红外感应灯开关设计.DOC

1、红外感应灯开关设计班级：10 电子信息 1 班组员：张沛、谢会赟学号： 2010021011011820100210110119学校：华东交通大学指导老师：陈忠斌红外热释电传感器感应灯设计摘要： 本次设计主要是设计一个可由人体红外线控制的感应开关，可以直接加上 220V 的生活用交流电。所以应用技术除了红外热释电感应原理，还加上了电力电子技术中的交流整流高压技术。将 220V 的电压转为 5V 直流电。关键词：红外热释电 晶闸管 TM2291 概述：电力作为一种洁净方便的能源广泛的应用与我们的生活与生产方面，因此电能的节能尤为重要，要节能首先就要做到节约能源，其次再通过科学研究发明更加人性化和

2、节能的用电器。 热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。早在 1938 年，有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，随着激光、红外技术的迅速发展，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器，它可以作为红外激光的一种较理想的探测器。它目标正在被广泛的应用到各种自动化控制装置中。应用背景（1）红外线感应灯控制系统的现状及发展趋势 我国照明缺乏独创产品，模仿产品居多，基础加工落后，只顾外表，轻视功能，产品的品种比较单一，性能差。尤其是在“智能”照明方面，缺乏创新，与国外智能灯具在

3、技术研究方面有着不小的差距。我国现阶段的照明系统一般采用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的开关面板直接接通或断开供电线来实现对灯的控制，灯只有开和关两种状态，无逻辑时序及亮、暗调光控制，因而无法形成各种灯光亮度组合的场景及系统控制。全球性的能源短缺和环境污染在经济高速发展的中国表现得尤为突出，节能和环保是中国实现社会经济可持续发展所急需解决的问题。每年照明电能消耗约占全部电能消耗的 12%15%，作为能源消耗的大户，必须尽快寻找可以替代传统光源的节能环保光源。LED 以其较之于传统照明光源所没有的优势，诸如较低的功率需求、较快的响应速度、绿色环保以及不

4、断快速提高的发光效率等，成为目前我国今后照明系统发展的方向。基于目前国内国际形势，尤其是能源紧缺，智能照明必是以后照明系统的发展方向。智能照明将会使人们利用起来更加便利，改善家庭环境，不仅为建筑照明提供多种的艺术效果，而且使灯具控制和维护变得更为简单，而且具有可靠性高、安装布线容易。 （2）红外线感应灯控制系统的优点 智能化已经成为当今建筑发展的主流技术，涵盖从空调系统、消防系统到安全防范系统以及完善的计算机网络和通信系统。但是长期以来，智能照明在国内一直被忽视，大多数建筑物仍然沿用传统的照明控制方式，部分智能大厦采用楼宇自控（BA）系统来监控照明，但也只能实现简单的区域照明和定时开关功能。相

5、比之下，智能照明系统体现出强大的优越性，它在智能建筑中的应用越来越广泛。智能照明系统在智能建筑中的应用效果如下： (1)改善工作环境，提高工作效率。 (2) 可观的节能效果。智能照明控制系统使用了先进的电力电子技术，能对大多数灯具（包括白炽灯、日光灯，配以特殊镇流器的钠灯、水银灯、霓虹灯等）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，使室内的照度始终保持在恒定值附近，从而能够充分利用自然光实现节能的目的。除此之外，智能照明的管理系统采用设置照明工作状态等方式，通过智能化管理实现节能。 (3)提高管理水平，减少维护费用。智能照明控制系统将普通照明人为的开与关

6、转换成了智能化管理，不仅使大楼的管理者能将其高素质的管理意识运用于照明控制系统中去，而且将大大减少大楼的运行维护费用，并带来较大的投资回报。方案设计220V 的交流电通过整流降压电路给红外热释电感应电路供电，红外热释电信号通过控制双向晶闸管的开关来控制灯泡的点亮与熄灭。220V的交流电整流降压触发白炽灯晶闸管导通红外热释电感应电路整流降压模块这是用万用表测买来的模块得出的可控硅斩波降压电路。由于都是贴片元件，有的电容和稳压管没有型号，所以也不知道具体容值大小和稳压管稳压的大小。不过，从电路上看，也大概可以猜出它的大小。电路原理分析：220V 的正弦电压，通过整流桥整流，输出的是 220V 的半

