人体红外线控制LED镜灯的制作

 

　　人体红外线控制LED镜灯采用人体红外线“热释电”探测器，利用探测到的人体移动红外线信号的有和无，来控制新型光源一一超高亮度LED灯。该灯同时具有光控作用：环境亮度较强时(如白天)，该灯的控制电路被“封锁”，不允许触发，进入“休眠”状态，即使有人靠近该灯也不会被点亮)环境亮度较弱时(如晚上)，该灯的控制电路“封锁”被解除，进入允许触发的“待机”状态，此时如有人体移动到该灯红外探测器的作用范围内(2m-3m)，该灯就立即被点亮，廷时一段时间后自动熄灭。

　　该灯的色温亮度，比一般荧光灯高，光色柔和，功耗低，灯板上使用超高亮白光LED阵列，点亮时耗电仅5W-6W，其实际亮度可与12W荧光灯媲美。该灯可用于家庭的卫生间、厨房、过道等需要自动照明的地方。

　　一、工作原理

　　根据探测原理，该灯属于被动式红外线传感技术，它应用红外热释电效应将人体移动所发出的极微量红外线转换成相应的电信号，进行放大处理后，对LED镜灯进行自动开关控制。红外“热释头”(即传感器，见下图)

顶部有一块方形的干涉滤光片，用以滤除包括太阳光、电灯等其他热源的近红外辐射光(即小于7.5μm和大于l4μm波长的红外杂光)，只让人体所特有的7μm-l4μm波长的红外光谱透过方形滤光片顺利进入红外热释电传感器，而且在传感器的前端还配有一个半球形的菲涅尔透镜(见下图)，将收集到的红外线最大限度地聚焦于管子顶部的方形滤光片上，使接收距离大幅提高。

　　控制电路选用功耗极低的BISSOOOI专用集成电路(见下图)，一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。

　　它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。该电路零件少，节省安装空间，稳定可靠。为避免控制电路工作电源和LED灯板电源间的相互牵制和影响，分别独立设计了两组电源一组为ECI(专供控制电路)，另一组为EC2(专供LED灯板电路)，具体电路参见下图。

　　上图中，以虚线为界，左边是红外热释电控制电路，右边是该灯具的电源部分ECI、EC2及负载LED灯板电路。该灯板中每18只LED串联成一路，共6路并联，使用了108只超高亮度白光LED。跨接在“L、N”两端的Cl2是抗干扰抑制电容，防止家电小型电机(如洗衣机之类)对灯具控制电路可能产生的干扰。

　　在上图中L、N输入端接通220V交流电源后，经C11限流、VD1-VD4桥式整流，Cl3、Cl4滤波和VD9“预稳压”，获得1OV左右直流电压加到三端稳压器7805的输入端，稳压后输出的5V直流电压再经过Cl5、Cl6滤波后作为EC1供给红外热释电控制电路。在正常情况下，该灯在刚接通交流220V电源瞬间，因控制电路IC1(BISSOOO1)的第2脚输出高电平，驱动晶体管VT(9013)导通，于是就有工作电压(电流)供给固态继电器TLP3502的输入端(2、3)，使输出端(6、8)导通，此时因有220V交流输入电压，故EC2就有直流输出供给负载将LED灯板点亮一段时间，等所设定的延时时间一到，IC1第2脚立即变为低电平，通过后级电路的“连锁反应”，LED灯板即会失电而自动熄灭。

