基于热释电式高效节能开关的设计*

郭洪岩　陈庆东　马国利



基于热释电式高效节能开关的设计*

郭洪岩陈庆东马国利

摘 要：本设计按照节能减排的构想，采用AT89S52单片机控制，应用光控传感器、红外传感器、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． 当变压器次级加上二极管后，其初次级间电流比还与匝数成反比吗？次级线圈的有效值究竟应该怎样算？交流仪表的测量值一定是有效值吗？文章对这3个问题进行了探究与分析，并总结出相关结论．

关键词：AT89S52PCF8591红外传感器烟雾传感器蜂鸣器 原题探究思考总结

当今社会的主潮流是：降低能耗，节约能源，注重环保．近年来热释电越来越引起人们的重视，传统的声控设备在检测到声音后不断启动，连续启动造成了能量的浪费，并且需要造出声音才能启动，这种声音又造成噪声，也给人民的生活带来了很多不便之处．随着现在科技的进步,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这方面的需求．

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．

1设计方案

1.1系统整体设计方案

设计时考虑的主要问题是实现各个分离元件的集成，使楼道灯的功能更加强大．整体设计构成如图1所示．

图1　系统整体设计原理图

1.2系统硬件部分简介

(1)单片机控制模块

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，具有功耗低、体积小、技术成熟等特点．

(2)热释电效应

通常使用具有高输入阻抗的场效应管，将其接成源极跟随器，使其变成低输出阻抗的控制信号，与放大器的输入端相匹配，热释电传感器及处理电路见图2．

图2　热释电传感器及处理电路

图3所示的不可重复触发工作方式下的波形[1]．首先，根据实际需要，利用运算放大器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，提高系统的可靠性．COP3是一个条件比较器．当输入电压Vc=VR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，V0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V0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　不可重复触发工作方式下的波形图

图4　可重复触发工作方式下的波形图

图4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V0为有效状态．在Vc=“1”、A=“1”时，Vs可重复触发V0为有效状态，并可促使V0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V0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V0一直保持有效状态；若Vs保持为“0”状态，则在Tx周期结束后V0恢复为无效状态．

(3)光传感器控制模块

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

本系统使用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)蜂鸣器报警

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．如图5所示．

图5　蜂鸣器报警图

2工作原理

该设计的组成框图如下：由图6可见该系统由电源、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．

图6　设计组成框图

弱电控制强电.采用继电器来控制楼道灯与电源之间的连接，如图7．

图7　弱电控制强电

软件设计流程图如图8所示.

图8　系统软件设计流程图

3设计的实施及特点

本系统设计的是以红外检测为主体，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．

3.1光的识别和理论依据

用PCF8591[2]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．

3.2红外检测

对单片机进行定时编程，在晚些时候23：00～凌晨6：00期间，启动语音模块．当有人进入时，热释电工作，楼道灯点亮，进入人员的一举一动在监控室的屏幕上一览无遗．该设计能有效防止声控带来的耗电及发声的不便，且能够省电节能，对财产安全也起到了保护作用．

人体辐射的红外线中心波长为9～10μm，而探测元件的波长灵敏度在0.2～20μm范围内几乎稳定不变．在传感器[3]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7～10μm，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其他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．

3.3烟雾检测模块特点

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、控制和报警系统．传感器[4]具有如下特点：

(1)工作电压：直流5V;

(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;

(5)模拟量输出0～5V电压，浓度越高电压越高．

4结束语

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,具有以下优点：利用单片机作为中央处理器；具有光控功能，白天不亮灯，晚上有声音时亮灯；延时时间可调节；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；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，起到防盗的作用；所加的烟雾报警系统可采集烟雾浓度，灵敏度较高；所设计的开关系统应做到节能、智能、耐用、可靠性高以及维护方便；满足成本低功能大、节能环保、降低能耗、安全报警要求．

参 考 文 献

1何立民.单片机高级教程(第1版).北京:北京航空航天大学出版社,2001.21～25

2何希才.传感器技术及其应用.北京：北京航空航天大学出版社，2005.33～34

3赵家贵.传感器电路设计手册.杭州：中国计量出版社，2002.44～46

4王俊杰.检测技术与仪表.武汉：武汉理工大学出版社，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原题呈现

