CN203399337U - 基于热释电的开关 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于热释电的开关，包括：光采集模块，用于采集环境光照强度；热释电红外传感器，用于采集周围红外辐射；以及逻辑运算控制单元，输入端口连接所述光采集模块和所述热释电红外传感器，以根据所获取的输入信号输出控制楼道灯。依据本实用新型节能降耗，且对人民的生活影响比较低。

Description

基于热释电的开关

技术领域

本实用新型涉及一种开关，用于控制楼道灯。

背景技术

声控开关，全称是声控延时开关，是一种内无接触点，在特定环境光线下采用声响效果激发拾音器进行声电转换来控制用电器的开启，并经过延时后能自动断开电源的节能电子开关。

现有声控开关一般集成有光敏控制部分，当白天或者亮度大于一定程度的时候，光敏电阻的阻值非常的小，这样对于光敏的支路来说，相当于直接接地，则相当于将后面的电路和前面的电路隔离开来。当黑暗无光的情况下，光敏电阻呈现高阻值状态。此时，声控的部分才能够发挥作用。

不过当前使用的声控开关大多是采用模拟电子技术进行设计，分立元件比较多，受温度等环境因素影响比较大，可靠性相对比较差，而且由于电路做频繁的开关，加之启动电流非常大，导致功率元件可控硅由过载到损坏。许多声控开关的平均使用寿命相对比较短，给居民的生活带来许多的不便。

另一方面，声控开关由于延时关闭特点，相关人员不得不采用如跺脚等方式激发声控开关，容易产生不断启动的问题，由此连续启动状态下的一种能源的浪费，并延及灯泡的使用寿命，而由声控所必须得声音，如跺脚声等噪声，不可避免的会给人民的生活带来很多的不便。

发明内容

因此，本实用新型的目的在于提供一种基于热释电的开关，用于取代声控开关，节能降耗，且对人民的生活影响比较低。

本实用新型采用的技术方案为：

一种基于热释电的开关，包括：

光采集模块，用于采集环境光照强度；

热释电红外传感器，用于采集周围红外辐射；以及

逻辑运算控制单元，输入端口连接所述光采集模块和所述热释电红外传感器，以根据所获取的输入信号输出控制楼道灯。

原理性说明：热释电传感器规范上又被称为人体红外传感器，基于压电陶瓷类电介质在电极化后能保持极化状态， 称为自发极化。自发极化随温度升高而减小， 在居里点温度降为零。因此，当这种材料受到红外辐射而温度升高时， 表面电荷将减少，相当于释放了一部分电荷，故称为热释电。将释放的电荷经放大器可转换为电压输出。这就是热释电传感器的工作原理。

从而从以上结构可以看出，使用热释电红外传感器取代声控开关，使得楼道灯不再为外部声音所驱动，而该有人体散发的红外辐射所驱动，那么当一直有人存在时，红外辐射就一直存在，使得楼道灯处于灯亮的状态；反之，当没有特定波段的红外辐射存在时，楼道灯就不会被点亮。这种控制方式相比于声控具有比较明显的优势，因此，基于本实用新型其具有以下优点，首先是不会为外源性声音所影响，如雷声，并且不会产生延时灯灭的问题，从而不会产生相关人员频繁使用声音进行驱动的状况，因而具有更长的使用寿命，且不会产生更多的噪音。 

上述基于热释电的开关，所述逻辑运算控制单元的输出为继电器输出。

上述基于热释电的开关，所述逻辑运算控制单元为AT89S52单片机。

上述基于热释电的开关，还包括连接于所述逻辑运算控制单元输出端口的语音报警模块。

上述基于热释电的开关，所述热释电红外传感器的场效应管接成源极跟随器，以与后级的放大器输入端阻抗匹配。

上述基于热释电的开关，所述热释电红外传感器的传感器顶端开设有装有匹配人体红外辐射红外线波长的滤光镜片的窗口。

上述基于热释电的开关，所述光采集模块配置有独立的电源。

附图说明

图1为一种热释电传感器及处理电路。

图2为热释电传感器及处理电路不可重复触发工作方式下的波形图。

图3为热释电传感器及处理电路可重复触发工作方式下的波形图。

图4为一种蜂鸣报警器的电路原理图。

图5为本实用新型的基于热释电开关的机械配置结构示意图。 

图6为依据本实用新型的基于热释电开关的驱动原理框图。

图7为继电器输出的原理图。

图8为开关控制流程图。

具体实施方式

按照节能减排的构想，以AT89S52单片机控制为例进行说明，应用光控传感器、红外传感器和烟雾传感器及语音模块分别实现自动控制楼道灯开关照明和安全报警功能。

热释电红外传感器因其独特的对活动人体的检测能力，已经在节能和安防领域得到广泛应用，是未来节能重要的发展方向。以单片机为控制核心，采用光敏传感器采集环境光强参数,热释电红外传感器检测有无人员在受控范围内活动。本设计在实现基本功能的同时加了楼道烟雾报警，并且采用的是继电器来控制楼道灯与电源之间的连接，弱电制强电，实现220V输入。总之在未来节能领域应用将会很广泛。

