基于红外传感器的人体感应开关
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作者: 李忠良 李 青 关 明
[摘要]本文介绍了利用红外线对人体温度的感应对相应的开关进行控制的原理、结构以及意义。重点阐述了热释电红外线传感控制的原理。本开关能探测来自移动人体的红外辐射,只要人体进入探测区域,开关会自动开启。
[关键词]红外线 传感器 感应开关
一、引言
随着国家经济的飞速发展,我国已经成为世界上的能耗大国。能源的节约已引起国家的高度重视,所以建设节能型社会已成为国家发展的主要目标。然而在我们生活中经常会出现这样的情况,整间屋子中没有一个人或只有少部分人,但全部的灯都亮着。这严重违背了节约型社会的宗旨。因此人体感应开关的普及也就显得尤为重要了。
二、人体感应开关的设计
一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。人体感应开关就是利用人能辐射特定波长红外线的基本原理构成的。在触发人体感应开关时不需要人发出任何声音,而是人走过时身体向外界散发红外热量最终控制灯具的开启,当人离开后,经过一定时间的延时,自动熄灭。能够实现“人到灯亮,人走灯灭”的效果。
1.人体感应开关的结构及原理
人体感应开关主要由红外传感控制器、光感应电路、菲涅耳透镜及具有延时功能的可控硅触发电路等构成,集成电路内含热释电红外传感器、二级运算放大器、比较器、延时定时器、过零检测、驱动电路等构成。
人体感应开关可感应到人体的走近及远离,当有人进入监视区时,人体辐射出的7～9μm红外线,经菲涅耳透镜增频后被红外传感器接收,红外传感器检测人体移动引起的红外热能之变化并将它转换为电压量,通过二级选频放大比较输入到控制电路中,由控制电路输出过零脉冲触发双向可控硅导通。在白天或光线较亮时,光敏元件呈低阻状态,无触发电压输出,双向可控硅截止,电灯保持熄灭状态;夜间或光线较暗时,光敏元件呈高阻状态,导通权交付给输入端即红外传感控制器的输出端,此时如果有人进入监视区,触发双向可控硅导通,电灯通电发亮;当人体走出监视区时,触发可控硅的信号延时到设定的时间后关断可控硅,电灯熄灭,做到自动关闭。
2.菲涅耳透镜
为了提高热释电型红外传感器的接收灵敏度,通常备需要在传感器上加装菲涅耳透镜。菲涅耳透镜的工作原理是将移动物体或人体发射的红外线进入透镜,产生一个交替的“盲区”和“高灵敏度区”,同时又有聚焦的作用,使热释电人体红外传感器灵敏度大大增加。菲涅耳透镜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)在红外传感器上;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红外传感器上产生变化热释红外信号,这样红外传感器就能产生变化电信号,这样就产生光脉冲。透镜有很多盲区和高灵敏度区组成,则物体或人体的移动就会产生一系列的光脉冲而进入传感器,从而提高接收灵敏度。物体或人体移动的速度愈快,灵敏度愈高。
3.热释电红外线传感控制器
热释电红外线传感器能检测人或某些动物发射的红外线并转换成电信号输出。人体辐射的红外线中心波长为9-10um,而探测元件的波长灵敏度在0.2-20um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口,这个滤光片可通过光的波长范围为7-10um,正好适合于人体红外辐射的探测,而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收,这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。
当传感器监测范围内温度有ΔT的变化时,热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ,即在两电极之间产生一微弱电压ΔV。由于它的输出阻抗极高,所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷ΔQ会跟空气中的离子所结合而消失,当环境温度稳定不变时,ΔT=0,传感器无输出。当人体进入检测区时,因人体温度与环境温度有差别,产生ΔT,则有信号输出;若人体进入检测区后不动,则温度没有变化,传感器也没有输出,所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。
4.放大电路
放大电路的作用是把产生的微弱信号放大到一定的倍数以使控制电路更精确的控制。
5.控制电路
可控硅过零触发是对可控硅过零的通―断控制。当有人体进入检测区时,产生的微弱电压使可控硅导通,交流电源与负载接通,输出若干个周波电压以后,可控硅被关断,停止交流电压输出;经过一定周波数后,再使可控硅通,如此重复进行。通过改变导通时间对固定重复周期的比值,从而改变输出电压有效值的大小。当没有人体进入检测区,则没有电压使可控硅导通,则灯不亮。
三、结束语
该设计可作为企业、宾馆、商场及住宅的走廊、楼梯、电梯间、卫生间、库房等处的自动开关,起到“人来灯自亮,人走灯自灭”的作用,既新颖方便,又节约用电,在某些场所还能起到威慑盗窃活动的防范作用。本设计结构简单,本身不发任何类型的辐射,器件功耗很小,价格低廉,隐蔽性好,应用范围广,所以可以通过扩展而达到实际的应用。
参考文献:
[1]康华光.电子技术(模拟部分).高等教育出版社.
[2]童敏明,唐守峰.检测与技术转换技术.中国矿业大学出版社.
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