1、1实 验 报 告电子测量与电子电路综合设计型实验实验名称： 红外感应照明灯自动控制电路 实验学生(学号)： XXXXXXXXXXXXXXXXXX 所属班级： XXXXXXXXXXXXXXXXXX 班内序号： XXXXXX 所属学院： XXXXXXXXXXXXXX 2018 年 4 月2摘要当今社会，随着人类生产活动的愈发频繁，能源问题越来越严重，生态环境遭到破坏，节能环保成为当今社会一大重要主题。为了节能环保的目的公共场所的走廊过道都尽量使用自动控制照明灯，实现“人来灯亮，人走灯灭” ，既能很好的节约能源，也能给人们的生活带来方便。实现控制的方法可以是声控，光控，红外感应，触摸或遥控等，根据使
2、用的环境可以选用适当的方法。本题选用热释电红外感应控制。 关键词：热释红外感应；自动控制；光敏；延时。3目录引言-4第一章 实验设计要求1.1 设计概述- 41.2 设计任务要求- 4第二章 电路设计2.1 系统组成框图- 42.2 系统整体设计思路- 52.3 模块电路设计思路2.3.1 第一级放大电路设计-52.3.2 第二级放大电路设计-62.3.3 电压比较器模块设计-72.3.4 555 定时器模块设计- 8第三章 电路仿真3.1 前 2 级放大电路仿真-103.2 电压比较模块仿真-113.3 电路整体仿真-11第四章 电路搭建与调试4.1 组合调试中的故障与问题分析-124.2
3、系统最终演示效果和所实现的功能- 12第五章 实验总结与结论5.1&5.2 实验总结（搭建与调测）- 155.3 实验结论-155.4 心得体会 -15第六章 实验元件和仪器资料6.1 实验元件6.1.1 热释红外传感器 PIR - 156.1.2 集成运放芯片 LM358 - 166.1.3 光敏电阻 -176.1.4 NE555 定时器 -196.2 实验仪器 -19第七章 参考书籍及资料 -194引言：随着社会的进步，节能环保已经深入人心，成为当今社会重要主题之一。通过红外感应来实现自动控制的功能电器已经悄悄影响着人们的生活，生活中处处可以看到红外感应自动控制设备的影子。本实验设计利用热
4、释电红外传感器 PIR 获得电压，然后通过 LM358来实现两级电压放大，然后经过电压比较器，二极管 D1 导通，使 555 构成的单稳态触发器反转进入暂稳态，3 脚输出高电平，将 LED 灯点亮，实现红外感应自动控制。第一章 实验设计要求1.1 设计概述本设计是在指导老师给定课题的基础上经过分析，采用热释电红外传感器 PIR，能根据生命体从传感器旁经过的距离长短作为触发信号（实验中用手划过传感器来模拟） ，使 LED 二极管发光并延迟 10 秒以上熄灭。1.2 设计任务要求A. 基本要求 1. 用发光二极管模拟照明灯，在白天保持熄灭状态，在夜间有人从附近 10cm 经过灯便点亮，延迟 10
5、秒后熄灭。 2. 电源用 5 伏直流电源，传感器用 RE200B 红外热释电传感器。 3. 电路工作稳定可靠。 B. 提高要求 延长感应距离到 20cm 或 30cm。第二章 电路设计2.1 系统组成框图放大器热释传感器 PIR 电压比较器 单稳态触发器 照明灯延时电路52.2 系统总体设计思路PIR 热释传感器能够因为红外线的变化在其 S 端输出微弱的超低频交流信号， ，经 C2 加到三极管 Q1 输入端放大，再经运放 U1A 组成的放大器进一步放大，使信号增益达到几十 dB，后进入电压比较器反向输入端。信号幅度高于比较电压时，比较器输出低电平，二极管 D1 导通，使 555 构成的单稳态触
6、发器反转进入暂稳态，3 脚输出高电平，将 LED 灯点亮。由于要求 LED 灯延时熄灭，还要加入 RC 延时电路，调节电位器可以改变灯点亮的时间2.3 模块电路设计思路2.3.1 第一级放大电路设计原理简述：由于 PIR 输出的是超低频交流信号，为了保障电路的稳定，采用深度负反馈电路（电压并联负反馈）,耦合电容 C2 的作用是阻直流，通交流，一般采用容量较大的电解电容器，本实验采用 C2=47uF,F（反馈系数）=-1/R2,由于输入的信号十分微弱，不妨设 Ii=10mA （实际电流大于 10mA）,则 Vo=If*R2+1，通过静态工作点的设置，Ib=-If=(Vce-Vbe)/R2,得到
7、R1 取值为 10 千欧，R2 的取值为 1 兆欧，第一级放大倍数约为 120；62.3.2 第二级放大电路设计原理简述：(此处忽略电容)第二级放大采用同相放大电路，输入信号输入到运放的同相输入端（R=0） 。反馈网络为 Rf 和 R1，构成深度电压串联负反馈放大电路。根据分析集成运算放大电路的两个重要特点（“虚短” 、 “虚断” ）可知：因为 U+ = U- = Ui（“虚短” ，但不是“虚地” ） ， I+ = I- = 0所以 NipU1RUINi故有 ifNof IRUI7则 ifoURU)1(即闭环电压放大倍数为1Afiouf Uo 与 Ui 是比例关系，改变比例系数，即改变 RfR
