传感器技术

——基于热释电红外传感器的简单自动门开关设计

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前言

21世纪的今天，随着科技发展，让科技为人类生活服务的理念，被人类所重视。门亦是人类生活的一个细节。更好的服务门更加突出了安全理念，强调了有效性：有效地防范、通行、疏散，同时。还突出了建筑艺术的理念，强调门与建筑以及周围环境整体的协调、和谐。自动门大规模专业化生产已经有相当长的历史，在不断发展和完善的过程中，涌现出大批独具规模的专业制造商。门的高级形式--自动门起源在欧美，迅速发展至今天，已经形成了种类齐全、功能完善、造工精细的自动门家族。大中型公共场所，为这些建筑增添了亮丽、时尚的姿彩。自动门从理论上理解应该是门的使用 观念的延伸，是人们根据需要对门的功能的提升和完善。由于自动门在通电后可以实现无人看管，同时又可节约空调能源、防风、防尘、降低噪音，既方便又提高了建筑的档次，于是迅速在国内外的建筑市场上得到大范围的普及。同时也几乎成为了银行，写字楼，酒店等办公娱乐场所装修必不可少的一项配置。自动门的普及和应用，改变了人们的防护意识，提升了人们的安全观念。一个由专业厂生产、能提供较完善售后服务的自动门品牌。 自动平移门最常见的形式是自动门机及门内外两侧加雷达，当人走近自动门时，雷达感应到人的存在，给控制器一个开门信号，控制器通过驱动装置将门打开。当人通过门之后，再将门关闭。由于自动平移门在通电后可以实现无人管理，既方便又提高了建筑的档次，于是迅速在国内外建筑市场上得到大范围的普及。

目前市场上说售的自动门，纷繁复杂，原理各不相同，作为一个大学生，出于理论联系实际的目的，借课上所学电路和传感器知识设计一个简单的自动门开关系统。

系统方案设计：

1、         功能分析：

自动门功能简单，当有人需要进门时无需用手开门，而是人走到自动门前，自动门感应到人的存在，门自动打开，人进门后，几秒钟如果再无人进入门自动关上，当人多的时候门开的时间自动延时，避免人被夹住。

2、开关原理分析：

我们知道人体能够产生辐射的红外线，此红外线能够被红外线传感器所捕捉，本设计应用简单的电路原理，通过捕捉人体辐射的热红外信号并将之转化为电信号，通过放大电路放大，在输出端输出一个高电平，使电机正向转动，通过555定时器延时，经过一段时间，当无人经过时输出端返回低电平，电机反转，门自动关上。直到遇到下一个红外信号来临时，门再次自动打开。

3、设计方案流程图：

 

4、开关设计主要元器件选择：

4.1、热释电红外传感器

主要是由一种高热电系数的材料,由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。人体辐射的红外线中心波长为9~10--um，而探测元件的波长灵敏度在0.2~20--um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7~10--um，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。

4.2、555定时器

555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图 2.9.1 和图 2.9.2 所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3　

4.3、三端稳压管

三端稳压管属于集成电路，能将输出电压与内部的基准电压比较后驱动调整管调整到稳定的一个数值。

4.4、电解电容

三极管

二极管

电阻

5、实验相关原理及电路图：

5.1、信号放大部分：

自动门开关的放大部分是通过热释电红外传感器对外部人辐射的红外信号采集，并通过三极管把转化的电信号进行放大。

红外信号采集放大电路图

5.2、信号发大后延时部份：

3脚输出高电平，是电机正向转动，此时电源电压向c2充电，知道c2上电压上升到2/3Ec时，555定时器2脚复位，此时内部比较器翻转，3输出端恢复低电平通过C2与R5的充放电实现电路的延时。

                                                电信号延时电路

5.3、电路的整体部份：

     电路通过把常用的220v交流电经电容C6，R7降压，D2和D3整流稳压，C5滤波，变成定电压的直流电，在经三端稳压管进一步稳压，C4滤波形成稳定的低电压直流电源Ec供后续电路使用，在没有人走近门时，D1导通，R2经VD1与R4分压在2脚仍低于Ec/3，3脚为低电平，此时门处于关闭状态，当热释电红外传感器转化电路信号被放大后使得三极管处于导通状态，2输入端处于低电平低于E/3,555定时器内部处罚比较器翻转，进入准稳态，3脚输出一高电平，使得电机正向转动，此时555定时器放电端（7脚）内部开路。从而解除对电容C2的钳位。电源电压开始通过R5想C2上的电压经7脚对地迅速放电，输出端3脚恢复低电平，电动机反转门自动关上，电路一旦受到促发，在准问天期间，红外传感器有信号也不会起作用。

自动门控制开关整体电路

方案的不足：

本设计方案，通过简单的电路原理来对自动门开关进行设计，单从功能上讲，此设计实现功能单一，仅能实现简单的开关门设计，且可靠性能不高。其次，由于本设计中用到的是热释电红外传感器，这种传感器，反应慢，容易受各种热源、光源干扰 被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收。易受射频辐射的干扰。 环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。使得此自动门开关不一定理想。其次，本设计没有采用相关的，保护，报警电路，一旦发生外会造成夹伤的后果。本设计方案，仅利用了红外信号转化为电信号，控制高低电平的形式来控制电机运转，其中并没有涉及到电机怎样通过高低电平运转，转多久，怎样使其停止运转，这都是做开关必须考虑的问题，因此本设计方案有些片面且还不够完善。

结术语：

经过几周的奋战我的传感器课程设计终于完成了。在没有做此设计以前觉得课程设计只是对这门课所学知识的单纯总结，但是通过这次设计发现自己的看法有点太片面。课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的学习生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。 这次课程设计使我知道不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。

在此要感谢我的指导老师对我悉心的指导，感谢同学们给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。

参考文献

【1】 汪学典.电子技术基础实验[M]. 华中科技大学出版社.2006.08

【2】华中理工电子学教研室编，康华光主编：《电子技术基础》（模拟部分）（第四版），北京：高等教育出版社，1999年。

【3】华中理工电子学教研室编，康华光主编：《电子技术基础》（数字部分）（第四版），北京：高等教育出版社，20##年。

【4】郁有文主编：《传感器原理及工程应用》（第三版），北京：西安电子科技大学出版社，20##年。

【5】陈尔绍主编：《电子控制电路实例》电子技术，北京：高等教育出版社，1999年。