《红外感应开关的设计》专业课程设计分析

塔里木大学

2017届课程设计

《红外感应开关的设计》

课程设计说明书

学生姓名 学 号 所属学院 信息工程学院 专 业 计算机科学与技术 班 级 指导教师 教师职称

塔里木大学教务处制

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目录

摘要................................................................................................................................ 3

1.绪论...................................................................................................................... 4 2. 红外感应开关电路原理.................................................................................... 5 2.1红外感应开关电路图 ..................................................................................... 5 2.2元件图表 .......................................................................................................... 6 2.3注意事项：....................................................................................................... 6 3.1红外光波谱....................................................................................................... 7 3.2 红外收发系统.................................................................................................. 7 4.红外控制和传统开关控制的比较...................................................................... 8 4.1传统开关的缺陷............................................................................................... 8 4.2红外线感应开关的优势................................................................................... 8 4.3方案设计........................................................................................................... 8 5.设计调试.............................................................................................................. 9 5.1 调试前不加电源的检查.................................................................................. 9 5.2 静态检测与调试.............................................................................................. 9 5.3 动态检测与调试.............................................................................................. 9 6.CD4093单片机 ................................................................................................. 10 7. PCB板实体图 .................................................................................................. 11 8.总结.................................................................................................................... 12 9.致谢.................................................................................................................... 13 10.参考文献................................................................................................................. 14

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摘要

本文介绍了红外线感应开关的原理，采用红外探头将接收到的微弱信号加以放大，然后驱动继电器，制成红外感应开关。本开关能探测来自环境中物体的红外辐射，探测环境中存在感应到的物体，开关会自动开启。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，起到自动化的作用，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。

科技使人们的生活更美好。进入21世纪以来，科学技术不断地飞速发展，电子类技术更是不断地改变着人们的生活。从常见的手机到翱翔在太空的宇宙卫星，各种电子类产品是现代人们必不可少的工具，渗透在人们的日常生活中。

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。本课程设计主要通过红外线感应开关的制作，深入浅出地学习其设计，工作原理以及其工作环境、效率等，为日后进一步学习和以后工作学习奠定基础。

关键词：红外线 感应开关 自动化

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1.绪论

红外传感器是一种能检测物体发射的红外线而输出电信号的传感器。早在1938年，有人提出过利用电磁效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代，随着激光、红外技术的迅速发展，才又推动了对感应电效应的研究和对感应效应晶体的应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器，它可以作为红外激光的一种较理想的探测器。它目标正在被广泛的应用到各种自动化控制装置中。

以替代传统光源的节能环保光源。LED以其较之于传统照明光源所没有的优势，诸如较低的功率需求、较快的响应速度、绿色环保以及不断快速提高的发光效率等，成为目前我国今后照明系统发展的方向。基于目前国内国际形势，尤其是能源紧缺，智能照明必是以后照明系统的发展方向。智能照明将会使人们利用起来更加便利，改善家庭环境，不仅为建筑照明提供多种的艺术效果，而且使灯具控制和维护变得更为简单，而且具有可靠性高、安装布线容易。

智能化已经成为当今建筑发展的主流技术，涵盖从空调系统、消防系统到安全防范系统以及完善的计算机网络和通信系统。但是长期以来，智能照明在国内一直被忽视，大多数建筑物仍然沿用传统的照明控制方式，部分智能大厦采用楼宇自控（BA）系统来监控照明，但也只能实现简单的区域照明。相比之下，智能照明系统体现出强大的优越性，它在智能建筑中的应用越来越广泛。

智能照明系统在智能建筑中的应用效果如下： a. 改善工作环境，提高工作效率。

b. 可观的节能效果。智能照明控制系统使用了先进的电力电子技术，能对

大多数灯具进行智能调光。当室外光较强时，室内照度自动调暗，室外光较弱时，室内照度则自动调亮，使室内的照度始终保持在恒定值附近，从而能够充分利用自然光实现节能的目的。除此之外，智能照明的管理系统采用设置照明工作状态等方式，通过智能化管理实现节能。

c. 提高管理水平，减少维护费用。智能照明控制系统将普通照明人为的开

与关转换成了智能化管理，不仅使大楼的管理者能将其高素质的管理意识运用于照明控制系统中去，而且将大大减少大楼的运行维护费用，并带来较大的投资回报。

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2. 红外感应开关电路原理

功能特点：基于红外线感应技术的自动控制产品，当有物体进入开关感应范围时，专用传感器探测到人物体红外光谱的变化，开关自动接通负载。物体不离开且在活动，开关持续导通；物体离开后，开关延时自动关闭负载，亲切方便，安全节能。

具有探测功能：无触点电子开关，延长负载使用寿命。安装调试，因开关左右两侧比上下两侧的感应范围大，所以安装开关时，应使其正轴线与物体的运动方向尽量相垂直，这样可以达到最佳感应效果。安装好开关后加电，当红外感应开关探测到环境中物体运动，开关就会自动开启。

