基于熱釋電式高效節(jié)能開關(guān)的設(shè)計*

郭洪巖　陳慶東　馬國利

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基于熱釋電式高效節(jié)能開關(guān)的設(shè)計*

郭洪巖陳慶東馬國利

摘 要：本設(shè)計按照節(jié)能減排的構(gòu)想，采用AT89S52單片機控制，應(yīng)用光控傳感器、紅外傳感器、煙霧傳感器及語音模塊分別實現(xiàn)自動控制樓道燈開關(guān)照明和安全報警功能． 當(dāng)變壓器次級加上二極管后，其初次級間電流比還與匝數(shù)成反比嗎？次級線圈的有效值究竟應(yīng)該怎樣算？交流儀表的測量值一定是有效值嗎？文章對這3個問題進行了探究與分析，并總結(jié)出相關(guān)結(jié)論．

關(guān)鍵詞：AT89S52PCF8591紅外傳感器煙霧傳感器蜂鳴器 原題探究思考總結(jié)

當(dāng)今社會的主潮流是：降低能耗，節(jié)約能源，注重環(huán)保．近年來熱釋電越來越引起人們的重視，傳統(tǒng)的聲控設(shè)備在檢測到聲音后不斷啟動，連續(xù)啟動造成了能量的浪費，并且需要造出聲音才能啟動，這種聲音又造成噪聲，也給人民的生活帶來了很多不便之處．隨著現(xiàn)在科技的進步,電器越來越多,因而防火成為了需要關(guān)注的問題，本設(shè)計恰恰可以滿足人們對這方面的需求．

本設(shè)計采用AT89S52單片機控制，應(yīng)用光控傳感器、紅外傳感器和煙霧傳感器及語音模塊，以220V電壓輸出，分別實現(xiàn)自動控制樓道燈開關(guān)照明和安全報警功能.與當(dāng)今潮流節(jié)能主題密切相關(guān)，具有很好的發(fā)展前景．

1設(shè)計方案

1.1系統(tǒng)整體設(shè)計方案

設(shè)計時考慮的主要問題是實現(xiàn)各個分離元件的集成，使樓道燈的功能更加強大．整體設(shè)計構(gòu)成如圖1所示．

圖1　系統(tǒng)整體設(shè)計原理圖

1.2系統(tǒng)硬件部分簡介

(1)單片機控制模塊

采用AT89S52單片機作為控制．軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，具有功耗低、體積小、技術(shù)成熟等特點．

(2)熱釋電效應(yīng)

通常使用具有高輸入阻抗的場效應(yīng)管，將其接成源極跟隨器，使其變成低輸出阻抗的控制信號，與放大器的輸入端相匹配，熱釋電傳感器及處理電路見圖2．

圖2　熱釋電傳感器及處理電路

圖3所示的不可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形[1]．首先，根據(jù)實際需要，利用運算放大器OP1組成傳感信號預(yù)處理電路，將信號放大．然后耦合給運算放大器OP2，再進行第二級放大，同時將直流電位抬高為VM(≈0.5VDD)后，將輸出信號V2送到由比較器COP1和COP2組成的雙向鑒幅器，檢出有效觸發(fā)信號VS．由于VH≈0.7VDD、VL≈0.3VDD，所以，當(dāng)VDD=5V時，可有效抑制±1V的噪聲干擾，提高系統(tǒng)的可靠性．COP3是一個條件比較器．當(dāng)輸入電壓Vc=VR時，COP3輸出為高電平，進入延時周期． 當(dāng)A端接“0”電平時，在Tx時間內(nèi)任何V2的變化都被忽略，直至Tx時間結(jié)束，即所謂不可重復(fù)觸發(fā)工作方式．當(dāng)Tx時間結(jié)束時，V0下跳回低電平，同時啟動封鎖時間定時器而進入封鎖周期Ti．在Ti時間內(nèi)，任何V2的變化都不能使V0跳變?yōu)橛行顟B(tài)(高電平),可有效抑制負(fù)載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾．