在电气控制方面：

1）以单片机控制为例进行说明，单片机技术已经相当成熟，未来的发展方向趋向于运用单片机可以设计出智能型的声控开关，电路设计好后，运用软件编程来实现其功能，灵活方便，修改简单。在使用过程中更加的安全节电，智能环保。采用AT89S52单片机作为控制。软件编程实现各种算法和逻辑控制，并具有功耗低、体积小、技术成熟等特点。

2）热释电效应器件：通常使用具有高输人阻抗的场效应管，因此，将其接成源极跟随器，使其变成低输出阻抗的控制信号，与放大器的输人端相匹配。热释电效应器件的输出电压一般都很小，因此后级处理电路必然含有放大电路。

如图1所示，芯片BIS0001是一种处理器，由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱（通常仅有1mV左右），而且是一个变化的信号，同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式，脉冲频率通常为0.1~10Hz，所以应对热释电红外传感器输出的电压信号进行放大，经过即成运算放大器LM324两极放大后获得足够的增益，输出信号给专用红外传感器信号单元电路。

如前所述，由于热释电传感器输出的信号频率带宽比较窄，可以通过带通滤波器进行滤波，使所获得的信号更具有代表性。

图2所示为不可重复触发工作方式下的波形图。信号放大器传出后的信号经红外传感信号处理器BIS0001中的运算放大器OP1组成传感信号预处理电路，将信号放大。然后耦合给运算放大器OP2，再进行第二级放大，同时将直流电位抬高为VM(≈0.5VDD)后，将输出信号V2送到由比较器COP1和COP2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号Vs。

由于VH≈0.7VDD、VL≈0.3VDD，所以，当VDD=5V时，可有效抑制±1V的噪声干扰，提高***的可靠性。 COP3是一个条件比较器。当输入电压VcVR时，COP3输出为高电平，进入延时周期。 当A端接“0”电平时，在Tx时间内任何V2的变化都被忽略，直至Tx时间结束，即所谓不可重复触发工作方式。当Tx时间结束时，Vo下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期Ti。在Ti时间内，任何V2的变化都不能使Vo跳变为有效状态（高电平),可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。

图3所示的可重复触发工作方式下的波形， 可重复触发工作方式下的波形在Vc=“0”、A=“0”期间，信号Vs不能触发Vo为有效状态。在Vc=“1”、A=“1”时，Vs可重复触发Vo为有效状态，并可促使Vo在Tx周期内一直保持有效状态。在Tx时间内，只要Vs发生上跳变，则Vo将从Vs上跳变时刻起继续延长一个Tx周期；若Vs保持为“1”状态，则Vo一直保持有效状态；若Vs保持为“0”状态，则在Tx周期结束后Vo恢复为无效状态。

3）光传感器控制模块：由于比较常见，在此不再赘述，主要与热释电结合使用，通过检测光强实现白天与黑天区别。

4）烟雾传感器控制模块：本***使用AT89C51单片机，选用集成气体传感器作为敏感元件,通过气敏探头对可燃气体的检测，输出低电平送到单片机实现报警的功能，灵敏度高，可控范围大，且能正确识别现场气温。一旦有火警，立即启动语音做出反应。

