基于人體紅外感應(yīng)技�(shù)電暖器的�(shè)�(jì)與試�(yàn)
�(yīng)用各種發(fā)熱器件制作的電暖器已普及到城�(xiāng)千家萬戶。不論是已安裝了空調(diào)�(shè)�、還是使用其他取暖設(shè)備的�(chǎng)所，包括辦公場(chǎng)所，�(gè)別地方甚至達(dá)到了人手一�(tái)的程�。說明了這類取暖�(shè)備結(jié)�(gòu)�(jiǎn)�，價(jià)格低廉、節(jié)電節(jié)�，使用方便，得到了人們的青睞與喜�，在今后相當(dāng)長的�(shí)期內(nèi)，尤其是在南�，仍具有廣闊的市�(chǎng)前景。但�，因使用電火�(zāi)。人們不能絕�(duì)保證在所有用電的�(chǎng)所、所有的�(shí)刻不�(fā)生一�(diǎn)�(diǎn)疏忽大意，也不是說一二次的疏忽大意就必然�(huì)�(fā)生火�(zāi)事故，但一旦發(fā)生、一旦發(fā)生到某家�、某�(gè)人身上，則對(duì)于這�(gè)家庭將是暖器不慎而造成的火�(zāi)�(shí)有發(fā)�，有些火�(zāi)給人們的生命�(cái)�(chǎn)造成了無法挽回的損害。根�(jù)�(diào)查分�，結(jié)合身邊所�(fā)生過的案例，并參考各種媒體的�(bào)道可�，引起火�(zāi)的主要原因是人們因某種原因突然外出，或睡覺休息等忘記關(guān)斷電�，時(shí)間長而引�(fā)了災(zāi)難性的、將造成無法挽回的后�。所以要重視暖器的安全問題，需要研究設(shè)�(jì)能提高安全性能、爭(zhēng)取做到萬無一�、節(jié)電、保安的電暖��
1 總體�(shè)�(jì)
1.1 基本�(shè)�(jì)要求
在基本不改變�(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)�(gòu)的基�(chǔ)�，應(yīng)該實(shí)�(xiàn)以下功能�
(1)距火�1 m范圍�(nèi)，只要有人在取暖烤火，能保證連續(xù)供電而不斷電;
(2)�(dāng)人短暫離�(10 min�(nèi))仍要保持通電狀�(tài);
在無人狀�(tài)且超過設(shè)定時(shí)間后�(yīng)立即自動(dòng)切斷電源;
(3)能根�(jù)使用者的需要正常調(diào)節(jié)溫度;
(4)�(shè)�(jì)溫控保護(hù)，當(dāng)超過�(shè)定溫度后能自�(dòng)斷電，溫度下降后又能自動(dòng)接通電�;
(5)要有斷電自鎖保護(hù)功能�
1.2 總體電路
從圖1中可以看出，總體電路的主要特�(diǎn)是結(jié)�(gòu)雖然�(jiǎn)�，卻具有多重保護(hù)功能：即人體紅外感應(yīng)自動(dòng)斷電功能，由繼電器控制實(shí)�(xiàn)的斷電自鎖保�(hù)功能;由溫控開�(guān)�(shí)�(xiàn)的高溫自�(dòng)斷電、溫度下降后自動(dòng)接通功�;由調(diào)溫器�(shí)�(xiàn)的溫度手�(dòng)�(diào)節(jié)功能。另�，人體紅外傳感器所控制的是繼電器電磁線圈電�，工作可�，使用壽命長，功耗卻很小，通過的電流只�1.4 mA，起到了節(jié)電和保護(hù)紅外傳感器的作用，因?yàn)�?fù)載電流不通過紅外傳感�。對(duì)于斷電自鎖功能應(yīng)用于電暖器上是非常有意義、也是非常有必要�。雖然斷電、人來后不能自動(dòng)接通發(fā)熱電�，但只要輕輕按下按鈕，這對(duì)于取暖者而言并不麻煩，且在某種程度上還增加了用電必須注意節(jié)約和提高安全用電的意�(shí)�
2 熱釋電紅外傳感器總成電路的設(shè)�(jì)
熱釋電紅外傳感器能檢�(cè)到人體發(fā)射的紅外線并�(zhuǎn)換成電信�(hào)輸出。因?yàn)槿梭w都有恒定的體溫，一般在37℃左�，會(huì)�(fā)出特定波長的紅外�(普通人體會(huì)�(fā)� 10μm左右的特定波長紅外線)，利用紅外探�(PIR�)探測(cè)人體�(fā)射的紅外�，利用菲涅耳濾光片，增�(qiáng)后聚集到PIR�，同�(shí)能明顯的抑制�(huán)境干�。人們利用這方面的研究成果，已成功�(yùn)用到安全防范、燈光控�、衛(wèi)廚設(shè)備、人體測(cè)�，也�(yīng)用到�(duì)人體傷害極為�(yán)重的高壓電及X射線�7射線工業(yè)無損檢測(cè)等方�。實(shí)際上，通過分析研究試驗(yàn)，參考相�(guān)電路并�(jìn)行改�(jìn)�(shè)�(jì)，熱釋電紅外傳感器也適宜�(yīng)用于普及到千家萬戶的各類電暖器上。電路如�2所��
以上電路由人體熱釋電紅外線傳感器、信�(hào)處理芯片、控制及�(zhí)行電�、電源電路等幾部分組成。電路中主要采用了CSC9803紅外感應(yīng)信號(hào)處理芯片。該芯片工作電壓為直�4.0�5.5 V，內(nèi)置穩(wěn)�3.1 V輸出直接�(qū)�(dòng)PIR�。PIR�(探頭)感應(yīng)到信�(hào)�(jīng)�(nèi)部放�，若判斷有觸�(fā)，運(yùn)放輸出高電平，這時(shí)�(jì)�(shí)檢測(cè)電路開始�(jì)�(shí)，計(jì)滿一定的�(nèi)部時(shí)鐘周期，則跳�?yōu)�?，控制信?hào)由芯片的11腳輸�，經(jīng)三極管放大控制雙向可控硅，并由雙向可控硅控制外部交流電路。外圍電路中的R15�1 mΩ固定電阻，R12為微型可�(diào)電阻，兩電阻與C9組成了RC電路，通過�(diào)節(jié)R12的值可以實(shí)�(xiàn)�(duì)延時(shí)�(shí)間的控制。試�(yàn)得知在總電阻 R=R12+R15=1 mΩ�(shí)，可控硅接通時(shí)間約�4 min;�(dāng)R=R12+R15=3 mΩ�(shí)，可控硅接通時(shí)間約�(dá)�9 min。為了增加人體的有效感應(yīng)�(感應(yīng)范圍)，設(shè)�(jì)中采用并�(lián)兩只PIR�，可以通過三根連接線將其連接后分別安裝在不同位置，但要盡可能地縮短相互間的連接�，以防止信號(hào)在導(dǎo)線上的損耗和噪聲干擾，影響自�(dòng)斷電的可靠��
3 試驗(yàn)試用情況
�2008�4月～2009�4�，�(jìn)行了諸如PIR管安裝位置、溫度影響、烤火人�(shù)多少、延�(shí)�(shí)長等多方面的試驗(yàn)和應(yīng)�。試�(yàn)中，采用兩根�300 mm、總功率�600 W的石英發(fā)熱管，安裝在木制四方型箱體正�。如�3照片所�。試�(yàn)中，取消斷電自鎖功能;取消溫控?cái)嚯姽δ?短路溫控開關(guān));同時(shí)通過�(diào)溫器將其功率�(diào)到最高輸�。試�(yàn)�(jié)果如下所��
3.1 延時(shí)�(shí)長與烤火人數(shù)�(duì)可靠性的影響試驗(yàn)
