红外感应开关的设计与实现 --毕业论文

【标题】红外感应开关的设计与实现

【作者】蒋登科

【关键词】红外传感器开关设计

【指导老师】朱斌

【专业】应用电子技术

【正文】

1.绪论

1.1课题背景简介

随着人们生活水平的提高和电子技术的进步，原有的“机械开关”已渐渐不能满足现在人们对于“节能”“方便”的理解，人体红外线感应开关正是为了解决这些问题而研制的。它具有寿命长，速度快，精度高，抗干扰性较强，节能等优点。在现实生活中已渐渐代替了机械开关。

现代建筑楼宇使用声控、光控、触摸开关控制走廊照明越来越普遍，其好处是消灭了长明灯现象。但是，它们各有缺陷。当你两手提着重物上楼时，就不易触摸开关；声控开关当噪音够分贝量时，会误动作；雷达开关解决了声控开关的毛病，可它本身发射的电波具有穿透性，同样会产生误动作。

红外感应开关电路克服了上述缺陷，不但能应用于走廊、车库、仓库、地下室、消防通道等场合，还可应用于家庭和宾馆卧室。做到人进灯先亮或启动抽风扇工作，人离开则停止工作。针对以上开关的优、缺点，我设计了人体红外线感应开关。此开关可以使我们的生活更加便利，能源消耗得更少。此开关使用方便。它不再依赖传统的手动控制进行开关用电器，而是借助红外传感器，以感应人体红外线的方法，自动控制开关，使我们不方便时也能随意控制电灯及用电器。

1.2国内外研究现状

目前对射型红外线感应开关比较普遍，对射型红外线感应开关分为两种方式，一是反射式，二是折档式。反射式对射型红外线感应开关通过感应板接受物体反射回来的红外光波，感应距离为1.5米以内，感应范围较小。折档式对射型红外线感应开关的控制板发射红外线到接收方，中间需要有人或物体折档发射信号，其安装容易受到限制。

制作一种反射式红外感应开关，此文献介绍了LS-2型嘎巴应开关，它是一种集红外线发射电路，接受电路及驱动电路于一体的反射型感应开关，它具有发射，接受一体化，安装，使用方便，模块工作电流小（2-4mA），反射距离在2m左右，可广泛应用在免触式感应电子水龙头，防盗报警器，儿童玩具，汽车盗车报警器，电子计数器等产品上。此感应开关的缺点就在于感应距离较短，范围较小，不适用于路灯这样的远距离控制[1]。

制作一种折档式红外线感应开关，此文献介绍的方法是单独安装红外线发生器和接受器。再通过接受器把红外线信号转换成电信号进行放大控制，从而实现开关功能，此红外线开关的特点在于感应范围较大（最大可达10m）左右。其缺陷在于中间需要有人或物体折档发射信号，其安装容易受到限制。不适合在狭小的空间安装[2]。

制作MHW－86型热释电红外感应开关，该开关采用红外传感器D203S连接IC(BM8072)组成红外线人体感应开关。该开关体积小巧，感应距离约8米，锥角140°C。当有人进入感应

范围时，照明灯点亮，若人不离开且在活动时灯持续点亮，人离开后延迟一段时间灯熄灭。安装时在传感器前应无物体阻挡，否则会降低接收灵敏度甚至不起作用[3]。

综合以上的文献知识发现人体红外线感应开关可以由不同的方法制出，各种不同的感应开关都具备他们的优点和缺点。第一种采用的方法做出的感应开关优点在于安装，使用方便，模块工作电流小，而且比较节能。缺点在于感应范围小，不适用较大范围的使用。第二种采用的方法做成的感应开关克服了第一种的缺点，但是在安装方面受到了限制。