8、1，即可改变 Uo 的值。实际参数：在实际电路中取 R4(原理中为 Rf) =R3(原理中为 R1）=47 千欧，C1=33uF,C5=0.01uF,第二级放大倍数约为 2 倍。2.3.3 电压比较器模块设计设计原理简述：电压比较器是对两个模拟电压比较其大小,并判断出其中哪一个电压高。图 1(a)是比较器，它有两个输入端：同相输入端(“+” 端) 及反相输入端(“-”端)，有一个输出端Vout(输出电平信号)。另外有电源 V+及地(单电源比较器)，同相端输入电压 VA，反相端输入 VB。VA 和 VB 的变化如图所示。在时间 0t1 时，VAVB；在 t1t2 时，VBVA；在t2t3 时，V
9、AVB。在这种情况下，Vout 的输出如图 1(c)所示：VAVB 时，Vout 输出高电平(饱和输出)；VBVA 时，Vout 输出低电平。根据输出电平的高低便可知道哪个电压大。8如果把 VA 输入到反相端，VB 输入到同相端，VA 及 VB 的电压变化仍然如图 1(b)所示，则Vout 输出如图 1(d)所示。与图 1(c)比较，其输出电平倒了一下。输出电平变化与 VA、VB的输入端有关。如果输入电压 VA 与某一个固定不变的电压 VB 相比较，此固定不变的 VB 称为参考电压、基准电压或阈值电压。在试验中合理设置参考电压便可以实现特定的电压比较。实际电路参数为了便于电路组合之后的调试过程
10、，特引入电位器分压，信号从反相端输入，参考电压从同向端输入。如图所示：92.3.4 555 定时器模块设计设计原理简述：U2 的暂态时间由 R14 和 C4 构成的时间常数决定，调节电位器 R14 可以改变灯点亮的时间。暂态过后 U2 的 3 脚输出低电平，灯熄灭。调节 R10 可改变对人体活动的感应灵敏度。白天光敏电阻 R9 呈低阻态，Q2 饱和导通，将 U2 的 4 脚置低电平，使 U2 强制复位，3 脚恒为低电平，灯不会亮。只有光线暗时 R9 呈高阻态，Q2 截止，4 脚为高电平，才解除对电路的封锁。 （光敏电阻在室内光照条件下阻值为几千欧）实际参数设计：10第三章 电路仿真3.1 前两
11、级放大电路仿真3.1.1 第一级11可以看出第一级放大倍数在 120 倍左右，基本与预期倍数符合。3.1.2 第二级第二级放大倍数在 2 左右，符合预期倍数。3.2 电压比较模块仿真12从仿真中可以看出高低电平随输入信号的变化而切换，符合预期设计。3.3 整体系统仿真当输入低频小信号时，LED 灯点亮，仿真结果基本符合前面的设计。第四章 电路搭建与调试134.1 组合调试中的故障与问题分析在开始搭建电路和调试的过程中，虽然做了比较充分的准备，但在实际操作还是出现了一些意想不到的问题：在一开始完成前级放大电路的搭建，我通过函数发生器向电路输入一个低频小信号（幅度为 10mV,频率为 1Hz）然后
12、用示波器分别显示第一级，第二级的输出信号波形，结果并没有显示正常的波形，经过对电路进行初步检查时发现问题出在地线上，地线的连接出现错误；但纠正后依然没有 1 得到正常的结果，我只得一处一处来测试，最终发现是自己将一个 10 千欧的电阻接成了 1 千欧，导致静态工作点设置出现了问题，第一级放大电路起不到作用，更换后，结果与预期基本相符；实验中碰到的另一个问题是感应距离，本实验对感应距离的调制主要基于参考电压与比较电压之间的差值，差值越小，电路越灵敏，但当差值过小时，只要有一点点的影响就会让 LED 灯点亮，最终变成了常亮，所以此电路的识别距离 L=25cm。除此之外，在一个试验台调好距离后，拿到
13、另一个试验台结果就会发现变化（有时会常亮） ，经过资料查询，我发现这是由热释传感器的自身参数与性能引起的，不同试验台位置不同，温度不同，电源电压也有细微差距， （主要是影响红外分布）导致结果不同。4.2 系统最终演示效果和所实现的功能输如图 4.2.1 是第一级放大电路的输出：（输入信号幅度为 10mV,频率为 1Hz）图 4.2.1由波形可得第一级放大倍数为 117 倍，接近设计倍数（120）输出波形频率接近 1Hz如图 4.2.2 是第二级放大电路的输出：（输入信号幅度为 10mV,频率为 1Hz）14图 4.2.2由波形可得第二级放大倍数为 2 倍左右，符合设计倍数（2）输出波形频率接近