【题目】一台理想变压器的原、副线圈的匝数比是5∶1，原线圈接入电压220 V的正弦交流电，各元件正常工作，一只理想二极管和一个滑动变阻器R串联接在副线圈上，如图1所示．电压表和电流表均为理想交流电表，则下列说法正确的是

A．原、副线圈中的电流之比为1∶5

B．电压表的读数约为31.11 V

C．若滑动变阻器接入电路的阻值为20 Ω，则1 min内产生的热量为2 904 J

D．若将滑动变阻器的滑片向上滑动，则两电表读数均减小

图1

解析:A答案中因变压器只有一个次级线圈，电流比与匝数成反比，故A正确；B答案中变压器的次级输出电压为44 V，由于二极管的单向导电性，故电压表的读数(用U表示)为

所以

选项B对.

选项C中产生的热量为

选项C正确；

选项D中因电源无内阻，故电压表的读数不变．滑动变阻器的滑片向上滑动时，R减小，变压器的输出功率变大，变压器的输入功率变大，所以电流表的读数变大，选项D错．

参考答案A,B,C．

A．电阻R1两端电压为50 V

C．原线圈的输入功率为200 W

D．通过副线圈的电流为3 A

图2

解析：由变压器初次级电压比与匝数成正比关系可知选项A正确；当次级输出电压上负下正时，二极管反向截止，二极管的耐压是指加在二极管两端电压的最大值，选项B正确；原线圈的输入功率等于副线圈的输出功率，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

为50 W，所以负载消耗的总功率为150 W， 选项C错；由

P出=U2I2=150 W

解得副线圈的电流为3 A，选项D正确．参考答案为A，B，D．

2探究与总结

2.1只有一个副(次级)线圈时变压器初次级电流一定与匝数成反比吗

中学物理研究的主要是理想变压器，所谓“理想”主要是忽略“漏磁”(认为所有磁感线均通过铁芯闭合)、“铜损”(不计初次级线圈电阻)以及“铁损”(不计铁芯中涡流损失)，因为忽略了变压器所有的自身损耗，所以变压器的输入功率等于输出功率，且输入功率由输出功率决定．当只有一个副线圈时，由

P1=P2

所以

I1U1=I2U2

又因为

所以

从上述推导不难看出，初次级电流与匝数成反比的条件只要满足只有一个副(次级)线圈的理想变压器就行．尽管对上述推导并无异议，但对原题中的选项A仍有部分教师与学生存在疑惑：因为变压器的次级有一只二极管，由于二极管的单向导电性，使得变压器的次级电流是正弦交流电的一半，而初级线圈中仍然是完整的正弦交流电，所以初次级电流关系应该不再满足与匝数成反比的结论．有此疑惑的原因显然还是因为没有真正理解与掌握变压器的原理所致，从理想变压器的工作原理不难看出，变压器的输入电流由输出电流所决定，当输出电流为零时，输入电流也应该为零，故当变压器的次级电流为正弦电流的半波时(因二极管的单向导电性)，输入电流也是正弦半波型，所以电流比依然与匝数成反比．

2.2交流电有效值究竟应该怎样求

(1)有效值的3种解法

解法一：变形题选项D是根据理想变压器能量守恒定律得到，具体解答过程是，电阻R1消耗的功率为

R2的波形只有R1的一半，故其消耗的功率也只有R1的一半，即为50 W，所以负载消耗的总功率为150 W，根据

P2=U2I2=150 W

解得I2=3 A．

解法二：根据并联电路的电流关系

I2=IR1+IR2

分别求出流过R1与R2的电流，进而求出流过副线圈的电流．其中

所以

因此副线圈的总电流应该为

图3

(2) 有效值究竟应该怎样求？本题流过副线圈的电流究竟是多大？上述3种解法谁对谁错？如果错误错在何处？为此笔者查阅了相关资料，并进行了认真思考，得出结论是上述3种解法均存在问题！首先分析原题提供的正确选项D的解法过程(即解法一)所存在的问题：此解法粗看起来无懈可击，因为运用的解题方法是自然界普遍遵守的能量守恒定律，无论是什么元件组成何种电路该定律都是成立的；又因为二极管是理想化的，本身不消耗能量，所以才有