1.3 小结

课题背景介绍了现代社会研究热释电红外线感应开关的时代背景，以及发展趋势，对热释电红外线感应开关在现代社会的应用也作了详细阐述。

目前国内外对此课题的研究详细说明的现在人们对热释电红外线感应开关的一系列研究，简约介绍了三种红外线感应开关的应用，大致分析了各种红外线感应开关的利与弊。

2.红外人体感应开关简介

2.1热释电红外传感器原理

在自然界，任何高于绝对温度(一273K)的物体都将产生红外光谱，不同温度的物体释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的，而且辐射能量的大小与物体表面温度有关。凡是存在自然界的物体都会辐射出红外线只是其释放的红外线的波长是不一样的。用红外线传感器可以检测物体发射的红外线，并可进行测量、成像或控制。人体可辐射出中心波长为9um-l0um的红外线，而用于人体检测的红外线传感器波长灵敏度特性在0.2- 20um范围内几乎是稳定不变的。热释电红外传感器的原理是某些电介质具有强烈的自发极化效应，受到热辐射而产生温度变化时。其表面上会产生电荷变化。在被动红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外传感器(PIR)，它能将波长为8-12um之间的红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用，因此在被动红外探测器的誉戒区内。当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号[4]。因此，红外探测的基本原理就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。另外一个器件就是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜

有两种形式。即折射式和反射式。菲涅尔透镜作用有两个一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射在PIR上，第二个作用是将警戒区内分为若千个明区和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样PIR就能产生变化的电信号。

人体都有恒定的体温，一般在37℃左右，会发出10um左右特定波长的红外线，红外探头就是靠探测人体发射的红外线而进行工作的。红外线通过菲涅耳滤光片增强后集到热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后经检测处理后就能产生各类信号。被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元件，而且制成的两个电极化方向正好相反(如图2.1.1侧视图)，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[5]。

图2.1.1 PIR内部电路

2.2红外人体感应开关

全自动人体红外线感应开关适用范围本产品适用于走廊、楼道、仓库、车库、地下室、洗手间等场所的自动照明、抽风等用途。真正体现楼宇智能化及物业管理的现代化。功能特点1、基于红外线技术的自动控制产品，当有人进入开关感应范围时，专用传感器探测到人体红外光谱的变化，开关自动接通负载。人不离开且在活动，开关持续导通；人离开后，开关延时自动关闭负载，人到灯亮，人离灯熄，亲切方便，安全节能[7]。 2、具有过零检测功能：无触点电子开关，延长负载使用寿命。 3、应用光敏控制，开关自动测光，光线强时不

感应。安装调试 1、因开关左右两侧比上下两侧的感应范围大，所以安装开关时，应使其正轴线与人的行走通道方向尽量相垂直，这样可以达到最佳感应效果。 2、安装好开关后加电，当环境光线充足时，灯泡将会闪三次，一分钟后初始化结束，开关进入监控状态，用物体遮住环境光线使开关感应工作，人不离开且在活动，开关将持续工作；人离开后，开关自动延时关闭负载。 3、安装好开关后加电，当环境光线不足时，开关直接进入监控状态，人不离开且在活动，开关将持续工作。需要注意 1、安装时请勿带电操作，等安装好后再加电。

2、请勿超功率范围使用。

3、开关适用于室内环境，请勿安装在户外恶劣环境下使用。2.3小结

通过探测人体温度所产生的红外线光谱，然后使热释电元件的电荷失去平衡，从而经过一系列处理后产生各类信号，这是热释电红外线感应的原理，而他们在没有探测到人体红外线感应的时候两个热释元件对接，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。这是热释电传感器的工作原理。

红外人体感应开关的原理就是利用热释电红外线感应原理，把输出的信号作为控制各种用电器或报警器等等的工作和停止。

3.系统设计方案

红外线人体感应开关是利用人体所产生的红外光谱控制开关功能的，如果用人体红外线感应开关，就会做到人来灯亮，人走灯灭的效果。而且为了解决照明的常明现象，开关的耐用性，达到人们对于现代节能的理解等等。

3.1红外感应开关设计方案

为了符合设计要求，本开关采用P2288的热释电红外传感模块的热释电红外控制照明灯，这是个独立的红外线传感模块，若和ICLM324连接则组成红外线人体感应开关，该开关能达到当有人来到时，电灯自动打开，人走后电灯自动熄灭。接入光敏电阻能使开关在白天时不被触发。该方案由开关的硬件设计系统，PCB设计系统，两大部分组成。该开关的总体设计流程图如图3.1.1。