5）报警器以蜂鸣报警器为例进行说明，如图4所示，单片机将根据报警响应时间对经信号处理电路处理过的数字信号进行采集处理，判断是否启动报警。若启动报警，则蜂鸣器响。

图5表示了机械集成结构，不代表信号走向，设计时考虑的主要问题使实现各个分离原件的集成，使楼道灯的功能更加强大。

本文以红外检测为主体，附之以报警功能的智能开关。它的检测灵敏，成本较低，适合楼道对灯的控制及报警检测，低碳，节能。

PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS数据获取器件。PCF8591的工作特性：

（1）单独供电；

（2）PCF8591的操作电压范围2.5V-6V；

（3）低待机电流；

（4）通过I2C总线串行输入/输出；

（5）8-bit逐次逼近A/D转换；

（6）通过1路模拟输出实现DAC增益。

关于红外检测：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。

烟雾检测的特点：（1）工作电压：直流5伏；

（2）具有信号输出指示；

（3）双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）；

（4）TTL输出有效信号为低电平。（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机）；

（5）模拟量输出0~5V电压，浓度越高电压越高。

关于***的工作原理，如图6所示，有图可见该***由电源、信号采集（由热释电红外传感器完成）、信号处理电路，弱电变强电部分。

如图7所示，弱电控制强电，采用的是继电器来控制楼道灯与电源之间的连接。

光信号采集：用PCF8591进行光信号采集，PCF8591上安有光敏电阻，可测定光强弱。并且该装置可将模拟信号转换成数字信号，将信号通过数码管显示出来。

热释电红外检测：本***采用热释电红外传感器 和专用集成电路制作的热释电红外线控制开关，它在检测到人体发射的红外传感器信号后接通，使负载语音报警模块通电工作。

在白天，光敏电阻器受光照射而呈低阻状态，热释电红外设置低电平，楼道灯不工作。夜晚，因无光照射而呈高阻状态，热释电红外传感器恢复为高电平，热释电红外控制开关通电，楼道灯工作。

对单片机进行定时编程，在11：00凌晨六点期间，启动语音模块。当有人进入时，热释电工作，楼道灯点亮，小偷的一举一动在监控室的屏幕上一览无遗。

该设计有效防止声控带来的耗电及发声的不便，且能够省电节能。除此以外，对于财产安全也起到一定保护作用。

烟雾传感器模块：通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警***。

基于以上说明，目前的声控开关大多都是应用模拟电子技术进行设计，分立元件多，不可靠，而且因为电路作频繁的开关，启动电流非常大，导致功率元件可控硅由过载而损坏，许多声控开关的平均使用寿命不长，而近年来热释电越来越越引起人们的重视，解决了声控设置需要到处声音不断启动，因在连续启动状态下的一种能量的浪费，及灯泡寿命，并且需要造出声音不断启动而造成噪声，也给人民的生活带来了很多不便之处。因此热释电红外传感器的应用大大节约了能量消耗。

随着现在科技的的进步电器越来越多因而防火成为了需要关注的问题，本设计恰恰可以满足人们对着方面的需求。本设计采用AT89S52单片机控制，应用光控传感器、红外传感器和烟雾传感器及语音模块以220V电压输出分别实现自动控制楼道灯开关照明和安全报警功能,与当今潮流节能主题密切相关，具有很好的发展前景。

如今单片机技术已经相当成熟，用未来的发展方向趋向于运用单片机可以设计出智能型的声控开关，电路设计好后，运软件编程来实现其功能，灵活方便，修改简单。在使用过程中更加的安全节电，智能环保。它具有以下优点：

（1）利用单片机作为中央处理器；

（2）具有光控功能，白天不亮灯，晚上有声音时亮灯；

（3）延时时间可调节；

（4）采用220V电压供电，避免了常用红外检测的单走线带来的麻烦；

（5）热释电红外传感器控制灯的亮灭，有效地节省电能，且在特定时间灯亮，说明有小偷进入，起到防盗的作用；

（6）所加的烟雾报警***可采集烟雾浓度，灵敏度较高；

（7）所设计的开关***应做到节能、智能、耐用、可靠性高以及维护方便。

（8）满足成本小功能大，节能环保，降低能耗，安全报警要求。

Claims (7)

1.一种基于热释电的开关，其特征在于，包括：

光采集模块，用于采集环境光照强度；

热释电红外传感器，用于采集周围红外辐射；以及

逻辑运算控制单元，输入端口连接所述光采集模块和所述热释电红外传感器，以根据所获取的输入信号输出控制楼道灯。

2.根据权利要求1所述的基于热释电的开关，其特征在于，所述逻辑运算控制单元的输出为继电器输出。

3.根据权利要求1或2所述的基于热释电的开关，其特征在于，所述逻辑运算控制单元为AT89S52单片机。

4.根据权利要求1所述的基于热释电的开关，其特征在于，还包括连接于所述逻辑运算控制单元输出端口的语音报警模块。

5.根据权利要求1所述的基于热释电的开关，其特征在于，所述热释电红外传感器的场效应管接成源极跟随器，以与后级的放大器输入端阻抗匹配。

6.根据权利要求1或5所述的基于热释电的开关，其特征在于，所述热释电红外传感器的传感器顶端开设有装有匹配人体红外辐射红外线波长的滤光镜片的窗口。

7.根据权利要求1所述的基于热释电的开关，其特征在于，所述光采集模块配置有独立的电源。

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