7、波。首先，输出的电流首先给 220pF 的电容充电，然后再放电，此时，由于双向晶闸管和单向晶闸管都没有导通，所以，电压加在一个 2.4M 和一个 1.2M 的电阻上，同时给 0.01uF 和 47uF 的电容充电。当 47uF 的电容充电充到 5V 的时候，双向晶闸管导通，其两端电压迅速下降为 0。此时那个 5V 转 3.3V 的电源芯片 7133 的输入电压为 5V，等到正弦半波降到 5V 以下的时候，它开始放电，由于输入交流电频率较高，电容的放电又较慢，所以，还没放到多少，这个电容又开始充电，这样周而复始，达到了稳压的效果。红外线感应模块：这个也是经过实际测量的电路图。将它简化后就成了这个

8、典型应用电路图：如图所示为 TM2291 应用于热释电红外开关的电路原理图。其中电阻R9、R10，电容 C6、C7 都是可调的。 （值得说明一下的是，上图的芯片BIS0001 可以完全用 TM2291 替代，实物中用的是 TM2291 芯片）热释电红外开关是 TM2291 配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成的被动式红外开关。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，是一种高技术产品。特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。热释电红外传感器是一种新型敏感元件，它是由高热电系数材料，配

9、以滤光镜片和阻抗匹配用场效应管组成。它能以非接触方式检测出来人体发出的红外辐射，将其转化成电信号输出，并可有效抑制人体辐射波长以外的干扰辐射，如阳光、灯光及其反射光。此例中 TM2291 的运算放大器 OP1 作为热释电红外传感器的前置放大。由C3 耦合给运算放大器 OP2 进行放大，再经由电压比较器 COP1 和 COP2 构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号取启动延迟时间定时器。输出信号经晶体管 T1、驱动继电器取接通负载。R3 为光敏电阻，用来检测环境照度。当作为照明控制时，若环境较明亮，R3 的电阻值会降低，使 9 脚输入为低电平而封锁触发信号，节省照明用电。若应用于其他方面。则可

10、用遮光物将其罩住而不受环境影响。SW1 是工作方式选择开关，当 SW1 与 1 端连通时，红外开关处于可重复触发工作方式；当 SW1 与 2 端连通时，红外开关则处于不可重复触发工作方式。TM2291 芯片资料TM2291 是一种红外传感信号处理器，采用 CMOS 工艺制造，SOP16 的封装形式，应用于热释电红外开关的电路。本产品性能优良，超低功耗，适合电池（干电池、锂电池等）供电，质量可靠，外围电路简单。特性说明CMOS 数模混合专用集成电路具有独立的高输入阻抗运算放大器，可与多种传感器匹配，进行信号预处理双向鉴幅器可有效抑制干扰内设延迟时间定时器和封锁时间定时器，结构新颖，稳定可靠，调节

11、范围宽内置参考电源工作电压范围宽+3V +5V采用 16 脚 SOP 封装超低功耗，静态电流 1uA3uA管脚定义：工作原理：如上图为 TM2291 红外传感信号处理器的原理框图。外接元件由使用者根据需要选择。由图可见 TM2291 是又运算放大器、电压比较器和状态控制器、延迟定时器、封锁时间定时器及参考电压源等构成的数模混合专用集成电路。可广泛应用于多种传感器和延时控制器。我们先以下面左图所示的不可重复触发工作方式下的各点波形，来说明TM2291 的工作过程。首先，由使用者根据实际需要，利用运算放大器 OP1 组成传感信号预处理电路，将信号放大，然后耦合给运算放大器 OP2，再进行第二级放大

