热释电红外节能灯设计.docx
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热释电红外节能灯设计
郑州交通职业学院
毕业论文(设计)
论文(设计)题目:
热释电红外节能灯电路设计
所属系别信息工程系
专业班级电子信息工程技术1班
姓 名姚再峰
学 号200908060830140
指导教师赵瑞芹
撰写日期2012年02月
摘要
在生活中,我们无时不在使用着灯,诸如台灯、路灯、日光灯、探照灯、彩灯等等,但不管是什么样式的灯,它们的作用都是一样的—照明。
因此,设计一个即实用又方便的照明灯则是我们人类共同的愿望。
而生活中我们用的最平常的灯则是楼道里的照明灯,过居民楼的人都应该知道,楼道很窄,晚上行走很不方便,如果让楼道里的灯一直亮着,则难免会浪费国家资源,因此设计一种既不浪费国家电力又很方便实用的照明灯系统是很有实用价值意义的一件事。
随着科学技术的发展,节能灯已成为千家万户必需的生活用品,而智能化的热释红外节能灯也起到了举足轻重的作用,现实生活中人们经常由于忘记关灯而造成巨大的能源浪费,当夜晚来临时,人们又摸黑去开灯,非常不方便。
在这里我们设计了热释红外节能灯解决了这一问题。
它以人体红外辐射(波长为9.5um)传感为控制电路,当夜间或外界光强较弱且有人走近时能自动开灯,当无人或人离开时则自动关灯。
自动感应开灯,成本低,方便生活;达到节约能源的目的。
设计制作了一种热释电红外节能灯,主要是以BISS0001和单片机组成的红外传感控制电路。
其特点是在有人时且外界光强较弱时能自动开灯,无人时关灯,节约能源。
关键词:
照明灯;节能;自动感应;热释电红外;BISS0001
Abstract
Inlife,ournothingisnotusinglightnowandthen,thedesklamp,roadlamp,daylightlamp,searchlight,illuminationwaitaminutesuchas,illuminatesbutdisregardingwhattheformlight,theireffectbeingallisthesame.Desiretherefore,designingthatoneisapragmaticconvenientheadlampistobethatourhumanbeingiscommon.Thatlifeishitbythemostcommonlightthatweuseistobeheadlampinsidethecorridorbut,faultresidentbuildingpeoplealloughttoknowthecorridorisverynarrow,goonfootintheeveningnotgoingtothelavatoryverymuch,beingthatthepragmaticheadlampbeinghardtoavoidwastingcountryresource,designingthatonekindbothnotwastingEnelandgotothelavatoryverymuchthereforeissystematicistoamatterhavingpracticalvaluesignificanceverymuchifmakinglightinsidethecorridoralwaysbright.
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,energy-savinglamphasbecomeanecessaryarticlesfordailyuseofthousands,andintelligentinfraredheatreleaseenergy-savinglampsalsohasplayedapivotalrole,reallifepeopleoftenduetoforgettoturnoffthelightsandcausehugeenergyiswastedwhennightcomes,theytooktoturnonthelight,verynoteasy.Herewedesigntheheatreleaseinfraredenergysavinglampssolvingtheproblem.Itwithhumanbodyinfraredradiation(wavelengthfor9.5um)sensorforthecontrolcircuit,thatnightorexternallightintensityandsomeoneweakernearcanautomaticallyopenlamp,whennooneormanleftwillautomaticallyturnoffthelights.Automaticinductionlights,lowcost,convenientlife;Toachievethepurposeofsavingenergy.Designakindofpyroelectricinfraredenergysavinglamps,mainlyiscomposedofsinglechipmicrocomputerBISS0001andinfraredsensorcontrolcircuit.Itscharacteristicisinwhensomeoneoutsidelightandstrongweakercanautomaticallyopenlamp,nopersontoturnoffthelightsandsaveenergy.