图3.1.1人体感应开关流程图3.2硬件设计

采用P2288热释电红外开关电路，由热释电红外传感器构成的红外探测输入电路，一级低通同相放大器IC1a，一级低通反相放大器IC1b，一级电压比较器IC1c，一级单稳态延时器IC1d，双向晶闸管VH及其触发电路VT组成。

由于本开关要采用四个放大器，所以采用LM324来连接，LM324系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V或+16V。LM324的特点：1.短跑保护输出。真差动输入级。2.可单电源工作：3V-32V，3.低偏置电流：最大100nA（LM324A）。4.每封装含四个运算放大器。5.具有内部补偿的功能。6.共模范围扩展到负电源。7.行业标准的引脚排列。8.输入端具有静电保护功能。

LM324具有14个引脚，其（1，2，3），（5，6，7），（8，9，10），（12，13，14）脚分别构成4个放大器。其中1，7，8，14为输出其余为输入，4脚为VCC 11脚为地。如（图3.2.1）

[7]。

图3.2.1 LM324引脚

图

传感器的选择是一个重要的问题，传感器技术是现代信息技术的主要内容之一，信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术。计算机和通信技术发展极快，相当成熟，而传感器应用技术因为需要使用模拟技术，而模拟技术还有很多问题难以解决，因此传感器应用技术也还有待进一步发展[8]。为了适应现代科学技术的发展，世界众多国家都把传感器技术列为现代的关键技术之一。通常将能把非电量转换为电量的器件称为传感器，其实质上是一种功能块，作用是将来自外界的各种信号转换成电信号。它是实现测试与自动控制系统的首要环节。如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么无论是信号转换或信息处理，或者最佳数据的显示和控制将无法实现。

系统设计中选用的探头是P2288型热释电传感器。它具有如下特点：灵敏度高，噪声系数小，可以工作在很大的温度范围(-40℃一+60℃)内。水平角度大(1l00)。它的内部电路如右图（图3.2.2）[9]。

图3.2.2 P2288内部电路

红外线探测电路由热释电传感器和菲涅耳透镜组成,如图3.2.3。由热释电红外传感器的特性可知，当它受到触发时，输出的传感信号为0.1~10Hz的超低频脉冲(频率值视使用的菲涅耳透镜和人体移动的速度而定)，脉冲的幅度不大于1mV。这就需要一个高增益，低噪声的低频带通放大器，将其放大后才能对电路执行控制功能。通常要求放大器的增益为60~70，即几千倍，而且对放大器的带宽有一定要求。带宽窄，则噪声小，误动作率低;带宽宽，则噪声大，误动作率较高，但对不同移动速度的人体运动均有较好的响应。权衡两者，通常带宽取0.3~7Hz[10]。

在本电路中，IC1a和IC1b组成两级低频带通放大器，信号由探测电路传入后首先通过IC1a，经过RC选频后通过IC1b继续放大。两级的总增益等于各级干每级增益的乘积。电路如图3.2.4。

图3.2.4 红外线人体感应开关

放大电路

IC1c组成电压比较器，R10和R11将同相端(10脚)分压为3.9V，作为参考电压。当IC1b

输出的信号电压大于参考电压3.9V时，（即9脚上电压）IC1c的8脚输出低电平[11]。此低电平通过R12加至VT1的基极，使其导通，从而接通了照明灯的电源，照明灯亮。

在电压比较器IC1c中，将参考电压设定为3.9V，目的是为了抑制干扰信号，使低于3.9V 的干扰信号被抑制，从而保证了电路工作的可靠性。

为了使电路仅在夜间被触发，在IC1c的输入端(9脚)接入光敏电阻器RL。该电阻器在白天由于受光照射。其电阻值不大于10K。因此，IC1b输出的高电平经R9与RL分压后，其电压值总是小于参考电压。这就使 IC1c的输出端一直保持高电平，晶闸管VTH不会被