12、，同时将电流电位抬高为 VM(0.6VRF）后，送到由比较器 COP1 和 COP2 组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号 VS。由于 VH0.8 VRF、VL0.4 VRF，所以，当VDD=5V 时，可有效地抑制 1V 的噪声干扰。提高系统的可靠性。 COP3 是一个条件比较器。当输入电压 VCVR 时，COP3 输出为高电平，打开与门 U2，此时若有触发信号 VS 的上跳变沿到来，则可启动延迟时间定时器，同时 Vo 端输出为高电平，进入延时周期。当 A 端接“0”电平时，在 Tx时间内任何 V2 的变化都被忽略，直至 Tx 时间结束，即所谓不可重复触发工作方式。当 Tx 时间结束时，Vo 下

13、跳变回低电平，同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期 Ti。在 Ti 周期内，任何 V2 的变化都不能使 VO 为有效状态。这一功能的设置，可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。下面再以上面右图所示可重复触发工作方式下各点的波形，来说明TM2291 在此状态下的工作过程。在 VC=“0”、A=“0”期间，VS 不能触发Vo 为有效状态。在 VC=“1”、A= “1”时，VS 可重复触发 Vo 为有效状态，并在 Tx 周期内一直保持有效状态。在 Tx 时间内，只要有 VS 的上跳变，则 Vo将从 VS 上跳变时间算起继续延长一个 Tx 周期；若 VS 保持为“1”状态，则Vo 一直保持有效状态；

14、若 VS 保持为“0”状态，则在 Tx 周期结束后，Vo 恢复为无效状态，并且在封锁时间 Ti 时间内，任何 VS 的变化都不能触发 Vo 为有效状态。通过以上分析，我们已对 TM2291 的电路结构和工作过程有了全面的了解，可以看出该器件的结构设计新颖，功能强，可在广阔的领域得到应用。总结通过这次传感器大作业，我感觉我学到了很多。为什么这样说呢？因为通过学习，我更加熟悉了电力电子技术中整流高压工作原理和红外线传感器在实际应用中的作用，这些都是在课堂上通过讲课学不到的。在自己确定题目后，第一件事当然是省题了。由于以前学电力电子都是看老师分析那个电路图，从来没有自己分析过。学的也都是些纯理论的东

15、西。所以，当拿到板子的时候，我都不知道如何下手。没办法，只好摸着石头过河了。于是先把板子上的元器件都看了一遍，先把芯片挑出来查下芯片手册。找芯片手册的过程也是异常的痛苦。有些看不清楚芯片是什么型号，所以一直查不到，最后通过查引脚数和排除法，终于把所有的芯片搞定了。把所有芯片都查好后，接下来就是看芯片手册了。主要看了下红外传感器管理芯片。开始看不太懂，不过看看电路的介绍就有点感觉了。不过还是有一些地方不明白。不过这个不要紧，只要会用就行了。其中有一个典型的应用电路，这个能看懂大概是什么意思，还有其外面的电容电阻也都知道是什么功能，可以计算出什么时候输出高电平，延时多久。主要的模块看完了，现在就是

16、差供电模块了。由于传感器部分用的是弱电，而这个开关产品是直接用的 220V 的交流电。所以，其中必有降压、整流模块。但是在里面又没发现互感器，也就是没用变压器调压。却发现了一个双向可控硅和一个单向可控硅。所以它应该是用的电力电子技术。由于这门课学得不怎么样，所以我一时也看不太懂它的电路用途。于是没办法，就用老师上课说过的方法，一步一步用万用表测它的连线，然后在电脑上用 AD 把它的原理图画一遍。最后参照网上一个类似的调压电路，将那个原理大致弄清楚了。经过两个星期的努力，最终把那个原理搞懂了，感觉还颇有成就感。不过和用单片机编程比起来，这个显得有些低端，而且不好实现，是底层的硬件。分析起来比较有难度。所以很有技术含量。而且价格低，性能好，性价比非常高。