基于單片機的節(jié)能斷電保護器——主電路和檢測電路設(shè)計【開題報告】

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計開題報告</b></p><p><b>　　電氣工程及其自動化</b></p><p>　　基于單片機的節(jié)能斷電保護器——主電路和檢測電路設(shè)計</p><p><b>　　一、選題的背景意義</b></p><p>　　至今，各種環(huán)保節(jié)能

2、的的政策及措施都已成為我們耳熟能詳?shù)奈拿魃畎l(fā)展趨勢，然而我們對其真正深入了解認識了嗎？我們的日常工作和生活中是否真正的做到了呢？它需要我們真正的從實際生活中去改善，去實踐，從身邊的每一件事情開始做起。每一個社會成員對社會發(fā)展及人類進步起著不可替代的推動作用，是我們社會發(fā)展的主要支柱。因此，我們更應該提高社會成員的綜合素質(zhì)，切實了解節(jié)能環(huán)保的現(xiàn)實意義和重大作用，將每個社會成員組織起來，牢牢抱成一團，從生活的方方面面著手去認識，去改進。點

3、點滴滴，看來是微不足道的，但正是這樣的點點滴滴，也能省下一批不可觀的能源。然而現(xiàn)實生活當中，檢查我們的行為，司空見慣的“無意識浪費”，在家庭生活中浪費掉的寶貴能源實在太多了。習慣成自然，且有很多浪費現(xiàn)象是人們長期養(yǎng)成的習慣，又習以為常，因此在節(jié)約能源方面考慮得不多。</p><p>　　隨著時代的進步，科技的發(fā)展，資源已顯得越來越緊缺，節(jié)能也便成了一個走在刻不容緩的問題。電器照明，家用電器設(shè)備的使用在我們生活中已

4、成了不可缺少的部分。同時 ，安全問題也是現(xiàn)在人們越來越重視的一個問題。那么，如果能做到生活中的節(jié)能將在節(jié)能行動中跨出了一大步。如果能及時地把用電設(shè)備都關(guān)掉，相信會減少很多事故的發(fā)生，也就保護了人們生命和財產(chǎn)的安全。本次畢業(yè)設(shè)計中，我設(shè)計的就是利用單片機原理做一個節(jié)能斷電保護器。</p><p>　　這個節(jié)能斷電保護器硬件上是由人體檢測模塊，信號處理模塊，實施控制模塊三部分組成。</p><p&

5、gt;　　以下是整個設(shè)計的流程圖：</p><p>　　二、相關(guān)研究的最新成果及動態(tài) </p><p>　　目前關(guān)于采用各種原理各種裝置來達到節(jié)能或報警的設(shè)計已經(jīng)很多了，以下就是幾個典型的關(guān)于節(jié)能或報警的設(shè)計。</p><p>　　1、基于AT89c51單片機節(jié)能燈的設(shè)計:高校教學樓照明用電的管理存在著不同程度的電能浪費現(xiàn)象，對教學樓照明管理的要求是在充分保證教室照

6、度的前提下，盡可能地節(jié)約電能。本文設(shè)計了一種基于單片機的教室燈光智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以AT89c51單片機主控單元為核心，通過相關(guān)電路的驅(qū)動完成對系統(tǒng)設(shè)備（電燈）的控制，實現(xiàn)了對教室燈光的自動開燈關(guān)燈控制，從而避免電能的浪費。</p><p>　　2、基于單片機AT89C51熱釋電紅外報警系統(tǒng)的設(shè)計：隨著社會的不斷進步和科學技術(shù)經(jīng)濟的不斷發(fā)展、人們生活水平得到很大的提高，對私有財產(chǎn)的保護意識在不斷的增強，因而對防

7、盜措施提出了新的要求。為了滿足現(xiàn)代住宅防盜的需要而設(shè)計家庭式電子防盜系統(tǒng)，它在以前的防盜器基礎(chǔ)上做了很大的改進。不但可以用于單一的住宅區(qū)，也可用于較大規(guī)模住宅區(qū)的防盜系統(tǒng)。它的工作性能不易出現(xiàn)不報和誤報現(xiàn)象，安全可靠。不僅如此它使用了單片機做信號處理器，這樣有利于與計機相連接利用計算機，統(tǒng)一管理使整個小區(qū)的住戶基本情況資料等。在計算機內(nèi)存儲起來方便來訪人的查詢和保安人員的統(tǒng)一管理。</p><p>　　3、室內(nèi)照