Keywords:
Headlamp,energyefficient,Automaticinduction,Pyroelectricinfrared,BISS0001
目录
1引言....................................................................................................................................1
2原理方案论证.....................................................................................................................1
2.1总体方案设计.............................................................................................................1
2.2方案论述.....................................................................................................................1
3单片机系统电路设计........................................................................................................2
3.1系统电路组成..............................................................................................................2
3.2信号检测及其处理电路.................................................................................................4
3.3单片机控制电路............................................................................................................5
3.3.1人体体温检测设计.............................................................................................5
3.3.2环境光检测设计...............................................................................................6
4系统的软件设计................................................................................................................7
4.1系统程序流程图.............................................................................................................7
4.2系统BISS0001触发工作方式.........................................................................................8
4.2.1不可重复触发工作...............................................................................................8
4.2.2可重复触发工作..................................................................................................9
5实验结果分析...................................................................................................................10
6实验总结...........................................................................................................................11
参考文献..............................................................................................................................13
致谢....................................................................................................................................14
附录1:
源程序...................................................................................................................15
附录2:
节能灯常见问题、功能及其发展前景...............................................................17
1.引言
热释电节能灯已是千家万户的必需生活用品,经常由于忘记关灯而造成巨大的能源浪费。
当夜晚来临时,人们又摸黑去开灯,非常不方便。
在这里设计了以人体红外辐射(波长为9.5μm)传感控制电路。
当人体在灯的范围内且环境光强较弱时,自动感应开灯;当人体太靠近桌面时,灯自动感应,当人离开时则自动关灯,达到节约能源的目的。
2.原理方案论证
2.1总体方案设计
主要研究单片机控制的节能灯系统,分别对环境光的亮度、人体的位置、光线自动调节及系统设备的软、硬件各个部分进行了研究,使之达到节能的目的。
(1)、根据智能技术的特点,进行节能灯灯系统的整体研究与设计。
(2)、根据感知环境光的特点,对周围的亮度进行记录和识别。
(3)、使用光线自动调节功能,对亮度进行正确的调节。
(4)、根据热释电红外传感器来感知人体的位置,判断是否开关。
(5)、针对人体位置难以用精确的数学模型描述的特点,采用模糊控制理论,对这一理论进行了深入的研究,重点研究区分的模糊控制方式。
2.2方案论述
方案一:
市场上节能灯有很多,如声控节能灯;太阳能节能灯,其原理都比较复杂;而一些节能灯用起来又比较费人费时费力。
本次设计可以通过倍压整流利用声音放大发生电路,通过光敏电阻、交流开关直接达到灯自动熄灭点亮的结果,这种方法的特点是无手动开关,但缺乏灵活性。
同时需要声音来控制电源的开和关,声音的大小直接影响到了灯的正常点亮,用起来及其不方便。
其结构图如图2-1所示
图2-1
方案二:
利用软件产生红外信号,由热释电红外传感器通过信号处理比较电路在一定范围内检测人体一定的红外波长(波长为9.5μm);经过系统的发射、接收、处理实现节能灯的点亮与熄灭。
通过光敏电阻的控制白天该开关电路不启动,夜间当有人走近时灯亮,人走后灯自动熄灭。
这种方法的特点是充分利用软件,灵活性好,同时不需要声音控制,只有人一靠近时才能自动点亮。
系统采用单片机控制,价格低廉,制作起来简单方便,也达到里节能的目的。
其结构图如图2-2所示
图2-2
综上所诉,本次设计采用方案二。
3.单片机系统电路设计
3.1系统电路组成
图3-1系统原理图
本系统组成如图3-1所示,主要由三部分组成:
(1)、传感器及信号处理部分:
检测人体辐射红外信号及光强信号经过处理后变成可处理的数字信号
(2)、以80C51组成的中央处理单元:
处理信号并发出控制命令
(3)、提醒电路及灯光控制电路给出提醒信号并根据80C51给出的命令控制灯光
整个系统是以80C51控制下工作的。
其工作过程为:
当环境光比较强时,光敏电阻阻值比较小,信号处理电路检测到低电平信号,禁止热释电红外传感器工作,省去了80C51处理过程。
当环境光比较弱时,光敏电阻阻值变大,信号处理电路接收到高电平,从而启动热释电红外传感器工作。
热释电红外传感器1探测比较远的距离,当人体进入到传感器1的控测范围内且光强较弱时,信号检测电路处理信号,并向单片机发送一个中断,80C51启动灯光控制电路,使灯慢慢变亮。
当环境光比校弱时,且人体过于靠近桌面,热释电红外传感器2检测到信号,同时了在热释电红外传感器1的控测范围内,信号处理电路同时向80C51发送信号,80C51处理信号根据优先级顺序,屏蔽掉热释电红外传感器1的信号,启动延时电路,发出警报使人离开,若在设定的时间内未离开桌面,则启动灯光控制电路,使灯慢慢熄灭。
当人体离开热释电红外传感器2的控测范围且在热释电红外传感器1的控测范围内时,灯光又慢慢变亮。
3.2信号检测及处理电路
图3-2传感器组成的信号检测及处理部分
图3-2是由热释电红外传感器、光敏电阻、BISS0001组成的信号检测及处理电路。
红热释电红外传感器只对波长为9.5μm(人体辐射红外线波长)左右的红外辐射敏感,所以除人体以外的其他物体不会引发探头动作。
探头内包含两个互相串联或并联的热释电元,而且制成的两个电极化方向正好相反,环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用,使其产生释电效应相互抵消,于是探测器无信号输出。
一旦人侵入探测区域内,人体红外辐射通过部分镜面聚焦,并被热释电元接收,但是两片热释电元接收到的热量不同,热释电也不同,不能抵消,于是输出检测信号。
BISS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。
当外界光强较强时,光敏电阻阻值很小,BISS0001检测到低电平,从而封锁14脚,禁止传感器infare1的信号。
当外界光强较弱时,光敏电阻阻值很大,BISS0001检测到低电平,开启14脚;infare1检测到人体信号时,产生微弱的信号输出,经R5、R1005、R4、C1、C6、C7组成的信号放大滤波电路。
R1000、R1001、C1000和C1001组成的延时电路。
信号经处理后从2脚输出。
热释电红外传感器是一种能检测人体发射的红外线而输出电信号的传感器,它能组成防入侵报警器或各种自动化节能装置。
人体都有恒定的体温,一般在37度,所以会发出特定波长10μM左右的红外线,被动式红外探头就是靠探测人体发射的10μM左右的红外线而进行工作的。
人体发射的10μM左右的红外线通过菲涅尔透镜增强后聚集到红外感应源上。
红外感应源通常采用热释电元件,这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡,向外释放电荷,后续电路经检测处理后就能产生报警信号。