圖3　不可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形圖

圖4　可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形圖

圖4所示的可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形， 可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形在Vc=“0”、A=“0”期間，信號Vs不能觸發(fā)V0為有效狀態(tài)．在Vc=“1”、A=“1”時，Vs可重復(fù)觸發(fā)V0為有效狀態(tài)，并可促使V0在Tx周期內(nèi)一直保持有效狀態(tài)．在Tx時間內(nèi)，只要Vs發(fā)生上跳變，則V0將從Vs上跳變時刻起繼續(xù)延長一個Tx周期；若Vs保持為“1”狀態(tài)，則V0一直保持有效狀態(tài)；若Vs保持為“0”狀態(tài)，則在Tx周期結(jié)束后V0恢復(fù)為無效狀態(tài)．

(3)光傳感器控制模塊

與熱釋電結(jié)合使用，通過檢測光強實現(xiàn)白天與黑天區(qū)別．

(4)煙霧傳感器控制模塊

本系統(tǒng)使用AT89C51單片機，選用集成氣體傳感器作為敏感元件,通過氣敏探頭對可燃?xì)怏w的檢測，輸出低電平送到單片機實現(xiàn)報警的功能，靈敏度高，可控范圍大，且能正確識別現(xiàn)場氣溫．一旦有火警，立即啟動語音做出反應(yīng)．

(5)蜂鳴器報警

單片機將根據(jù)報警響應(yīng)時間對經(jīng)信號處理電路處理過的數(shù)字信號進行采集處理，判斷是否啟動報警．若啟動報警，則蜂鳴器響．如圖5所示．

圖5　蜂鳴器報警圖

2工作原理

該設(shè)計的組成框圖如下：由圖6可見該系統(tǒng)由電源、信號采集(由熱釋電紅外傳感器完成)、信號處理電路，弱電變強電部分．

圖6　設(shè)計組成框圖

弱電控制強電.采用繼電器來控制樓道燈與電源之間的連接，如圖7．

圖7　弱電控制強電

軟件設(shè)計流程圖如圖8所示.

圖8　系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

3設(shè)計的實施及特點

本系統(tǒng)設(shè)計的是以紅外檢測為主體，附之以報警功能的智能開關(guān)．

它的檢測靈敏、成本較低，適合樓道對燈的控制及報警檢測，低碳、節(jié)能．

3.1光的識別和理論依據(jù)

用PCF8591[2]進行光信號采集，PCF8591上安有光敏電阻，可測定光強弱．并且該裝置可將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，將信號通過數(shù)碼管顯示出來．

3.2紅外檢測

對單片機進行定時編程，在晚些時候23：00～凌晨6：00期間，啟動語音模塊．當(dāng)有人進入時，熱釋電工作，樓道燈點亮，進入人員的一舉一動在監(jiān)控室的屏幕上一覽無遺．該設(shè)計能有效防止聲控帶來的耗電及發(fā)聲的不便，且能夠省電節(jié)能，對財產(chǎn)安全也起到了保護作用．

人體輻射的紅外線中心波長為9～10μm，而探測元件的波長靈敏度在0.2～20μm范圍內(nèi)幾乎穩(wěn)定不變．在傳感器[3]頂端開設(shè)了一個裝有濾光鏡片的窗口，這個濾光片可通過光的波長范圍為7～10μm，正好適合于人體紅外輻射的探測，而對其他波長的紅外線由濾光片予以吸收，這樣便形成了一種專門用作探測人體輻射的紅外線傳感器．

3.3煙霧檢測模塊特點

將氣體種類及其與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號，根據(jù)這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中的存在情況有關(guān)的信息，從而可以進行檢測、監(jiān)控、報警；還可以通過接口電路與計算機組成自動檢測、控制和報警系統(tǒng)．傳感器[4]具有如下特點：