触发。电路如图3.2.5。

图3.2.5 红外线人体感应开关比较电路

IC1d和RP1，C9组成单稳态延时电路。平时IC1D的反相输入端(6脚)通过R10，R11被分压为3.9V，而同相输入端(5脚)则由于电源经RP1向C9充电而使其保持在接近电源电压6V

的状态，这就使IC1d的输出端(7脚)保持高电平。

当有传感信号电压使IC1c的输出端(8脚)变为低电平时，电容器C9通过VD1放电。当放电使C9的正极电压(IC1d的5脚)低于参考电压3.9V时，IC1d的7脚输出低电平并通过VT1将双向晶闸管触发导通[12]。

当传感器输出的信号电压消失后，IC1c的8脚恢复高电平，VD1截止，电源通过RP1向C9充电。当充电使C9的正极电压升至大于3.9V时，单稳态电路的斩稳态结束，IC1d的7脚恢复高电平，VT1截止，VTH关断，照明灯灭。由于C9的充电需要一定的时间，因此当人离去时照明灯并不立即熄灭，而是延迟一段时间后熄灭。电路如图3.2.6。

图3.2.6 红外线人体感应

开关延时电路

触发电路直接用可控硅接在要控制的用电器上,另一端接在9012的集电极上就可以了。

3.3 PCB设计

Protel 99SE是基于Windows环境的新一代电路原理图计算机辅助设计与绘制软件，其功能模块包括渔利土设计，印制电路板设计，电路信号仿真，可编程逻辑期间设计等，是集成于一体化的电路设计与开发环境。Protel 99SE是Protel公司于2000年推出的一款EDA 软件，是Protel家族中性能较为稳定的一个版本。它不仅是以前版本的升级，更是一个全面、集成、全32位的电路设计系统。Protel 99SE的功能十分强大，在电子电路设计领域占有极其重要的地位[13]。

PROTEL99SE作为一个优秀的板级设计软件，是个功能强大的设计系统。它由以下几部分构成：设计浏览器、原理图捕获、电路仿真、PLD设计、PCB布局、PCB自动布线、信号完整性分析。设计浏览器为设计人员方便地进入设计并使用创建设计的各种工具提供了一个便捷界面。原理图捕获部分类似于传统的画图过程，通过计算机辅助设计自动绘图，便捷地修改图层。然而，PROTEL99SE中的原理图捕获功能块是许多技术设计的入口点，从电路设计到PLC（可编程逻辑器件）编程，再到电路仿真和PCB设计（布局、布线），都以原理图捕获为基础。电路仿真部分与原理图编程器紧密集成，可以直接从原理图（原理图中的元器件采用仿真库模块）对模拟和数字信号设计进行混合仿真。PLD设计提供了基于原理图及CUPL TM硬件描述语言的可编程逻辑器件的设计手段。PCB布局和PCB自动布线完成印制电路板的布局与布线功能，执行设计规则，产生印制板加工文件及输出文件。信号完整性分析以印制电路板设计为基础，设定相应规则来测试网络阻抗和上冲、下冲、上升、下降等时间。同时，通过执行反射与串扰分析，能够确切地分析布线的性能并产生准确的结果波形。综合各部分所完成的功能可以看出。PROTEL99SE是一个功能强大的电路设计系统。

此课题软件采用99SE绘制原理图，布出PCB从而制作出实物。如下图（图3.3.1），图3.3.1 红外线人体感应开关原理图

由于元件库里面没有传感器所以用一个自制的三角元件JP1代替。开关后面控制的照明部分用JP2和电阻代替。因为LM324本身由4个放大器组成，所以实用于本电路的设计，在画放大器的时候把4个放大器归为同一属性，才能在部PCB的时候把4个放大器归在一个集成块里面，把4个放大器都用LM324来标注。这样就可以在布PCB的时候直接封装为一个IC。布PCB采用单面板背后达线的方法，正面用蓝线，红线用来达线。在布PCB时4个放大器包含在一个LM324里面。采用20mil的线来绘制。绘制图形如下图（图3.3.2）。

