北邮红外感应照明灯自动控制电路实验报告

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：XXXXXXXXXXXXXX2018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--------------------------------------------------72.3.4555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----------------------------------------------------------176.1.4NE555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NipUUU1RUINi故有ifNofIRUUI则ifoURRU)1(1即闭环电压放大倍数为11RRUUAfioufUo与Ui是比例关系，改变比例系数，即改变Rf／R1，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。72.3.3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0～t1时，VAVB；在t1～t2时，VBVA；在t2～t3时，VAVB。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。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8Vout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，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：2.3.4555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）9实际参数设计：10第三章电路仿真3.1前两级放大电路仿真3.1.1第一级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。113.2电压比较模块仿真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。12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1Hz13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）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4.2.314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