8、明設(shè)備開關(guān)智能控制器的研究與設(shè)計：隨著能源供應的日益緊張各級政府對節(jié)能工作的重視程度不斷提高，國家教育部也積極響應提出了“建設(shè)節(jié)約型高?！钡奶栒伲⑶医逃靠萍及l(fā)展中心自2009年12月3日起設(shè)立高校節(jié)能減排技術(shù)推廣辦公室。其主要職責為：編制高校節(jié)能減排技術(shù)推廣項目計劃；組織高校節(jié)能減排項目申報；制定高校節(jié)能減排建議方案；推廣節(jié)能減排技術(shù)等【1】。由于高校教室管理一般采用開放式管理模式，學生基本上無固定的班級教室無固定的座位。因此長明燈

9、全開燈的浪費現(xiàn)象比較普遍。這些現(xiàn)象造成了不必要的有形和無形的浪費。針對這種現(xiàn)象，有許多專業(yè)人士設(shè)計制作了自動控制燈光開關(guān)的設(shè)備，可以在室內(nèi)無人的情況下，延時關(guān)閉燈光但這些設(shè)備大多存在著誤動作多的問題，而且多是只能全部打開或關(guān)閉，所有照明設(shè)備其適用性和穩(wěn)定性較差，于是設(shè)計了室內(nèi)照明設(shè)備開關(guān)智能控制器。</p><p>　　三、課題的研究內(nèi)容及擬采取的研究方法（技術(shù)路線）難點及預期達到的目標</p>&

10、lt;p>　　1、擬采取的技術(shù)路線</p><p>　　菲涅爾透鏡：不使用菲涅爾透鏡時，傳感器的探測半徑不足2米，只有配合菲涅爾透鏡使用才能發(fā)揮最大作用。配上菲涅爾透鏡時傳感器的探測半徑可達到10米。例如，一些傳感器對遠在20米處快速行駛的汽車里的人體也能可靠地檢測到。菲涅爾透鏡采用塑料片制作而成【13】。圖3為它的平面圖。從圖中可以看出透鏡在水平方向上分寸成3個部分，每一部分在豎直方向上又等分成若干不同的

11、區(qū)域。最上面部分的每一等份為一個透鏡單元它們由一個個同心圓構(gòu)成同心圓，圓心在透鏡單元內(nèi)。中間和下半部分的每一等份也為分別一個透鏡單元，同樣由同心圓構(gòu)成。但同心圓圓心不在透鏡單元內(nèi)。當光線通過這些透鏡單元后，就會形成明暗相間的可見區(qū)和盲區(qū)。由于每一個透鏡單元只有一個很小的視角，視角內(nèi)為可見區(qū)視角外為盲區(qū)。任何兩個相鄰透鏡單元之間，均以一個盲區(qū)和可見區(qū)相間隔，它們斷續(xù)而不重疊和交叉如圖3b。這樣，當把透鏡放在傳感器正前方的適當位置時，運動的

12、人體一旦出現(xiàn)在透鏡的前方人體輻射出的紅外線通過透鏡后在傳感器上形成不斷交替變化的陰影區(qū)（盲區(qū)）和明亮區(qū)（可見區(qū)），使傳感器表面的溫度不斷發(fā)生變化從而輸出電信號。也可以這樣理解，人體在檢測區(qū)內(nèi)活動時一離開，一</p><p>　　菲涅爾透鏡不僅可以形成可見區(qū)和盲區(qū)，還有聚焦作用其焦點一般為5厘米左右。實際應用時應根據(jù)實際情況或資料提供的說明，調(diào)整菲涅爾透鏡與傳感器之間的距離，一般把透鏡固定在傳感器正前方1~5厘米的