P2=U2I2=PR1+PR2

能量守恒定律肯定没问题，问题出在二极管本身不消耗能量这句话上，这里不消耗能量是指二极管没有产生热能(电阻发热功率称之为有功功率)，但并不代表二极管不消耗能量(此功率称之为无功功率，有功功率与无功功率之和称之为视在功率，视在功率相当于课本上提到的电功率，电工学上用S表示，计算式为S=UI)，因含有二极管的电路并不是纯电阻电路，所以视在功率大于有功功率(只有纯电阻电路，视在功率才等于有功功率),即

UI>PR1+PR2=150 W

所以

I>3 A

再看第二种解法，解法二中I2=IR1+IR2是大家最熟悉不过的串联电路中总电流与支路电流之间的关系，而问题恰恰就出在这最熟悉的关系式上，此关系式对稳恒电流、电流的瞬时值以及相位差为零的电流有效值均成立，但如果电流的相位不同，则该关系式并不成立，最典型代表就是三相交流电(电流之间的相位差为120°)在对称负载的星形接法中，中性线上的总电流并不等于3I而是为零，就是最好的例证．解法三中电流的瞬时值关系式i2=iR1+iR2是正确的，但由于二极管的非线性，导致图3(a)中的电流与图3(a)中的电流并不同相，而是要错开一个角度，由此叠加后不可能还是图3(c)的波形，显然由此算出来的有效值当然也不正确．只是二极管的电流与电压的相位差并不大，所以解法二与解法三的答案比较接近正确答案，当然正确答案的计算已远超出中学教学要求(物理知识方面与数学运算方面)，这里不再赘述．

2.3交流仪表读数问题

原题中的选项B电压表的读数约为31.11 V认为是正确答案，31.11 V究竟是怎样来的？从其解答过程不难看出指的是电阻R两端电压的有效值.电阻R两端电压的有效值确为31.11 V(求解电压有效值的方法没问题)，但电压表(或电流表)测量的一定是交流电的有效值吗？

图4　交流仪表测量交流电的基本结构

加上二极管后流过表头的电流为半波电流，设此时电表读数为U，则

(仪表指示的数值与平均值之间的定量关系不会变)，已知

所以

为验证上述结论，笔者特意在实验室分别用半波整流的交流仪表与全波整流的交流仪表测量类似于原题中电阻R两端电压，结果与理论分析的完全吻合．

(2)回归课本：笔者从教近30年，一直跟学生强调“交流仪表测量值为有效值”，对此结论从未怀疑过(包括笔者所熟悉的周边物理教师)．在对该问题深入分析后，笔者特意查阅课本，发现课本对此早有暗示，只是我们未引起注意而已．以人教版教材为例，教材选修3-2第39页最后一段，摘录如下：“我们通常说家庭电路电压是220 V，指的便是有效值．使用交流电的电器设备上，标出的额定电压和额定电流都是有效值．一般交流电压表测量的数值也是有效值，以后提到交流电的数值，凡是没有特殊说明的都是有效值．”课本上在交流仪表的测量值是有效值的前面有两个关键字：“一般”！正是有这两个字“一般”暗示交流仪表的测量值并不一定总是有效值，对磁电式仪表而言，只有正弦或余弦交流电仪表的测量值才是有效值．由此说明在平时的教学过程中要认真研读课本，必要时多讨论、多实验，真正掌握课本知识的精髓．

收稿日期：(2015-01-21)

作者简介：(滨州学院光电工程系山东 滨州256600) 对交流电3个问题的探究与思考徐君生陈润龙徐君生(1965-)，男，中教高级，主要从事中学物理教学及研究，镇江市学科带头人，江苏省特级教师后备人员．(江苏省扬中高级中学江苏 镇江212200)(收稿日期：2014-12-23)

基金项目*滨州学院科研，编号：BZXYG04