(1)工作電壓：直流5V;

(2)具有信號輸出指示;

(3)雙路信號輸出(模擬量輸出及TTL電平輸出);

(4)TTL輸出有效信號為低電平;

(5)模擬量輸出0～5V電壓，濃度越高電壓越高．

4結(jié)束語

本設(shè)計采用AT89S52單片機控制，應(yīng)用光控傳感器、紅外傳感器和煙霧傳感器及語音模塊以220V電壓輸出分別實現(xiàn)自動控制樓道燈開關(guān)照明和安全報警功能,具有以下優(yōu)點：利用單片機作為中央處理器；具有光控功能，白天不亮燈，晚上有聲音時亮燈；延時時間可調(diào)節(jié)；采用220V電壓供電，避免了常用紅外檢測的單走線帶來的麻煩；熱釋電紅外傳感器控制燈的亮滅，有效地節(jié)省電能，且在特定時間燈亮，起到防盜的作用；所加的煙霧報警系統(tǒng)可采集煙霧濃度，靈敏度較高；所設(shè)計的開關(guān)系統(tǒng)應(yīng)做到節(jié)能、智能、耐用、可靠性高以及維護方便；滿足成本低功能大、節(jié)能環(huán)保、降低能耗、安全報警要求．

參 考 文 獻

1何立民.單片機高級教程(第1版).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2001.21～25

2何希才.傳感器技術(shù)及其應(yīng)用.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.33～34

3趙家貴.傳感器電路設(shè)計手冊.杭州：中國計量出版社，2002.44～46

4王俊杰.檢測技術(shù)與儀表.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2002.56

The Design of Efficient Energy-Saving

Switch based on Pyroelectric Type

Guo HongyanChen QingdongMa Guoli

(Department of Opto electronic engineering,Bin zhou University，Binzhou，Shandong256603)

Abstract:Keyword:AT89S52；PCF8591；infrared sensor;smoke sensor；buzzer

1原題呈現(xiàn)

【題目】一臺理想變壓器的原、副線圈的匝數(shù)比是5∶1，原線圈接入電壓220 V的正弦交流電，各元件正常工作，一只理想二極管和一個滑動變阻器R串聯(lián)接在副線圈上，如圖1所示．電壓表和電流表均為理想交流電表，則下列說法正確的是

A．原、副線圈中的電流之比為1∶5

B．電壓表的讀數(shù)約為31.11 V

C．若滑動變阻器接入電路的阻值為20 Ω，則1 min內(nèi)產(chǎn)生的熱量為2 904 J

D．若將滑動變阻器的滑片向上滑動，則兩電表讀數(shù)均減小

圖1

解析:A答案中因變壓器只有一個次級線圈，電流比與匝數(shù)成反比，故A正確；B答案中變壓器的次級輸出電壓為44 V，由于二極管的單向?qū)щ娦裕孰妷罕淼淖x數(shù)(用U表示)為

所以

選項B對.

選項C中產(chǎn)生的熱量為

選項C正確；

選項D中因電源無內(nèi)阻，故電壓表的讀數(shù)不變．滑動變阻器的滑片向上滑動時，R減小，變壓器的輸出功率變大，變壓器的輸入功率變大，所以電流表的讀數(shù)變大，選項D錯．

參考答案A,B,C．

A．電阻R1兩端電壓為50 V

C．原線圈的輸入功率為200 W

D．通過副線圈的電流為3 A

圖2

解析：由變壓器初次級電壓比與匝數(shù)成正比關(guān)系可知選項A正確；當(dāng)次級輸出電壓上負(fù)下正時，二極管反向截止，二極管的耐壓是指加在二極管兩端電壓的最大值，選項B正確；原線圈的輸入功率等于副線圈的輸出功率，即