13、地方。</p><p>　　菲涅爾透鏡一般采用聚乙烯塑料片制成顏色為乳白色或黑色呈半透明狀，但對波長為10um左右的紅外線來說卻是透明的【14】。</p><p>　　雙探測元熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。使用時，Ｄ端接電源正極，Ｇ端接電源負極，Ｓ端為信號輸出。該傳感器將兩個極性相反、特性一致的探測元串接在一起，目的是消除因環(huán)境和自身變化引起的干擾。它利用兩個極性相反、大小相等的干擾信號在

14、內(nèi)部相互抵消的原理，來使傳感器得到補償。對于輻射至傳感器的紅外輻射，熱釋電傳感器通過安裝在傳感器前面的菲涅爾透鏡，將其聚焦后加至兩個探測元上從而使傳感器輸出電壓信號【5】。</p><p>　　熱釋電紅外傳感裝置：以熱釋電傳感器構(gòu)成的人體感應開關(guān)已廣泛應用于照明控制、家電智能化和自動報警等產(chǎn)品中。目前這類產(chǎn)品根據(jù)采集人體信息的方法不同分為兩種機型：一種是直接使用熱釋電傳感器被動遠紅外探測功能的單被動探測式機型，另

15、一種是讓傳感器不斷轉(zhuǎn)動(通過電動機)使被動探測變成主動探測的單主動探測式機型【2】 。前者對靜止人體無效而使控制器的用途受到限制，后者能耗大且會不斷地產(chǎn)生機械磨損而嚴重影響其使用壽命。為此推出了新型熱釋電傳感器人體感應自動開關(guān)(下稱自動開關(guān)) 。該自動開關(guān)集被動探測與主動探測為一體，并由單片機控制電動機，無需連續(xù)運轉(zhuǎn)人體。無論活動與否都能準確地檢測出人體信息實現(xiàn)人來、人在開關(guān)接通人離后延時數(shù)分鐘自動斷開的控制作用。該自動開關(guān)已在自控系統(tǒng)

16、中得到廣泛應用【3】。</p><p>　　熱釋電傳感器熱釋電人體紅外線傳感器（以下簡稱：傳感器）由敏感單元、阻抗變換器和濾光窗等三大部分組成。敏感單元的制造材料有所不同。如SD02的敏感單元由鋯鈦酸鉛制成；P2288由LiTaO3 制成。這些材料再做成很薄的薄片每一片薄片相對的兩面各引出一根電極在電極兩端則形成一個等效的小電容如圖2中的P1、P2。因為這兩個小電容是做在同一硅晶片上的，而它們形成的等效小電容能自

17、身產(chǎn)生極化極化的結(jié)果是，在電容的兩端產(chǎn)生極性相反的正、負電荷。但這兩個電容的極性是相反串聯(lián)的。這正是傳感器的獨特設(shè)計之處因而使得它具有獨特的抗干擾性【4】。</p><p>　　當傳感器沒有檢測到人體輻射出的紅外線信號時，由于P1、P2自身產(chǎn)生極化在電容的兩端產(chǎn)生極性相反、電量相等的正、負電荷而這兩個電容的極性是相反串聯(lián)的，所以正、負電荷相互抵消回路中無電流傳感器無輸出。</p><p>

18、　　當人體靜止在傳感器的檢測區(qū)域內(nèi)時照射到P1、P2上的紅外線光能能量相等，且達到平衡極性相反、能量相等的光電流在回路中相互抵消。傳感器仍然沒有信號輸出。同理在燈光或陽光下因陽光移動的速度非常緩慢，P1、P2上的紅外線光能能量仍然可以看作是相等的且在回路中相互抵消；再加上傳感器的響應頻率很低（一般為0.1~10Hz）即傳感器對紅外光的波長的敏感范圍很窄（一般為5~15um），因此傳感器對它們不敏感【8】。</p><

19、p>　　當環(huán)境溫度變化而引起傳感器本身的溫度發(fā)生變化時，因P1、P2做在同一硅晶片上的它所產(chǎn)生的極性相反、能量相等的光電流，在回路中仍然相互抵消傳感器無輸出【11】。</p><p>　　從原理上講，任何發(fā)熱體都會產(chǎn)生紅外線。熱釋電人體紅外線傳感器對紅外線的敏感程度，主要表現(xiàn)在傳感器敏感單元的溫度所發(fā)生的變化，而溫度的變化導致電信號的產(chǎn)生【4】。環(huán)境與自身的溫度變化由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了它不向外輸出信號；而傳感

