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如何设计86盒型自动感应开关电路方案?

2020-7-28 13:47:48 显示全部楼层
工程师,解密86盒型自动感应开关产品的电路设计方案

来源:芯片哥 今日头条

86盒型自动感应开关,作为一种新型的智能开关,它被应用在楼道的灯光控制;为了更好的节约电能,避免浪费,防止由于忘记关闭开关而使开关驱动的负载,比如灯泡一直在工作消耗电能,将由原来的传统墙壁手动开关,技术升级到自动感应型,省去了人体的手动打开和关闭操作。
物理工作原理工程师可能会问,电路方案的开发,当然是理解项目的电路工作原理,怎么会是项目的物理工作原理呢?要知道,电路的特性本质是物理现象,它是物理规律的外在表象而已。
传统的86盒型开关,控制电灯泡负载;如果安装在小区的楼道或者是商务楼的楼道,当开关闭合的时候,电灯泡发光;当开关打开的时候,电灯泡熄灭;
假如在漆黑的夜晚,楼道一片黑暗,人行走穿过的时候,必须开启开关,使电灯泡发光,用以照亮周围的环境;关键的问题是在人离开楼道的时候,可能会忘记关闭开关,使得电灯泡一直工作发光,浪费了电能;
这类现象的解决方案之一便是改良优化之前的开关电路设计,优化成自动开启和关闭电灯泡,实现当楼道有人经过的时候,电灯泡自动发光;当楼道无人的时候,电灯泡自动熄灭;
楼道感应开关示意图

工程师,该如何去设计它的电路方案呢?
产品电路方案设计的关键是如何去判断楼道有人还是没人怎么去检测有人还是没人这两种状态?
物理工作原理:任何有温度的物体,都能对外产生红外光谱的热辐射,并且温度低于1725℃的物体,产生的热辐射光谱主要集中在红外区域;温度不同,对外辐射的红外光谱波长也不同;例如,人体的温度约为37℃,对外辐射的红外光谱波长约为10um。
正是基于这个物理工作原理,工程师可以设计相应的电路检测人体的有无。当电路能检测到周围的环境有10um的辐射红外波长,则判断环境中有人体;当电路检测到周围的环境没有10um的辐射红外波长,则判断环境中没有人体;
这个是86盒型自动感应开关设计的物理工作原理。
项目电路设计方案工程师分析完86盒型自动感应开关的物理工作原理后,接下来的工作便是找到匹配的电路设计方案去实现。
选用什么电路方案能检测人体辐射的红外波长呢?得好好思考一下,呵呵~~~
不用问芯片哥是怎么知道的,也不用问芯片哥是如何发现的?因为芯片哥,所以芯片哥,自恋一下,哈哈哈哈~~~
就好像一对热恋中的情侣正在耳边互相说悄悄话,难道还会有人去打听他们在说什么话吗?呵呵呵呵~~~
PIR热释电红外传感器就是解决这类问题的。
PIR热释电传感器原理

当有人在PIR热释电红外传感器探测区域,人体辐射的红外波长被PIR热释电传感器吸收,此时传感器内部因为温度有变化,就会失去原来的电荷平衡,对外就会输出一个电压信号;假如没有探测到人体,PIR热释电传感器会因为电荷平衡,不会对外输出电压信号。
PIR热释电传感器

PIR热释电传感器由三个引脚G、S和D组成,其中G引脚接地GND,D引脚接电源VDD,S引脚为信号的输出。
为了更好地检测人体发出的10um红外波长,一般在PIR热释电传感器表面覆盖菲涅尔滤光片,滤除除去10um以外的其他波长光谱,只能检测人体辐射的10um红外波长。
菲涅尔滤光片

这就解释了为什么在86盒型自动感应开关产品上有个凸起的小球了,它就是菲涅尔滤光片。
86盒型自动感应开关

工程师选择了PIR热释电传感器检测人体的有无,具体该怎么去设计它的具体检测详细电路呢?
首先,PIR热释电传感器输出的电压信号,是一个微弱的模拟量,需要高精度的ADC采集能力方可捕获到;据此,芯片哥采用专用适合PIR热释电传感器的单片机SD4101,它内部就集成了24位高精度的ADC采集功能,非常适合此类项目。
设计的电路原理图参照如下
86盒型自动感应开关电路原理图

为了降低成本以及减小继电器占用空间大的问题,工程师可以选择可控硅代替继电器
在电路原理图,左边为PIR热释电传感器,负责检测人体;PIR热释电传感器输出的信号通过下拉电阻分压送入SD4101单片机的24位高精度ADC采集端口,经处理计算后,驱动三极管Q1,使得继电器控制电灯泡的亮与灭。
这个电路设计方案,实现了人体的检测功能,能完成在漆黑的夜晚,楼道的电灯泡在有人的条件下发光,在无人的条件下自动熄灭;
然而,工程师可能会认为项目电路设计到此就可以结束了,可以End了。芯片哥只能说“you are too young and too simple”~~~
这个电路设计方案是有缺陷的,离最终的量产产品还存在一些距离。比如它在白天,电灯泡该怎么去工作呢?是亮还是灭还是什么状态?
显然,按照楼道的电灯泡实际功能要求,在白天的时候,无论是有人还是无人,电灯泡是需要保持熄灭的状态。
工程师该怎么去完善电路设计方案呢?怎么去实现白天的功能呢?
引入光敏电阻,作为检测白天与黑夜的传感器,用以判断楼道电灯泡是处于白天还是黑夜的状态。新的问题来了,什么是光敏电阻,它的电路特性是什么?
光敏电阻

光敏电阻,简而言之,它与普通电阻最大的区别在于组成的材料不同。光敏电阻是由特殊材料,如硫化镉制作而成,普通电阻是由其他金属材料,如金属氧化膜制作而成。
由于硫化镉的特殊性能,光敏电阻的阻值是随着光照的强度增大而减小的。也就是说光敏电阻在白天的时候阻值是要小于黑夜时候的阻值。
光敏电阻ADC采集应用电路图

工程师可以按照光敏电阻的电路特性,参照应用电路图,就可以设计检测楼道的白天与黑夜区别了,完善了项目产品的设计方案,解决了电路的缺陷。
电路功能测试设计完项目产品的电路方案后,工程师剩下的工作就是功能的实际测试与验证。对于86盒型自动感应开关产品,怎么去做测试验证呢?
这还得回到86盒型自动感应开关产品的功能指标参数中,第一个关键参数是人体的自动感应,第二个关键参数是白天与黑夜的识别,第三个关键参数是电灯泡驱动的亮与灭等等。
86盒型感应开关PCBA

PIR热释电传感器与光敏电阻

  • 人体自动感应,这个功能的测试主要是验证PIR热释电传感器以及菲涅尔滤光片对人体发出的10um红外光检测灵敏度,其中包含检测的视角角度。
  • 白天与黑夜识别,这个功能的测试主要是验证光敏电阻的精度以及软件ADC采集的阀值设定。工程师根据实际的测试结果,设定一个合理的采集阀值,当光敏电阻采集的ADC值超过软件设计的阀值,则判定为黑夜,否则判定为白天。
  • 电灯泡的亮灭,这个功能的测试主要是验证单片机的软件程序以及电路所选用的芯片功能,如可控硅驱动电路和AC-DC电源电路等等。
只有经过反复的测试验证,得到的反馈结果无问题后,工程师才会认可与接受之前的电路设计方案,承认它的正确性与可靠性。


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