P入=P出=PR1+PR2

其中

而R2的波形只有R1的一半，故其消耗的功率也只有R1的一半，即

為50 W，所以負(fù)載消耗的總功率為150 W， 選項C錯；由

P出=U2I2=150 W

解得副線圈的電流為3 A，選項D正確．參考答案為A，B，D．

2探究與總結(jié)

2.1只有一個副(次級)線圈時變壓器初次級電流一定與匝數(shù)成反比嗎

中學(xué)物理研究的主要是理想變壓器，所謂“理想”主要是忽略“漏磁”(認(rèn)為所有磁感線均通過鐵芯閉合)、“銅損”(不計初次級線圈電阻)以及“鐵損”(不計鐵芯中渦流損失)，因為忽略了變壓器所有的自身損耗，所以變壓器的輸入功率等于輸出功率，且輸入功率由輸出功率決定．當(dāng)只有一個副線圈時，由

P1=P2

所以

I1U1=I2U2

又因為

所以

從上述推導(dǎo)不難看出，初次級電流與匝數(shù)成反比的條件只要滿足只有一個副(次級)線圈的理想變壓器就行．盡管對上述推導(dǎo)并無異議，但對原題中的選項A仍有部分教師與學(xué)生存在疑惑：因為變壓器的次級有一只二極管，由于二極管的單向?qū)щ娦裕沟米儔浩鞯拇渭夒娏魇钦医涣麟姷囊话耄跫壘€圈中仍然是完整的正弦交流電，所以初次級電流關(guān)系應(yīng)該不再滿足與匝數(shù)成反比的結(jié)論．有此疑惑的原因顯然還是因為沒有真正理解與掌握變壓器的原理所致，從理想變壓器的工作原理不難看出，變壓器的輸入電流由輸出電流所決定，當(dāng)輸出電流為零時，輸入電流也應(yīng)該為零，故當(dāng)變壓器的次級電流為正弦電流的半波時(因二極管的單向?qū)щ娦?，輸入電流也是正弦半波型，所以電流比依然與匝數(shù)成反比．

2.2交流電有效值究竟應(yīng)該怎樣求

(1)有效值的3種解法

解法一：變形題選項D是根據(jù)理想變壓器能量守恒定律得到，具體解答過程是，電阻R1消耗的功率為

R2的波形只有R1的一半，故其消耗的功率也只有R1的一半，即為50 W，所以負(fù)載消耗的總功率為150 W，根據(jù)

P2=U2I2=150 W

解得I2=3 A．

解法二：根據(jù)并聯(lián)電路的電流關(guān)系

I2=IR1+IR2

分別求出流過R1與R2的電流，進而求出流過副線圈的電流．其中

所以

因此副線圈的總電流應(yīng)該為

圖3

(2) 有效值究竟應(yīng)該怎樣求？本題流過副線圈的電流究竟是多大？上述3種解法誰對誰錯？如果錯誤錯在何處？為此筆者查閱了相關(guān)資料，并進行了認(rèn)真思考，得出結(jié)論是上述3種解法均存在問題！首先分析原題提供的正確選項D的解法過程(即解法一)所存在的問題：此解法粗看起來無懈可擊，因為運用的解題方法是自然界普遍遵守的能量守恒定律，無論是什么元件組成何種電路該定律都是成立的；又因為二極管是理想化的，本身不消耗能量，所以才有

P2=U2I2=PR1+PR2

能量守恒定律肯定沒問題，問題出在二極管本身不消耗能量這句話上，這里不消耗能量是指二極管沒有產(chǎn)生熱能(電阻發(fā)熱功率稱之為有功功率)，但并不代表二極管不消耗能量(此功率稱之為無功功率，有功功率與無功功率之和稱之為視在功率，視在功率相當(dāng)于課本上提到的電功率，電工學(xué)上用S表示，計算式為S=UI)，因含有二極管的電路并不是純電阻電路，所以視在功率大于有功功率(只有純電阻電路，視在功率才等于有功功率),即