20、器的低頻響應（一般為0.1~10Hz）和對特定波長紅外線（一般為5~15um）的響應，決定了傳感器只對外界的紅外線的輻射而引起傳感器的溫度的變化而敏感。而這種變化對人體而言就是移動【12】。所以傳感器對人體的移動或運動敏感對靜止或移動很緩慢的人體不敏感；它可以抗可見光和大部分紅外線的干擾。</p><p>　　信號放大電路：人體信息處理電路采用專用集成電路BISS0001。BISS0001結(jié)構(gòu)完整，功能齊全，只需

21、少量外圍元件，就可完成信號的高倍率線性放大，雙向鑒幅信號處理，延遲定時和封鎖定時等功能【1】,其原理框圖見圖2。</p><p>　　圖2　BISS0001 原理框圖</p><p>　　PIR 輸出的人體感應信號從14 腳輸入，經(jīng)內(nèi)部電路處理后，形成有效的觸發(fā)信號從2腳輸出。調(diào)節(jié)R3、R2 (或R4、R5)的比值，可改變放大器的增益。輸出延遲時間和觸發(fā)封鎖時間由R7、C5 和R6、C4

22、設(shè)定，為適應單片機控制設(shè)定兩值應盡量小。9腳為觸發(fā)禁止端，可外接功能擴展電路。當自動開關(guān)用于照明控制器時，在E、F間接光敏電阻，可實現(xiàn)白天光線充足時禁止開燈。若在E、F間接入熱敏電阻或定時器，則可分別用于達到一定室溫才見人開機的空調(diào)控制器或既受時間控制又受人體信息控制的其他控制器、報警器等。</p><p>　　將采集到的信號進行處理放大。信號放大電路如圖2所示。熱釋電紅外傳感器PIS-209S將輸出電壓信號，然

23、后使該信號先通過一個由電阻電容組成的帶通濾波器。該濾波器的上限截止頻率為16Hz，下限截止頻率為0.16Hz。由于熱釋電紅外傳感器輸出的探測信號電壓十分微弱（通常僅有1mV左右），而且是一個變化的信號。同時菲涅爾透鏡的作用又使輸出信號電壓呈脈沖形式（脈沖電壓的頻率由被測物體的移動速度決定通常為0.1~10Hz左右），所以應對熱釋紅外傳感器輸出的電壓信號進行放大。經(jīng)過通用集成運算放大器LM324兩級放大后獲得足夠的增益輸出VO1信號給信號

24、采集與處理單元電路【7】。</p><p>　　信號采集與處理電路：信號放大器傳出的信號VO1，經(jīng)紅外傳感信號處理器BISS0001中的運算放大器OP1前置放大后，由電容耦合給運算放大器OP2進行二級放大，再經(jīng)由電壓比較器COP1和COP2構(gòu)成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號去啟動延遲時間定時器。輸出信號經(jīng)晶體管VT1后，接單片機輸出信號VO2供其讀取【6】。</p><p>　　單片

25、機89C51與繼電器，由繼電器控制照明設(shè)備：將處理好的信號輸入單片機，再由單片機控制繼電器來實現(xiàn)開關(guān)的開|閉。B ISS0001 輸出信號反相后從I/O 口輸入，主動探測電路通過另外兩根I/O 引線連接，鍵盤以中斷方式工作，用于設(shè)置開關(guān)延遲斷開時間T【9】。單片機根據(jù)程序檢測人體信號輸入的有、無、快、慢，并以此控制開關(guān)的開、閉和主動探測的啟、?！?0】。</p><p>　　單片機對光照檢測電路和傳感器處理電路輸

