郭洪巖　陳慶東　馬國(guó)利

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基于熱釋電式高效節(jié)能開關(guān)的設(shè)計(jì)*

郭洪巖陳慶東馬國(guó)利

摘 要：本設(shè)計(jì)按照節(jié)能減排的構(gòu)想，采用AT89S52單片機(jī)控制，應(yīng)用光控傳感器、紅外傳感器、煙霧傳感器及語(yǔ)音模塊分別實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制樓道燈開關(guān)照明和安全報(bào)警功能． 當(dāng)變壓器次級(jí)加上二極管后，其初次級(jí)間電流比還與匝數(shù)成反比嗎？次級(jí)線圈的有效值究竟應(yīng)該怎樣算？交流儀表的測(cè)量值一定是有效值嗎？文章對(duì)這3個(gè)問題進(jìn)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(huì)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(cè)到聲音后不斷啟動(dòng)，連續(xù)啟動(dòng)造成了能量的浪費(fèi)，并且需要造出聲音才能啟動(dòng)，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(jìn)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(jì)恰恰可以滿足人們對(duì)這方面的需求．

本設(shè)計(jì)采用AT89S52單片機(jī)控制，應(yīng)用光控傳感器、紅外傳感器和煙霧傳感器及語(yǔ)音模塊，以220V電壓輸出，分別實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制樓道燈開關(guān)照明和安全報(bào)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(jì)方案

1.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要問題是實(shí)現(xiàn)各個(gè)分離元件的集成，使樓道燈的功能更加強(qiáng)大．整體設(shè)計(jì)構(gòu)成如圖1所示．

圖1　系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)原理圖

1.2系統(tǒng)硬件部分簡(jiǎn)介

(1)單片機(jī)控制模塊

采用AT89S52單片機(jī)作為控制．軟件編程實(shí)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(diǎn)．

(2)熱釋電效應(yīng)

通常使用具有高輸入阻抗的場(chǎng)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(hào)，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(shí)際需要，利用運(yùn)算放大器OP1組成傳感信號(hào)預(yù)處理電路，將信號(hào)放大．然后耦合給運(yùn)算放大器OP2，再進(jìn)行第二級(jí)放大，同時(shí)將直流電位抬高為VM(≈0.5VDD)后，將輸出信號(hào)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(hào)VS．由于VH≈0.7VDD、VL≈0.3VDD，所以，當(dāng)VDD=5V時(shí)，可有效抑制±1V的噪聲干擾，提高系統(tǒng)的可靠性．COP3是一個(gè)條件比較器．當(dāng)輸入電壓Vc=VR時(shí)，COP3輸出為高電平，進(jìn)入延時(shí)周期． 當(dāng)A端接“0”電平時(shí)，在Tx時(shí)間內(nèi)任何V2的變化都被忽略，直至Tx時(shí)間結(jié)束，即所謂不可重復(fù)觸發(fā)工作方式．當(dāng)Tx時(shí)間結(jié)束時(shí)，V0下跳回低電平，同時(shí)啟動(dòng)封鎖時(shí)間定時(shí)器而進(jìn)入封鎖周期Ti．在Ti時(shí)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(hào)Vs不能觸發(fā)V0為有效狀態(tài)．在Vc=“1”、A=“1”時(shí)，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(shí)間內(nèi)，只要Vs發(fā)生上跳變，則V0將從Vs上跳變時(shí)刻起繼續(xù)延長(zhǎng)一個(gè)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(cè)光強(qiáng)實(shí)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(jī)，選用集成氣體傳感器作為敏感元件,通過氣敏探頭對(duì)可燃?xì)怏w的檢測(cè)，輸出低電平送到單片機(jī)實(shí)現(xiàn)報(bào)警的功能，靈敏度高，可控范圍大，且能正確識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)氣溫．一旦有火警，立即啟動(dòng)語(yǔ)音做出反應(yīng)．

(5)蜂鳴器報(bào)警

單片機(jī)將根據(jù)報(bào)警響應(yīng)時(shí)間對(duì)經(jīng)信號(hào)處理電路處理過的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集處理，判斷是否啟動(dòng)報(bào)警．若啟動(dòng)報(bào)警，則蜂鳴器響．如圖5所示．

圖5　蜂鳴器報(bào)警圖

2工作原理

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

圖6　設(shè)計(jì)組成框圖

弱電控制強(qiáng)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(qiáng)電

軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示.

圖8　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

3設(shè)計(jì)的實(shí)施及特點(diǎn)

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

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

3.1光的識(shí)別和理論依據(jù)

用PCF8591[2]進(jìn)行光信號(hào)采集，PCF8591上安有光敏電阻，可測(cè)定光強(qiáng)弱．并且該裝置可將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，將信號(hào)通過數(shù)碼管顯示出來．

3.2紅外檢測(cè)

對(duì)單片機(jī)進(jìn)行定時(shí)編程，在晚些時(shí)候23：00～凌晨6：00期間，啟動(dòng)語(yǔ)音模塊．當(dāng)有人進(jìn)入時(shí)，熱釋電工作，樓道燈點(diǎn)亮，進(jìn)入人員的一舉一動(dòng)在監(jiān)控室的屏幕上一覽無遺．該設(shè)計(jì)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(duì)財(cái)產(chǎn)安全也起到了保護(hù)作用．

人體輻射的紅外線中心波長(zhǎng)為9～10μm，而探測(cè)元件的波長(zhǎng)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(gè)裝有濾光鏡片的窗口，這個(gè)濾光片可通過光的波長(zhǎng)范圍為7～10μm，正好適合于人體紅外輻射的探測(cè)，而對(duì)其他波長(zhǎng)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(cè)人體輻射的紅外線傳感器．