UI>PR1+PR2=150 W

所以

I>3 A

再看第二種解法，解法二中I2=IR1+IR2是大家最熟悉不過的串聯(lián)電路中總電流與支路電流之間的關(guān)系，而問題恰恰就出在這最熟悉的關(guān)系式上，此關(guān)系式對穩(wěn)恒電流、電流的瞬時值以及相位差為零的電流有效值均成立，但如果電流的相位不同，則該關(guān)系式并不成立，最典型代表就是三相交流電(電流之間的相位差為120°)在對稱負(fù)載的星形接法中，中性線上的總電流并不等于3I而是為零，就是最好的例證．解法三中電流的瞬時值關(guān)系式i2=iR1+iR2是正確的，但由于二極管的非線性，導(dǎo)致圖3(a)中的電流與圖3(a)中的電流并不同相，而是要錯開一個角度，由此疊加后不可能還是圖3(c)的波形，顯然由此算出來的有效值當(dāng)然也不正確．只是二極管的電流與電壓的相位差并不大，所以解法二與解法三的答案比較接近正確答案，當(dāng)然正確答案的計算已遠超出中學(xué)教學(xué)要求(物理知識方面與數(shù)學(xué)運算方面)，這里不再贅述．

2.3交流儀表讀數(shù)問題

原題中的選項B電壓表的讀數(shù)約為31.11 V認(rèn)為是正確答案，31.11 V究竟是怎樣來的？從其解答過程不難看出指的是電阻R兩端電壓的有效值.電阻R兩端電壓的有效值確為31.11 V(求解電壓有效值的方法沒問題)，但電壓表(或電流表)測量的一定是交流電的有效值嗎？

圖4　交流儀表測量交流電的基本結(jié)構(gòu)

加上二極管后流過表頭的電流為半波電流，設(shè)此時電表讀數(shù)為U，則

(儀表指示的數(shù)值與平均值之間的定量關(guān)系不會變)，已知

所以

為驗證上述結(jié)論，筆者特意在實驗室分別用半波整流的交流儀表與全波整流的交流儀表測量類似于原題中電阻R兩端電壓，結(jié)果與理論分析的完全吻合．

(2)回歸課本：筆者從教近30年，一直跟學(xué)生強調(diào)“交流儀表測量值為有效值”，對此結(jié)論從未懷疑過(包括筆者所熟悉的周邊物理教師)．在對該問題深入分析后，筆者特意查閱課本，發(fā)現(xiàn)課本對此早有暗示，只是我們未引起注意而已．以人教版教材為例，教材選修3-2第39頁最后一段，摘錄如下：“我們通常說家庭電路電壓是220 V，指的便是有效值．使用交流電的電器設(shè)備上，標(biāo)出的額定電壓和額定電流都是有效值．一般交流電壓表測量的數(shù)值也是有效值，以后提到交流電的數(shù)值，凡是沒有特殊說明的都是有效值．”課本上在交流儀表的測量值是有效值的前面有兩個關(guān)鍵字：“一般”！正是有這兩個字“一般”暗示交流儀表的測量值并不一定總是有效值，對磁電式儀表而言，只有正弦或余弦交流電儀表的測量值才是有效值．由此說明在平時的教學(xué)過程中要認(rèn)真研讀課本，必要時多討論、多實驗，真正掌握課本知識的精髓．

收稿日期：(2015-01-21)

作者簡介：(濱州學(xué)院光電工程系山東 濱州256600) 對交流電3個問題的探究與思考徐君生陳潤龍徐君生(1965-)，男，中教高級，主要從事中學(xué)物理教學(xué)及研究，鎮(zhèn)江市學(xué)科帶頭人，江蘇省特級教師后備人員．(江蘇省揚中高級中學(xué)江蘇 鎮(zhèn)江212200)(收稿日期：2014-12-23)

基金項目*濱州學(xué)院科研，編號：BZXYG04