26、出的信號進行檢測，輸出控制信號由單片機輸出。在室內(nèi)環(huán)境光照較強或光較弱但室內(nèi)又無人時，單片機輸出高電平，此時三極管V截止，繼電器J不工作，則接在220V上的照明設(shè)備不亮。在室內(nèi)光照較弱且傳感器檢測室內(nèi)有人時，則單片機輸出低電平，此時三極管V 導通，繼電器J工作，則220V交流電通過繼電器加到照明設(shè)備上，照明設(shè)備正常點亮【9】。</p><p>　　2、難點：當人體靜止在傳感器的檢測區(qū)域內(nèi)時，照射到P1、P2上的紅

27、外線光能能量相等，且達到平衡，極性相反、能量相等的光電流在回路中相互抵消，傳感器沒有信號輸出，所以，傳感器對人體的移動或運動敏感，對靜止或移動很緩慢的人體不敏感。</p><p>　　可增設(shè)電動機和傳動機構(gòu)，讓傳感器旋轉(zhuǎn)或平移，使 P I R與人體間產(chǎn)生相對運動，這樣，人體即使靜止，傳感器也有信號輸出，被動探測變成了相對主動探測。</p><p>　　3、預期目標：當場所無人持續(xù)一定的時間

28、后則自動關(guān)閉電源，達到節(jié)能和安全的目的。 以單片機、人體紅外線傳感器為核心，構(gòu)成一種成本低，既可有效節(jié)約電能，延長電器設(shè)備的使用壽命，又可防止電火災的節(jié)能與斷電保護器。它既可家用，又可用于辦公場地、學生宿舍等，安裝調(diào)試方便。把傳感器安裝在合適位置，設(shè)計可靠地工作，達到節(jié)能與斷電保護的目的。</p><p><b>　　四、計劃進度：</b></p><p>　　201

29、0年12月查閱相關(guān)文獻，認真閱讀完成文獻綜述初稿。</p><p>　　2011年1月完成外文翻譯。</p><p>　　假期：考慮設(shè)計的初步方案。</p><p>　　新學期第1周：完成開題報告。</p><p>　　第2-3周：指導教師與學生討論確定題目的基本方案。學生進行綜合課程設(shè)計。</p><p>　　第4-

30、6周：學生進行畢業(yè)實習，完成后提交實習報告，備查。</p><p>　　第7-8周：總體方案設(shè)計。</p><p>　　第9-12周：分單元設(shè)計。</p><p>　　第13周：完成畢業(yè)設(shè)計（論文）。</p><p>　　第14周：完成畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱、答辯。</p><p>　　參考文獻（根據(jù)文中參閱和引用的先后

31、次序按序編排）</p><p>　　[1] 李耀輝。幾種典型的人體感應電器。無線電， 2001，（8）：52-53 2001 NO3 5-8。</p><p>　　[2] 劉迎春，葉湘濱?，F(xiàn)代新型傳感器原理與應用。北京：國防工業(yè)出版社。 1998，89。 </p><p>　　[3] 何立民。MCS-51單片機應用系統(tǒng)設(shè)計。北京：北京航

32、空航天大學出版社。1995。</p><p>　　[4] 趙玉安。 人體熱釋電紅外傳感器介紹[J] 。中國電子制作， 2006，（8）。 </p><p>　　[5] 李建。 熱釋電傳感器原理與應用[J] 。傳感器世界， 2005， (7) 。 </p><p>　　[6]宋保業(yè)?；贐ISS0001的熱釋

33、電紅外開關(guān)[J] 。電子元器件應用， 2007， （7）。 </p><p>　　[7] 夢 蘭。 運算放大器應用實例.電子世界， 1999，（04）。 </p><p>　　[8]李冰， 姜波， 汪濱琦。BISS001在熱釋電紅外開關(guān)上的應用[J] 。應用科技， 2006，（2）。 <

34、;/p><p>　　[9] 劉舒祺， 施國梁?；跓後岆娂t外傳感器的報警系統(tǒng)[J] 。國外電子元器件， 2005，（3）。 </p><p>　　[10]萬光毅， 嚴義， 刑春香。單片機實驗與實踐教程[M] 。北京：北京航空航天大學出版社。 2001。</p><p>　　[11] 王海倫，葉冬芬。單片機控制的

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