红外感应开关由红外发射电路和红外接收、控制电路组成。

2.1红外感应开关电路图

工作电压：12V

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2.2元件图表

元件名称 PCB板 CD4093直插 14脚IC插槽 KF301-2P接线座 12V继电器 1N4007二极管 1N4148二极管 3MM发光二极管 红色 940红外发射光（白色） 940红外接收管（黑色） 9012三极管 47UF25V电解电容 100UF25V电解电容 数量 1 1 1 2 1 2 3 1 1 1 4 1 1 元件名称 9013三极管 100欧 1W电阻 33欧 1W电阻 105蓝白电位器 1K电阻 10K电阻 22K电阻 82K电阻 220K电阻 5.1M电阻 10M电阻 104独石电容 数量 1 1 1 1 3 3 1 2 2 1 1 3

2.3注意事项：

对照原理图，印刷电路板及元件，整理元件清单分清各元件，不要急于动手。 1.电阻不分正、负极，但是注意电阻值；电容和发光二极管有极性，长正、短负，不要弄错。

2.一个焊点的焊接时间尽量控制在2秒内，力求做到不虚焊，短路，焊点圆润光滑。

3.认真分析电路，注意元器件的接放位置，认真构思电路，布好线路。 4.在进行元器件焊接时，要注意安全，防止烫伤。

5.调试时人体尽量远离感应区域，有时虽然人体不在模块的正前方，但是人体离模块太近时模块也能感应到，还有调试时人体不要触摸电路部分也会影响模块工作.

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3.1红外光波谱

通常，将电磁波波谱中间间隔为0.76到1000μm的波段曾称为红外光谱区。一般把红外光谱分为即近红外、中红外、中远红外和远红外区四个区域。

采用近红外光作为红外遥控的光源，其原因主要如下：

一般的接收用的光电二极管、光敏三极管大都采用硅半导体材料制作而成，这类管子对波长为780到1550nm的红外光的探测灵敏度最高。红外光发射器件，尤其是采用GaAs、AlGaAs等半导体材料制作的红外发光二极管，发射波长在880到1700nm范围内，这与硅光电接收器件的相应波长相匹配，使探测灵敏度高，提高了工作效率。

3.2 红外收发系统

a. 驱动方式

红外发光二极管是一种由PN结构成的注入电流型发光器件，在加上合适的正向偏置电压后，就可以发出一定波长的近红外光，投入到实践当中。驱动方式除直流电流驱动方式外，发光二极管还有交流电流驱动方式和脉动电流驱动方式等。

在红外遥控系统中，通常采用脉动电流驱动方式，即脉冲式红外光发射方式，而不采用恒定直流驱动方式，即平均发射方式， b. 红外接收系统的组成

红外光遥控接收系统主要由红外发射电路和红外接收电路组成。

在红外发射电路中，脉冲信号由波形发生器产生，经驱动级放大后驱动红外发光二极管，使红外发光二极管发射出一段等频率的红外光脉冲信号。

c． 红外遥控系统的控制方式

红外光遥控系统分为单通道红外遥控开关方式、单通道步进式红外遥控

方式、双光束红外遥控方式、多通道红外遥控方式。

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4.红外控制和传统开关控制的比较

4.1传统开关的缺陷

没有简单的方法实现全开全关的操作，离家前还得检查一遍是否所有的灯已经关闭，非常麻烦。双控开关布线复杂，更无法实现三控和多控。在装修好的房子里增加灯和开关，就会破坏装修，房间越大就越不方便。关灯原理不合乎节能的要求。因力，由于关灯不方便，造成关灯不及时而且浪费电，而不能像红外感应开关那么方便，只有更换灯泡才能解决问题。

4.2红外线感应开关的优势

集中控制和多种操作功能：在任何一个地方的终端均可控制不同地方的灯；或者是在不同地方的终端可以控制同一盏灯。开灯时，灯光由昏暗变明亮，关灯时，灯光由亮渐渐变暗，避免亮度的突然变化刺激人眼，给人眼一个缓冲，保护眼睛。而且避免大电流和高温的突变对灯丝的冲击，保护灯泡，延长使用寿命。

4.3方案设计

采用一种单通道的控制方式,此方式是最简洁的红外线遥控方式。执行机件可以是继电器或可控硅器件，达到控制对象开、关的目的。

下图给出了单通道红外感应控制开关电路的组成及控制原理：。

① 感应电路 信号放大电路 开关控制电路

红外发射 ② 单片机 开关控制 红外接收

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5.设计调试

控制电路板的安装与调试在整个电路的设计中占有重要位置，它是把理论付诸实践的过程，也是把纸面设计转变为实际产品的必经阶段。对试验阶段的电路板的安装一般有两种方式即焊接方式和面包板插接方式。使用面包板焊接更加方便，容易更换线路和器件，而且可以多次使用。本设计常用的调试仪器有：万用表、稳压电源、信号源等。

5.1 调试前不加电源的检查

对照电路图和实际线路检查连线是否正确，包括错接、少接、多接等；用万用表电阻档位检查焊接和接插口是否良好；元器件引脚之间有无短路，连接处有无接触不良，二极管、三极管、集成电路和电解电容的极性是否正确；电源供电包括极性、信号源连线是否正确；电源端对地是否存在短路（用万用表测量电阻）。 经过上述检查，我们发现我们所设计的电路存在错接和连接处不良接触的问题，经过细心的检查后，解决了上述的一些电路上的问题。