图3.3.2 红外线人体感应开关PCB图

3.4 小结

设计中采用硬件和软件想结合才能做出实物。硬件设计阐述的此设计的具体工作原理，LM324在此电路的作用，每个放大器不同。在这里分别作为一级低通同相放大器IC1a，一级低通反相放大器IC1b，一级电压比较器IC1c，一级单稳态延时器IC1d。为了达到设计目的，设计采用的传感器是P2288和ICLM324，当然还有各个不可缺少的元件。本章还介绍了主要元件的技术参数，各个元件的作用。

PROTEL99SE作为一个优秀的板级设计软件，是个功能强大的设计系统。它由以下几部分构成：设计浏览器、原理图捕获、电路仿真、PLD设计、PCB布局、PCB自动布线、信号完整性分析。设计浏览器为设计人员方便地进入设计并使用创建设计的各种工具提供了一个便捷界面。采用专用PCB的制作软件PRotel99，首先在绘图环境下绘制出该系统总的电路图，在利用网络表导出PCB板。

在绘制PCB的时候注意要怎么画库里面没有的元件，还有LM324的画法。

4.开关的组装与调试

4.1 开关的组装

通过PCB图做出的PCB板，把对应元件焊接上去，由于采用传统的手工焊接方式，所以由以下步骤进行。

1、准备器件：理好制作人体感应开关需要焊接的器件，分类放好（可以在拿到pcb以前准备好）；

2、外观检查：拿到PCB后首先用肉眼检查一下，看是否存在瑕疵（短路、断路等），是否存在的设计的缺陷并作好记录。

3、测量短路：测量电源的进线与出线是否与地短路。

4、开始焊接电源并测试：先焊接好总电源，然后进行测试，检查电源是否正常，然后再焊半桥整波和稳压二极管后在进行测试。

5、开始焊接P2288传感器，并且边焊接边测试电源与地是否存在短路现象，焊接好放大电路部分后立即进行测试，待正常后再焊接下一部分，直到所有的器件都焊接完毕；

在焊接过程中要注意记录焊接过程中发现的PCB设计问题（比如：散热、安装干涉、焊盘过孔大小等等），以备下次改进[14]。

4.2 开关的调试

由于本设计只是开关电路所以调试需要外接照明电路，照明电路由一个继电器和普通灯泡组成，调试具体方法如下:

接通照明电路和电源(220V)，当人靠近开关时，照明灯亮，当人离开时灯灭。因为RL的作用是控制光照强度的，所以在白天时不会触发电路。

4.3 小结

开关的组装必须有一定的步骤，才能组装得更完美，在组装的过程中，还要发现相应的问题并解决。

红外线人体感应开关是利用人体所产生的红外光谱控制开关功能的，如果用人体红外线感应开关，就会做到人来灯亮，人走灯灭的效果。而且为了解决照明的常明现象，开关的耐用性，达到人们对于现代节能的理解等等，这是此设计的最终目的是达到，所以调试环节非常重要。理论结合实际才算成功。

5.结论

随着人们生活水平的提高和电子技术的进步，原有的“机械开关”已渐渐不能满足现在人们对于“节能”“方便”的理解，人体红外线感应开关正是为了解决这些问题而研制的。它具

有寿命长，速度快，精度高，抗干扰性较强，节能等优点。在现实生活中已渐渐代替了机械开关。

本文通过对人体红外感应开关的工作原理及其设计思想和方法的学习，对传感器应用技术的掌握，用红外传感器P2288和ICLM324及各种常用电子元件来设计一个人体红外线感应开关。文中首先分析了系统的设计思路，用红外传感器P2288实现了一个人体信号接收器。用LM324实现了后面的控制电路功能。采用99SE绘制出电路的原理图。设计切实考虑了开关的实用性，针对控制照明灯电路的主要方面而设计的一款人体红外线感应开关。设计过程中考虑了部分各种可能出现干扰情况，根据具体情况设计中采用了MG44-03光敏电阻。使开关在白天的情况下不被触发。使开关的实用性更加良好。

本设计只提供了开关功能，简单介绍了一下外接照明电路。没有完成如报警，控制水龙头等其他功能，只要增加相应的电路就可以完成其功能。