2022年教室自动感应照明控制系统的方案设计书90512 .pdf
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1、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。该设计题目是通过对目前市场上销售的同类
2、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精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 24 页节电开关启动,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、
3、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、原理图及其说明20KR12MR247KR336KR6红 外 线 传 感 器1uFC11uFC2VT1220uFC3CW1D1D2100KR447KR5D5VT220KR7VT3D347uFC4R8103uFC5D4DSD6-D9BT51KR951KR10GND220V图2-1 红外线传感器、光控智能开关原理图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 24 页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
4、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 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,
5、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,一些书刊只简要介绍了被动式热释电人体红外线传感器的基本应用。本
6、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精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共
7、24 页度(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
8、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
9、耦合电路可以驱动双向可控硅。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 24 页图 2-3 HN911 模块的内部电路结构2.2.2单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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总
10、结 - - - - - - -第 5 页,共 24 页图 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 Uc12E2与电源电压 e2 串联相加,电流经 D2 对电容 C2 充电,充电电压 Uc2e2 峰值 12E222E2。如此反复充电, C2 上的电压就基本上是22E2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=2x1.2E
11、2 。整流二极管 D1和 D2所承受的最高反向电压均为22E2。电容器上的直流电压Uc1=2E2,Uc2=22E2。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-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+
12、)作为直流电压源进行分析;精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 24 页(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。2.2.4 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。VT9104VD1
13、D14.7KRP100KR1470KR2VRVS6,8VEL160W220V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 ,单精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 24 页向可控硅 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
14、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
15、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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 24 页图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HN911 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 ,
16、 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、工作原理精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 24 页采用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HN911 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5
17、55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
18、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 可以调整 IC1模块的探测灵精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - -
19、 - - - - -第 10 页,共 24 页敏度。 111 RL, 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
20、又经R6加至VT2 的基极,使 VT2 迅速导通,故使 VT1 截止,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
21、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 定时器的引脚图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 24 页555 定时器的组成和功能。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 1
22、8V 。一般用 5V。3脚:输出端 Vo 2脚:T L低触发端6脚:TH 高触发端4脚:DR是直接清零端。当DR端接低电平,则时基电路不工作,此时不论T L、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器的基准电压,当该端不用时,应将该端串入一只0.01 F电容接地,以防引入干扰。123321DCBA5K5K5K+-TQ&Q+-AASRV1V21DQVTHTLVRCCVSS1284563712CD精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 24 页7脚:
23、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CCCCV31,V32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
24、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,又重复上述过程。清零端DR高触发端TH 低触
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