　　由于光控作用，白天RM受环境自然光线照射，电阻较小，它与R3、RPI所构成的分压电路在IC1第9脚只分得很少电压，即9脚电位比较低，当9脚电位低于1/5V()D(即<IV)时，IC1内部的控制电路被封锁(注：9脚电位可通过RPI来设定)，此时，即使在红外探头“PIR”作用L距离内有人体移动，红外信号也无效，即由“PIR”的S端输出加到IC1第14脚的人体红外光电信号被拒绝接收，于是IC1的输出端2脚便无控制信号输出(呈低电平“0”状态)，三极管9013截止，此时SSR输入端2、3脚因无工作电流，其输出端6、8脚也截止、电源EC2因无交流220V输入故输出为0，LED灯不亮，这就是“封锁”阶段。晚上，环境光线很暗，因RM失去光照，阻值变得很大(在1MΩ一2MΩ之间)，它与R3、RP1所组成的新的分压关系使IC1第9脚获得较高电位(>1/5Vdd,即>1V)时，封锁状态即转变为允许触发状态。若此时在“PIR”作用范围内再有人体移动信号被接收，则“PIR”S端所输出的极微弱的红外光电信号就会从IC1第14脚输入，通过IC1内部的第一级高增益运放放大后由16脚输出，经外电路C3耦合到芯片内第二级运放再放大，经内部比较器、双向鉴幅器后检出有效触发信号去启动延时器(定时器)，同时再由2脚输出高电平控制信号使三极管VT导通，由S、C两端向SSR输入端2、3脚提供驱动工作电流，则输出端6、8脚内部的双向晶闸管由截止变为导通，此时220V电压即从L、N输入到由Cl7、VD5-VD8、Cl8等组成的电容限流整流源，通过Cl7限流(将电流限止或镇流到负载LED所需的工作电流值)，经VD5-VD8整流和Cl8滤坡后供给负载LED灯板，LEDI一LEDlO8即被点亮。前已提到：在IC1第2脚输出高电平控制信号的同时，其内部定时器也被启动，(延时时间由ICI第3、4脚间所接R·C参数决定，即延时时间Tx=49152×RP2×C9，等到延时结束，IC1输出端2脚由高电平 1 变为低电平0，三极管VT截止，SSR输入端2、3脚失电，SSR6、8  脚截止断开，EC2无输出，LED灯熄灭，灯具又进人待机状态，等待下一次人体移动信号的到来。跨接在灯板电源EC2输出端上的VDIO为“TVS”瞬变电压抑止二极管，用以拦截可能出现的瞬时高电压，确保LED安全运行。

　　二、元件选择

　　该灯各元件参数己在图2中标明，下面仅对四种元件的选购加以说明：

　　1.发光二极管要选用超高亮伯光)LED，工作电压为3.OV-3.2V，工作电流l8mA-20mA，亮度≥lOO0mcd，光发散角≥120。(更适合照明)。在统一工作电压(即固定测试电压值，如3VDC)情况下，各管电流误差应尽量控制在士10%之内。用万用表RxlOk挡逐一测试每只LED的正反向电阻，尤其是反向电阻越大越好，以电表指针不动为准。

　　2.光敏电阻RM亮电阻为2kΩ一20kΩ，暗电阻为1MΩ-3MΩ。(可在较明亮环境下，将不透光的笔套罩住“RM”，用万用表电阻挡所测出的电阻值即为暗电阻，去掉笔套后测出的即为亮电阻)。

　　3.电位器应选用小型(3296型)多转电位器。

　　4.固态继电器SSR选购时可用万用表Rxl0k挡测SSR输入端和输出端电阻，尤其是测输出端6、8脚的正反向电阻时电表指针一定要一点不动，否则即为坏管。

　　三、制作成本

　　LED：0.4-0.5元/只，0.5元/只x 108只=54元；BISSOOOl：3～3.5元/只；RE200B：3元/只；小型多转电位器：(约20转)3296型，0.3-0.5元/只；光敏电阻：0.6-0.8元/只；其他：15元，上述总体成本：75-80元。

　　四、电路的组装调试

      下图是该灯具红外热释电控制电路的印板图，图7是电源EC1、EC2的印制电路，图8是LED灯板印制电路。

　　1. 焊接：

　　( 1)按上图焊接好人体红外热释电控制电路印制板上的所有元件，红外热释头PIR (RE200B)应焊接在印制板带铜箔一面，以方便今后调试及使用，RP1和RP2在焊到印制板上应确保顺时针方向转动电阻增大，反时针方向转动电阻减小 (可事先用万用表测量判断)。