3.3煙霧檢測(cè)模塊特點(diǎn)

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

(1)工作電壓：直流5V;

(2)具有信號(hào)輸出指示;

(3)雙路信號(hào)輸出(模擬量輸出及TTL電平輸出);

(4)TTL輸出有效信號(hào)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(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用AT89S52單片機(jī)控制，應(yīng)用光控傳感器、紅外傳感器和煙霧傳感器及語(yǔ)音模塊以220V電壓輸出分別實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制樓道燈開關(guān)照明和安全報(bào)警功能,具有以下優(yōu)點(diǎn)：利用單片機(jī)作為中央處理器；具有光控功能，白天不亮燈，晚上有聲音時(shí)亮燈；延時(shí)時(shí)間可調(diào)節(jié)；采用220V電壓供電，避免了常用紅外檢測(cè)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(shí)間燈亮，起到防盜的作用；所加的煙霧報(bào)警系統(tǒng)可采集煙霧濃度，靈敏度較高；所設(shè)計(jì)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(hù)方便；滿足成本低功能大、節(jié)能環(huán)保、降低能耗、安全報(bào)警要求．

參 考 文 獻(xiàn)

1何立民.單片機(jī)高級(jí)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(jì)手冊(cè).杭州：中國(guó)計(jì)量出版社，2002.44～46

4王俊杰.檢測(cè)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(tái)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(gè)滑動(dòng)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(dòng)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(dòng)變阻器的滑片向上滑動(dòng)，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(gè)次級(jí)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(jí)輸出電壓為44 V，由于二極管的單向?qū)щ娦?，故電壓表的讀數(shù)(用U表示)為

所以

選項(xiàng)B對(duì).

選項(xiàng)C中產(chǎn)生的熱量為

選項(xiàng)C正確；

選項(xiàng)D中因電源無內(nèi)阻，故電壓表的讀數(shù)不變．滑動(dòng)變阻器的滑片向上滑動(dòng)時(shí)，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(xiàng)D錯(cuò)．

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(jí)電壓比與匝數(shù)成正比關(guān)系可知選項(xiàng)A正確；當(dāng)次級(jí)輸出電壓上負(fù)下正時(shí)，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(xiàng)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(xiàng)C錯(cuò)；由

P出=U2I2=150 W

解得副線圈的電流為3 A，選項(xiàng)D正確．參考答案為A，B，D．

2探究與總結(jié)

2.1只有一個(gè)副(次級(jí))線圈時(shí)變壓器初次級(jí)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(jì)初次級(jí)線圈電阻)以及“鐵損”(不計(jì)鐵芯中渦流損失)，因?yàn)楹雎粤俗儔浩魉械淖陨頁(yè)p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(gè)副線圈時(shí)，由

P1=P2

所以

I1U1=I2U2

又因?yàn)?/p>

所以

從上述推導(dǎo)不難看出，初次級(jí)電流與匝數(shù)成反比的條件只要滿足只有一個(gè)副(次級(jí))線圈的理想變壓器就行．盡管對(duì)上述推導(dǎo)并無異議，但對(duì)原題中的選項(xiàng)A仍有部分教師與學(xué)生存在疑惑：因?yàn)樽儔浩鞯拇渭?jí)有一只二極管，由于二極管的單向?qū)щ娦?，使得變壓器的次?jí)電流是正弦交流電的一半，而初級(jí)線圈中仍然是完整的正弦交流電，所以初次級(jí)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?yàn)闆]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(shí)，輸入電流也應(yīng)該為零，故當(dāng)變壓器的次級(jí)電流為正弦電流的半波時(shí)(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(xiàng)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(jìn)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(shuí)對(duì)誰(shuí)錯(cuò)？如果錯(cuò)誤錯(cuò)在何處？為此筆者查閱了相關(guān)資料，并進(jìn)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(xiàng)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?yàn)檫\(yùn)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?yàn)槎O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(jì)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(duì)穩(wěn)恒電流、電流的瞬時(shí)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(duì)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(shí)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(cuò)開一個(gè)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(jì)算已遠(yuǎn)超出中學(xué)教學(xué)要求(物理知識(shí)方面與數(shù)學(xué)運(yùn)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(xiàng)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(cè)量的一定是交流電的有效值嗎？

圖4　交流儀表測(cè)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(shí)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(huì)變)，已知

所以

為驗(yàn)證上述結(jié)論，筆者特意在實(shí)驗(yàn)室分別用半波整流的交流儀表與全波整流的交流儀表測(cè)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(qiáng)調(diào)“交流儀表測(cè)量值為有效值”，對(duì)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(duì)該問題深入分析后，筆者特意查閱課本，發(fā)現(xiàn)課本對(duì)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(yè)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(cè)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(cè)量值是有效值的前面有兩個(gè)關(guān)鍵字：“一般”！正是有這兩個(gè)字“一般”暗示交流儀表的測(cè)量值并不一定總是有效值，對(duì)磁電式儀表而言，只有正弦或余弦交流電儀表的測(cè)量值才是有效值．由此說明在平時(shí)的教學(xué)過程中要認(rèn)真研讀課本，必要時(shí)多討論、多實(shí)驗(yàn)，真正掌握課本知識(shí)的精髓．

收稿日期：(2015-01-21)

作者簡(jiǎn)介：(濱州學(xué)院光電工程系山東 濱州256600) 對(duì)交流電3個(gè)問題的探究與思考徐君生陳潤(rùn)龍徐君生(1965-)，男，中教高級(jí)，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(jí)教師后備人員．(江蘇省揚(yáng)中高級(jí)中學(xué)江蘇 鎮(zhèn)江212200)(收稿日期：2014-12-23)

基金項(xiàng)目*濱州學(xué)院科研，編號(hào)：BZXYG04