成等效小电容能本身产生极化，在电容两端产生极性相反正负电荷。传感器中两个电容是极性相反串联。
当传感器没有检测到人体辐射出红外线信号时，在电容两端产生极性相反、电量相等正、负电荷，所以，正负电荷相互抵消，回路中无电流，传感器无输出。
当人体静止在传感器检测区域内时，照射到两电容上红外线光能量相等，且达成平衡，极性相反、能量想等光电流在回路中相互地向，唇干起仍然没有信号输出。
当人体在传感器检测区域内移动时，照射到两个电容上红外线能量不相等，光电流在回路中不能相互抵消，传感器有信号输出。总而言之，传感器只对移动或运感人体和体温近似物体起作用。
滤光窗是由一块薄玻璃片镀上多层薄膜而形成，能够有效地滤除7.0~14um波长意外红外线。人体正常体温为36~37.5°C，即309~310.5K，其辐射最强红外线波长为m=2989/(309~310.5)=9.67~9.64um，中心波长为9.65um，恰好落在滤光窗响应波长中心。所以，滤光窗能有效地让人体辐射红外线经过，而最大程度地阻止阳光、灯光中红外线经过，以免引发干扰。
热释电红外传感器在结构上引入场效应管目标在于完成阻抗变换。因为探测元输出是电荷信号，不能直接使用，所以需要将其转换为电压形式。场效应管输入阻抗高达104M，接成共漏极形式来完成阻抗变换。使用时D端接电源正极,G端接电源负极，S端为信号输出。
对于移动速度很缓慢物体，如阳光，两个电容上红外线光能能量仍然能够看作是相等，在贿赂中相互抵消；再加上传感器响应频率很低（一班为0.1~10Hz），即传感器对红外光波长敏感范围很窄（通常为5~15um）,所以，传感器对它们不敏感，所以无输出。
本设计中热释电红外传感器选择PIR325，为了达成要求中“人体感应探测范围1m以上 ，视场角100度以上”。可加装一个菲涅尔透镜。
菲涅尔透镜利用透镜特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替改变“盲区”和“高灵敏区”，以提升它探测接收灵敏度。当有些人从透镜前走过时，人体发出红外线就不停地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这么就使接收到红外信号以忽强忽弱脉冲形式输入，从而强其能量幅度。
菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，立即热释红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域移动物体能以温度改变形式在PIR上产生改变热释红外信号。
2.2低通滤波器
低通滤波器试验电路图图2.2.1.。 低通滤波器仿真效果图2.2.2所表示。

图2.2.1 低通滤波器电路原理图

图2.2.2 低通滤波器仿真效果图
经过电阻、电容及运算放大器组成低通滤波电路，其特征频率：
（式2-2-1）
（式2-2-2）
LM324系列器件为价格廉价带有真差动输入四运算放大器。和单电源应用场所标准运算放大器相比，它们有部分显著优点。该四放大器能够工作在低到3。0伏或高到32伏电源下，静态电流为MC1741静态电流五分之一。共模输入范围包含负电源，所以消除了在很多应用场所中采取外部偏置元件必需性。每一组运算放大器可用图1所表示符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo信号和该输入端位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo信号和该输入端相位相同。
LM324系列由四个独立，高增益，内部频率赔偿运算放大器，其中专为从单电源供电电压范围经营。从分裂电源操作也有可能和低电源电流消耗是独立电源电压幅度。   
应用领域包含传感器放大器，直流增益模块和全部传统运算放大器现在能够更轻易地在单电源系统中实现电路。比如，可直接操作LM324系列，这是用来在数字系统中，轻松地将提供所需接口电路，而无需额外±15V电源标准5V电源电压。 
LM324引脚图2.2.3.

图2.2.3 LM324引脚图
2.3信号放大器
作用就是将提供微弱信号放大到能够驱动负载正常工作。
信号放大器电路原理图图2.3.1。

图2.3.1 信号放大器电路原理图
信号放大器效果仿真图图2.2.3。

图2.2.3 信号放大器效果仿真图

第3章：仿真电路建立和分析
3.1仿真电路建立：
仿真电路图图3.1.1所表示。

图3.1.1 仿真电路图
3.2仿真结果分析：
仿真电路效果图图3.2.1所表示。

图3.1.2 仿真电路效果图
当有些人进入到热释电红外线传感器探测范围内时就会有一个微弱交流信号产生，然后经过滤波整理，再将信号放大处理后，从而驱动灯正常点亮，实现了夜间人来灯亮，当人走后就没有信号输入，灯连续一段时间后就会自然灭，实现了人走灯灭。

第4章：设计体会
经过了一个星期课程设计，使我们对所学知识有了更多体会，对课题进行分析、设计时我们发觉，所要用到知识不仅仅局限于书本，再搜索资料同时扩展了书本中所学知识。传感器课设是我们第一次进行课程设计，在这过程中，我们碰到了很多问题，比如：仿真软件使用和设计对电阻电容取值要求等。最终在老师帮助和同学们共同努力下，这些问题最终柔韧而解。
试验过程中，也对团体精神进行了考察，让我们在合作起来愈加默契，在成功后一起体会喜悦心情。果然是团结就是力量，只有相互之间默契融洽配合才能换来最终结果。

参考文件：
1. 唐文彦 《传感器》（第4版）机械工业出版社
2. 李科杰 《新编传感器技术手册》国防工业出版社
3. 其它：传感器原理、接口电路、设计手册类参考书