　　(2)按上图焊接好灯具电源电路印制板上的元件。

　　(3)按上图焊接好LED灯板，为增强反光效果。焊接前须在该印制板正面 (非铜箔面)粘按一层和该印制板相同尺寸的“镜面贴”(装璜店有卖，很便宜)，这种看上去像反光极好的“金属皮”其实在电气上是绝缘的，故LED的管脚间是不会被短路的，然后垫好平整的木板，可用 (41mm钻头钻LED管脚孔，完成后再在铜箔面上好锡即可进行焊接工作 (注：LED引脚不要修剪得太短，统一按6mm-8nlln长度落料)。此外需要注意的是：因LED数量较多，焊接时请先仔细看清管芯的形状特征，极性不要焊错。

　　2. 分调与检测因该灯的电源是直取市电的电容限流整流电源，元变压器隔离，通电调试时必须小心，手不要碰触到印制板铜箔面及元件的引脚，检查时切记拔除电源插头，以免触电危险。

　　本文重点介绍红外热释电控制电路的调试。

　　(1)用一只普通红色发光二极管(2V、lOmA)临时焊接到镜灯电源电路印制板所示的S、C的两端(S接LED阳极、C接阴极)，以此来模拟固态继电器SSR的工作状态：如LED被点亮，表示SSR导通，能控制点亮后级负载LED灯板；LED熄灭，则表示“SSR”截止，能切断LED灯板电源，这样可简单地通过LED的亮和暗来判断出该红外热释电控制电路的功能是否正常。为了调试方便，缩短调试时间，最好事先将输出延时控制时间Tx值调得小一些(半分钟一1分钟)，可将多转电位器RP2朝电阻减小的方向转8-10圈。

　　(2)将该控制电路板竖直放置在离地面lm左右高度的桌面上。插好电源插头，接通开关。在首次通电瞬间，不论有元人体移动信号，因IC1第2脚都会输出高电平(经过一段延时时间Tx后自动变为低电平)，故驱动了三极管9013导通，接在S、C两端的LED即破点亮(此时记下点亮时间)，等廷时结束2脚恢复为低电平，三极管截止，LED自动熄灭(再记录下熄灭时间)，用熄灭时间减去点亮时间即为廷时时间Tx值。

　　(3)检验控制电路白天的“封锁”功能。方法是：用万用表直流电压挡测IC的9脚电位是否小于1/5VDD(即是否<IV)，可调节RPI将9脚电位调整到低于IV。此时，人体移动到红外热释头“PIR”探测范围，由于控制电路被封锁，故接在S、C间的模拟该灯工作状态的LED也不会被点亮，说明白天控制电路被封锁的功能正常。在确认无误后，继续检测控制电路晚上封锁被解除及延时器的功能是否正常。

　　可用一只不透光的塑料笔套去罩住光敏电阻“RM”(模拟晚上暗环境)来调试。在确认已达到预期理想效果后即可切断220V电源，拆除焊在S、C两端的LED。本控制电路调试完成。

　　若有问题可根据红外热释电控制电路工作原理及目前所处的“工况(即白天还是模拟晚上)对照图5逐级检查：可用万用表直流电压挡重点检测IC1第9脚电位-输出控制端2脚电位-VT9013的基极电位-输出端S、C两端的电压是否正常(三极管导通时，Vsc≤2V，截止时为OV)，总之，只要元件质量可靠，无错焊、漏焊、虚焊等现象，准能顺利检测成功。

　　关于对该“控制电路”的灵敏度(接收距离)的调整，笔者的体会是：

　　(1)适当减小R7，如选择在l8ka一20ka时能提高接收距离。(2)适当减小R8，如选择为1.8MΩ时控制电路的反应比较灵敏。(3)由于人体所发出的红外线信号本来就很微弱且淹没在周围各红外杂光的环境中，敌需注意：红外热释头管子在印制板上安装时，管子的顶部(即带有小方块形状的接收窗口)与聚焦红外线作用的菲涅尔透镜是否垂直对准在它的焦距位置，这对提高接收灵敏度和距离至关重要，它比电路中上述参数调整更为重要，千万不要忽视。

　　到此，电源电路、灯板电路和红外控制电路的分调与检测全部结束，可作为合格备件供正式装配灯具之用。

　　关于灯壳、灯座、电源盒和红外热释电控制盒的制作分别如下图所示。