14、 1Hz如图 4.2.3 是参考电压波形图，可以看出参考电压在 2V 左右图 4.2.315如图 4.2.4 是单稳触发器输出电平（高电平 4V 左右，低电平接近 0V）图 4.2.4如图 4.2.5 是已经搭建完成并调试成功的系统电路图：在调试过程中我是用笔帽盖住光敏电阻，模拟出黑夜的环境，当我的手从 PIR 上方或者周围经过时，LED 灯点亮，手离开大约 10 秒后 LED 灯熄灭，在 LED 点亮时拿开笔帽，LED 灯熄灭，基本完成了实验要求。第五章 实验总结与结论165.1 电路搭建方面总结：电路搭建用电阻时一定要确认阻值，不然在后期调试纠错时将遇到巨大的问题，而且十分难以发现，这是比
15、联线错误更加隐匿的错误。第二，在电路连接时，最后把接电源的线与地线分别用两种颜色的线（红和黑） ，内部电路连接可以每一部分用一种颜色，这样电路结构就十分清晰，也便于后期的调试与纠错；5.2 电路调试方面总结：电路调试要分模块，从电路结构入手，如果系统的结果与预期相差甚远，则分模块入手，从前到后，一处输出就可以有一处调测，这样能很精确地判断错误所在，另外应当充分利用实验仪器，例如示波器。5.3 实验结论：根据实验原本提供的电路图和原理简述，并结合实验的要求，我通过计算得到了具体电阻、电容的参数值，然后通过仿真，电路搭建与调试完成了本实验的电路，并实现了所要求的基本功能。5.4 心得体会：（1）关
16、于选题，选择自己感兴趣的题目，因为一个感兴趣的问题将是做实验源源不断的动力。尽管红外感应灯自动控制电路不像其他题目在网上有大量的资料，大部分问题还需要靠自己摸索，但是因为对红外感应自动控制这样一个实用电路感兴趣，也觉得与自己的学院能挂上关系，毕竟与光同行！然后能静下心来，一步一步自己摸索出来。（2）关于操作，必须要提的是电路首先需要按照设计图正确的搭出来，当实验出不来的时候，检查了半天发现是某一个管脚接错或者电阻阻值用错，是非常懊恼的，这样的低级错误既伤神又耗时间，所以第一步是要把电路搭对了。（真的是有血的教训）（3）关于调试，电脑仿真和实际电路还是有一定的区别的，仿真能出来，实际模拟电路不一
17、定出的来，这样就需要静下心来，仔细分析问题产生的原因，一级一级的检查。（4）关于交流，遇到暂时无法解决的问题，要及时与别人沟通请教。及时的沟通可以加快实验的进程，也便于弄清楚一些复杂的实验问题。第六章 实验元件和仪器资料6.1 实验元件6.1.1 热释红外感应传感器 PIR:工作原理：人体都有恒定的体温，一般在 37 度，所以会发出特定波长 10UM 左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的 10UM 左右的红外线而进行工作的。人体发射的 10UM 左右的红外线通过菲涅尔滤光片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
18、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。热释电效应：当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷。这种由于热变化而产生的电极化现象称为热释电效应。菲涅尔透镜：根据菲涅尔原理制成，菲涅尔透镜分为折射式和反射式两种形式，其作用一是聚焦作用，将热释的红外信号折射（反射）在 PIR 上；二是将检测区内分为若干个明区和暗区，使进入检测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17产生变化电信号。使热释电人体红外传感器(PIR)灵敏度大大增加。模块参数：1.工作电压：DC5V 至 20V2.静态功耗：65 微安3.电平输出：高 3
19、.3V，低 0V4.延时时间：可调(0.3 秒18 秒)5.封锁时间：0.2 秒模块特性：1、这种探头是以探测人体辐射为目标的。所以热释电元件对波长为 10UM 左右的红外辐射必须非常敏感。2、为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。3、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。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。4、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