5.2 静态检测与调试

断开信号源，把经过准确测量的电源接入电路，用万用表电压档位监测电源电压，观察有无异常现象：如冒烟、异常气味、手摸元器件发烫，电源短路等，如发现异常情况，立即切断电源，排除故障。

我们的电路在此项测试中如无异常情况，接着我们又分别测量各关键点直流电压，如静态工作点、放大电路输入、输出端直流电压等是否在正常工作状态下，结果有个别电路不符，经过调整电路元器件参数、更换元器件，使电路最终工作在合适的工作状态。

5.3 动态检测与调试

动态调试是在静态调试的基础上进行的，调试的方法地在电路的输入端加上所需的信号源，并循着信号的注射逐级检测各有关点的波形、参数和性能指标是否满足设计要求，如必要，要对电路参数作进一步调整。发现问题，要设法找出原因，排除故障，继续进行。

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6.CD4093单片机

d4093由四个2输入端施密特触发器电路组成。每个电路均为在两输入端有斯密特触发功能的2输入与非门。每个门在信号的上升和下降沿的不同点开、关。上升电压(V P)T和下降电压(V N)之差定义为滞后电压 (△V T)。

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7. PCB板实体图

①正面板

②反面板

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8.总结

这篇设计详细介绍了基于单片机的红外感应开关的工作原理、基本结构；分析了红外感应技术的原理，清晰的总结出红外发射电路和接收电路的工作原理和技术要求。并针对其特点，采用感应信号放大方法，通过放大电路的构建，成功解决了信号微弱的问题。

其次，本设计在对现有红外感应技术的大量文献调研的基础上，提出了运用先进的单片机系统制作多功能红外感应开关，使其在原始控制开关的基础上，增加了更加智能化的感应控制的功能，使得本次设计的红外感应控制开关更加的具有实用性。

通过实验表明，在有效距离（实验室内）里我们成功的利用红外线感应来控制开关的闭合，电磁继电器随着红外感应的变化发出正常的声响。由于先前进行了严格的器件的挑选，整个红外感应控制器系统的灵敏度、测量精度、稳定性都有不错的表现，达到了本次设计的要求。

按照该流程设计电路若要设计出一个性能不错的电路，现在对于我们来说还有些困难，理论与实践并不是一味的互相吻合，它们往往会存在误差甚至让你无从琢磨和下手，这就需要我们用实践去证明它，只有如此，才能发现错误并有所收获，这正是我们为此而疯狂的目的。

当然，虽说事物本身具有相对性和绝对性，但仅此实验我觉得我们不能抱以绝对上的观念去看待，我们应该灵活对待，理论的电路设计图是我们在实践中的思路图，为了达到更好的实践效果才制作的，所以我们要学会分清实践与理论之间的差别，在实践中适当的对本次实验进行调整。

最后，由于时间和本人水平的制约，本设计可能还存在着某些不足之处！希望各位专家、学者和同学们给予指正，谢谢！

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9.致谢

经过一个星期的努力，我们在丛老师、张老师和杨老师的耐心帮助和指导下，加上我们自己的努力下终于完成了此次设计，并按设计要求实现了红外感应开关的各项功能。

通过这次设计使我们从中学到了很多课本上学不到的知识，了解到了红外感应开关的现状和发展趋势，并学会了用单片机开发产品的完整的过程，知道了科学技术对于我们生活是那么的重要。例如：有了红外感应开关，我们可以省下更多的时间去干更多的事，提高了我们的生活效率，使我们的生活变的更加简洁、轻松和愉快；明白了设计的概念，通过自己亲自去动手和调试我明白的实践的重要性。在画电路图、组装电路和焊接的过程中我们遇到了许多问题，老师教我们要学会先自己认真、仔细的分析实际操作中存在的问题。有的地方实在不懂，老师则一遍又一遍给我们讲解。在这期间，我学会了独立思考，自己动手处理问题，明白了理论结合实践的含义；同时也懂得了团队合作是很重要的，分工明确，认真处理好自己负责的部分，才能提高工作效率。只有齐心协力、团结一致才能把事情做好；我想这些在我们以后的工作中都是非常有用的。

通过这次课程设计，让我学到了许多，感触很深，有遇到难题时的一筹莫展，也有解决一道难题时的欣喜。理论融入实践中有时是并不是我们想象的那样简单，但我们必须学会去解决问题，这样我们才会发现，有许多知识是我们在书本上学不到的，实践对于我们来说是很重要的。

在这次设计中，丛老师、张老师和杨老师不厌其烦的给我们讲解问题、教我们如何修正错误和优化设计，在此表示衷心的感谢！！！

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10.参考文献

1. 童诗白、华成英 模拟电子技术I 高等教育出版社

2. 江月松 阎平 刘振玉.光电技术与实验[M] 北京理工大学出版社 3. 康华光. 电子技术基础[M]. 高等教育出版

4. 栾桂冬，张金铎，金欢阳．传感器及其应用[M].

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西安电子科技大学出版社

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