工作的可靠�，主要是有人在的�(shí)�，供電的連續(xù)性與�(dāng)人離開后自動(dòng)斷電的準(zhǔn)確性。二者中，能否實(shí)�(xiàn)人離電斷更顯得重�，也是該�(shè)�(jì)的核心所�。工作可靠性，直接影響到安全性能和節(jié)�。從以上試驗(yàn)可知，選取延�(shí)�(shí)長為5�7 min�(nèi)，用于這類電暖�，能取得滿意的節(jié)電效果和確保安全。雖然在只有一人烤火的情況�，偶爾有斷電情況�(fā)�，但只需要按一下開�(guān)按鈕，從�(shí)際出�(fā)并不是那么麻�。當(dāng)�，使用雙PIR管重�(fù)上述試驗(yàn)(�)表明：斷電率明顯下降。為保證能在人離開后自動(dòng)�(zhǔn)確斷�，可以適�(dāng)縮短延時(shí)�(shí)�，做到不影響安全性能�
3.2 PIR探頭與取暖器相對(duì)位置的試�(yàn)
使用單PIR�，選定延�(shí)�(shí)長為5 min，按�?qǐng)D4所示的三種典型位置�(jìn)行試�(yàn)�
�4(a)�，是將PIR探頭正面中心�(duì)�(zhǔn)電暖器，(�(shí)際應(yīng)用中不會(huì)出現(xiàn)此類情況)�(jié)果表�，在H=30 cm以內(nèi)，不能斷�;在H=40�90 cm，自�(dòng)斷電逐步趨于�(wěn)定，偶有自動(dòng)接通現(xiàn)象發(fā)�。當(dāng)H�90 cm�，能可靠斷電，且不會(huì)�(fā)生自�(dòng)接通現(xiàn)�。分析可知，�(dāng)H較小�(shí)，熱輻射�(duì)PIR管有影響，因?yàn)榇藭r(shí)�(chǎn)生的波長不穩(wěn)定而造成熱釋電效�(yīng)，導(dǎo)致探�(cè)器輸出信�(hào)。圖4(b)�，PIR探頭中心軸線與電暖器熱反射線垂直。L值與H值每�50 mm，一一�(duì)�(yīng)試驗(yàn)，每�(duì)�(yīng)�(diǎn)分別�(cè)�10次以�，以排除�(gè)別現(xiàn)�，結(jié)果如�2所��
�2的試�(yàn)�(jié)果表明：�(dāng)L>100 mm，H>400 mm，就能保證安�、可靠地?cái)�?。在�(shè)�(jì)制作�，很容易做到避開不穩(wěn)定以外的區(qū)�，而在�(shí)際應(yīng)用中，就可以做到隨意使用。圖4(c)�，PIR探頭中心軸線與電暖器熱反射線平行。實(shí)際試�(yàn)�，是將PIR探頭安置于電源連接線中，像普通使用電源接線板情況那樣，把電源連接線拖放于地面。試�(yàn)證明：只要適�(dāng)離開�50 mm”取暖器(主要是防止衣�、小棉被覆蓋PIR探頭)，是完全能夠保證只要人離�，就可以在設(shè)定的�(shí)間內(nèi)自動(dòng)切斷電源�
4 �(jié) �
安全與節(jié)電是社會(huì)和世界永恒的主題。以上所做的研究工作表明，把人體紅外感應(yīng)技�(shù)�(yīng)用于普及到千家萬戶的各類電暖器具�，能夠達(dá)到設(shè)�(jì)要求，試�(yàn)證明是完全可行的。設(shè)�(jì)制作�(shí)，將延時(shí)�(shí)長設(shè)�(jì)選定�7 min以內(nèi)，注意PIR管總成模塊電路與電暖器的相對(duì)安裝位置，避開電暖器直接熱源，可以實(shí)�(xiàn)保證安全和達(dá)到節(jié)電目的。當(dāng)只有一人使用時(shí)，雖偶爾有斷電情況出�(xiàn)，應(yīng)該認(rèn)�，不影響其使用方便性和工作可靠��