20、电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。5、菲涅尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距(感应距离)，从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。6.1.2 集成运放 LM35818LM358 引脚图LM358 简介LM358 是双运算放大器。内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作.LM358 特性直流电压增益高(约 100dB) 。 单位增益频带宽(约 1MHz) 。 电源电压范围宽：单电源(330V)；双电源(1.5 一15V) 。 低功耗电流，适合于电池供电。 低输入失调电压和失调电流。 共模输入电压范围宽，包括接
21、地。 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围。 输出电压摆幅大（0 至 Vcc-1.5V) 。LM358 参数输入偏置电流 45 nA输入失调电流 50 nA输入失调电压 2.9mV输入共模电压最大值 VCC1.5 V共模抑制比 80dB电源抑制比 100dB 6.1.3 光敏电阻19光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器。主要用于光的测量、光的控制、和光电转换。如图：光敏电阻器都制成薄片结构，以便能够吸收更多的光能。该类电阻器的特点是入射光越强，电阻值就越小，入射光越弱，电阻值就越大。如声控灯中采用了光敏电阻器作为白天控制灯光的装置。结构：通常由光敏层、玻
22、璃基片（或树枝防潮膜）和电极等组成的。特性：光敏电阻器是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感，它的电阻值能随着外界光照强弱（明暗）变化而变化。它在无光照射时，成高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小。6.1.4 NE555 定时器555 集成时基电路称为集成定时器，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，其应用十分广泛。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。它的内部电压标准使用了三个 5K 的电阻，故取名 555 电路。其电路类型有双极型和 CMOS 型两大类，两者的工作原理和结构相似。几
23、乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是 555 或 556；所有的CMOS 产品型号最后四位数码都是 7555 或 7556，两者的逻辑功能和引脚排列完全相同，易于互换。555 和 7555 是单定时器，556 和 7556 是双定时器。双极型的电压是+5V+15V，输出的最大电流可达 200mA，CMOS 型的电源电压是+3V+18V。555 定时器内部框图20555 电路的内部电路方框图所示。它含有两个电压比较器，一个基本 RS 触发器，一个放电开关 T，比较器的参考电压由三只 5K 的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1 同相比较端和低电平比较器 A2 的反相输入端的参考电平为
24、和 。A1 和 A2的输出端控制 RS 触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过 时，触发器复位，555 的输出端 3 脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自 2 脚输入并低于 时，触发器置位，555 的 3 脚输出高电平，同时放电，开关管截止。是复位端，当其为 0 时，555 输出低电平。平时该端开路或接 VCC。Vc 是控制电压端（5 脚），平时输出 作为比较器 A1 的参考电平，当 5 脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个 0.01uf 的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。T 为放电管，当 T 导通时，将给接于脚 7 的电容器提供低阻放电电路。6.2 实验仪器（1）直流稳压电源；（2）双路示波器；（3）函数发生器；（4）万用表。第七章 参考书籍及资料1刘宝玲，电子电路基础，高等教育出版社；2陈凌霄、张晓磊，电子电路测量与设计实验，北京邮电大学出版社；3部分元件的参数与原理来源于百度百科。
