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一種紅外感應與來電斷電節(jié)能開關的設計
發(fā)布時間：2023-05-28 00:00:00 瀏覽：1173次
1.引言
功能型開關在人們的生產和生活中起著重要作用。在市面上各類自動斷電開關和聲控開關以及紅外感應開關比較廣泛。
目前關于來電斷電開關的研究涉及主要兩個方面：一是直接利用開關的串并聯關系再加上繼電器的作用實現停電后來電自動斷電功能，該方案成本較低，但是開關體積較大；二是運用數字電路進行編程實現自動斷電，開關性能穩(wěn)定，體積較小，但成本較高。國內外對紅外感應開關的研究比較成熟，一般采用BISS0001、CSC9803等芯片來處理接收的紅外感應信號，這些芯片功能強大但芯片管腳較多、外圍電路接法比較復雜。雖然以上兩種開關在國內都已經有了一些相關的發(fā)明專利，但目前尚沒出現將兩種功能結合的節(jié)能開關。于是我們設計出了一種集上述兩種開關功能于一身的紅外線來電斷電自動節(jié)能開關，利用兩個串聯的繼電器實現來電斷電功能，并用LM324芯片處理紅外感應信號，使得開關體積較小、成本較低；填補國內在這一領域的空白，響應節(jié)能號召。這種開關可以用在學生寢室、家庭等場所。
2.電路原理圖及設計
該開關功能實現的框圖如圖1所示。
圖1 開關功能實現框圖
該開關的整體設計思路是用低電壓（5v）控制高壓（220v）部分，而低電壓是由高電壓經變壓處理而得到。該開關主要由電源部分、紅外感應控制部分和繼電器控制部分等部分組成。該開關的電路原理圖如圖2所示。
圖2 開關原理圖
（1）電源部分的設計
在圖2中220V交流電經變壓線圈輸出12V交流電壓經IN4001組成的橋式整流電路整流，之后經過1000uf電容濾波，再經7805穩(wěn)壓最終在電容C2兩端得到5V的穩(wěn)定電壓。
而這個5V的穩(wěn)定電壓可以為紅外感應信號控制部分提供工作電壓。
（2）紅外感應頭部分
圖2中LHI907為熱釋電（焦電）人體紅外感應頭。人體發(fā)射的10um左右的紅外線到達熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，。該傳感器本身不發(fā)任何類型的輻射，器件功耗很小，隱蔽性好，價格低廉。紅外線熱釋電傳感器對人體的敏感程度還和人的運動方向關系很大。紅外線熱釋電傳感器對于徑向移動反應最不敏感，而對于橫切方向移動則最為敏感，其只可以檢測移動的人體。
（3）紅外感應信號的處理
LHI907的S端信號輸入集成運算放大器LM324中的3號管腳，其內部的前兩個運算放大器的負反饋放大作用把信號放大約100倍，再經10號管腳輸入另一個運算放大器進行電壓比較。當沒有人時8腳輸出高電平，當有人時8腳輸出低電平，之后接入13管腳經運算放大器進行RC延時。當8腳為高電平時，13腳為高電平，經運放4的電壓比較在14端輸出低電平，當8腳輸出為低電平時，電容C7經過IN4001放電，此時13腳為低電平，14腳為高電平，之后8腳立刻變回高電平，此時電源向C7充電，13腳依然為低電平，充電結束后，13腳變成高電平，14腳變?yōu)榈碗娖?。此延時功能試驗測得約為30秒，在此期間若有人體活動和刷新延時時間。這個延時設計就解決了熱釋電傳感器只能感測人體移動的問題，從而延長了輸出信號的時間，可以根據不同的場合調整C7的大小達到不同的延時時間。
（4）繼電器控制部分
圖2中K1、K2為常開繼電器，由于電源部分為高壓交流電，控制部分為低壓直流電，圖中三極管采用9014，其作用是通過LM324的14管腳的輸入信號控制繼電器K2工作狀態(tài)，由于14管腳的信號無法直接驅動K2工作所以9014設計還是很有必要的。
（5）開關的外圍電路
圖3中的節(jié)點P1、P2、P3、P4對應接圖2中的P1、P2、P3、P4節(jié)點，這樣開關就可以控制燈泡的熄和滅狀態(tài)，從而達到節(jié)能的目的。
圖3 開關外圍電路
3.整體電路工作原理
A狀態(tài)：當電路連線正確時且正常工作時，開關連接到LHI907的D端，繼電器K1工作，使觸點接通，此時電源為人體紅外感應電路供電，紅外感應正常工作，可以通過檢測有無人來控制繼電器K2動作。此時手動開關SW動作一次可直接切斷紅外感應的電源部分，從而無條件終止繼電器K2工作，再次動作一次SW，可切換到紅外監(jiān)測狀態(tài)。
B狀態(tài)：當工作狀態(tài)下斷點，繼電器K1停止工作，再次來電，繼電器K1切斷了9014三極管集電極的供電，故繼電器K2不工作，當SW動作一次，K1工作，實現繼電器的自保功能，再次動作SW，可回到A中的工作狀態(tài)。從而實現了人離燈滅、停電后來電自動斷電的功能，達到了節(jié)約電能的作用。
4.結果分析
做出實際電路并測得開關在各狀態(tài)下燈泡的工作情況如表1所示：
所以整個開關實現了“人離燈滅，人來燈亮”和在斷電后自動斷開的功能。
5.結語
本文設計出了一種新型開關——把常見的人體紅外感應開關和來電斷電開關的功能結合的開關。目前國內還沒有生產過有這種開關功能的開關，它的制作成本也較低，運用前景較好；既可以用于學生宿舍，又可用于家庭、辦公場所等地方，安裝方便。通過大量的實踐使用證明，只要紅外感應頭的安裝位置合適，該開關就能正常可靠的工作，起到節(jié)能與斷電保護的作用。
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