3.3单片机控制电路
图3-3单片机控制电路
图3-3是由单片机组成的报警及灯光控制电路。
当外部无任何中断时,80C51控制74LS138的使能控制端,使后面电路不工作。
当有中断一产生时,80C51启动74LS138,向P0脚低4位发送信号,控制灯慢慢亮。
当中断1和中断0同时产生时,80C51屏蔽掉中断1,启动74LS138向P0脚低四位发送数据,使灯光慢慢变暗。
这里采用74LS138控制DC832可以节省80C51的管脚,有利于扩展,以便于控制多盏灯。
由于采有DC0832可以有效地使灯实现阶梯形的变化。
3.3.1人体体温检测设计
图3-4
图3-4人体位置检测是靠一个红外发射管(二极管)向前方发射红外线,如果人坐在灯前面,那么发射的红外线就会反射回来,被红外接收头检测到后,就会向计算机传输一个指令,表示人已经到了。
如果这时,环境光检测也符合要求,那么热释电红外节能灯就亮了。
3.3.2环境光检测设计
图3-5
图3-5环境光检测是比较重要的一个部分,其中关键的元件有两个,一个是光敏二极管,一个是50K的可变电阻(电位器)。
光敏二极管的检测能力的强弱(灵敏度)是根据那个可变电阻来控制的,有的人认为天色还挺亮的,灯就开了,那你就把电阻变大些,光敏二极管的灵敏度就下降了,这样就可以达到等天再暗些再开灯。
同样的,如果你觉的天色已经很暗了,灯还不亮,那你把电阻调小些就可以了。
这样多调几次,你就能把智能台灯调到一个最理想的最适合你的状态了。
4.系统的软件设计
系统软件程序设计主要包括:
系统程序框图,主程序设计,采样子程序设计,数据处理程序等。
各芯片地址编码为:
81551/0口:
7FF8H-7FFDH,ADC0809:
OBFF8H-OBFFFH3
4.1系统程序流程图
中断1中断0
图4-1程序框图
程序框图如图4-1所示,程序开始后,对程序进行初始化。
向P0脚写入低电平,开启所有中断,启动计数器。
当中断1来时,进入中断1,设置R0为0,调用延时程序TIME0(延时10ms),判断R0是否等于7,若不是,则加1,继续发送数据进入循环,直至R=7,即实现的是灯慢慢变亮的一个过程。
当中断0和中断1同时产生时,根据优先级,屏蔽掉中断1,开启中断0。
调用延时程序TIME0(延时1分钟),查询中断0控制位;防止人体不小心到达热释电探测器的探测范围内,采用延时程序来排除干扰,防止误判。
若为0,则返回主程序;若为1,则向P0高四位发送数据,使灯保持原来最亮状态,调用延时程序TIME1,判断R0是否等于0,若是则中断返回,若不是,则R0减1,继续循环,直至R0等到于0,此程序的目的是实现灯慢慢变暗。
4.2系统BISSOOO1触发工作方式
系统BISS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。
4.2.1不可重复触发工作
图4-2
图4-2所示的不可重复触发工作方式下的波形,来说明其工作过程。
不可重复触发工作方式下的波形
首先,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,同时将直流电位抬高为VM(≈0.5VDD)后,将输出信号V2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VH≈0.7VDD、VL≈0.3VDD,所以,当VDD=5V时,可有效抑制±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Vc
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下跳回低电平,同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期Ti。
在Ti时间内,任何V2的变化都不能使Vo跳变为有效状态(高电平),可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。
4.2.2可重复触发工作
图4-3
图4-3所示的可重复触发工作方式下的波形,来说明其工作过程。
可重复触发工作方式下的波形在Vc=“0”、A=“0”期间,信号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,并可促使Vo在Tx周期内一直保持有效状态。
在Tx时间内,只要Vs发生上跳变,则Vo将从Vs上跳变时刻起继续延长一个Tx周期;若Vs保持为“1”状态,则Vo一直保持有效状态;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,同样在封锁时间Ti时间内,任何Vs的变化都不能触发Vo为有效状态。
5实验结果与分析
本系统的主要设计思想来源于生活。
节能灯是一般家庭的生活必需品,但由于经常忘记关灯而造成巨大的能源浪费。
全球这么多灯,估算一下,消耗能源可观。
另一个是作为一个必需品,当然要使生活变得更方便,省去了黑暗中开灯的麻烦。
本系统在实验室进行了实物实验。
热释电红外探测器1的距离是4m左右(距离可调),主要是因为一般来说是人离灯的距离;以便黑暗中时人一到一定距离则启动,省去了开灯的麻烦,用户可以根据自己的实际情况进行距离调节。
本系统的主要技术难点在于对人体红外信号的采集及处理。
由于采用的是热释电红外传感器,当人体进入其感应范围时,传感器就会产生几mV信号,然后通过以BISS0001为中心的信号处理电路,对信号进行二次放大,并滤波,以防止外界的信号产生干扰。
信号经
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