基于人體紅外感應(yīng)技術(shù)電暖器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)
應(yīng)用各種發(fā)熱器件制作的電暖器已普及到城鄉(xiāng)千家萬(wàn)戶。不論是已安裝了空調(diào)設(shè)備、還是使用其他取暖設(shè)備的場(chǎng)所，包括辦公場(chǎng)所，個(gè)別地方甚至達(dá)到了人手一臺(tái)的程度。說(shuō)明了這類取暖設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉、節(jié)電節(jié)能，使用方便，得到了人們的青睞與喜歡，在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，尤其是在南方，仍具有廣闊的市場(chǎng)前景。但是，因使用電火災(zāi)。人們不能絕對(duì)保證在所有用電的場(chǎng)所、所有的時(shí)刻不發(fā)生一點(diǎn)點(diǎn)疏忽大意，也不是說(shuō)一二次的疏忽大意就必然會(huì)發(fā)生火災(zāi)事故，但一旦發(fā)生、一旦發(fā)生到某家底、某個(gè)人身上，則對(duì)于這個(gè)家庭將是暖器不慎而造成的火災(zāi)時(shí)有發(fā)生，有些火災(zāi)給人們的生命財(cái)產(chǎn)造成了無(wú)法挽回的損害。根據(jù)調(diào)查分析，結(jié)合身邊所發(fā)生過(guò)的案例，并參考各種媒體的報(bào)道可知，引起火災(zāi)的主要原因是人們因某種原因突然外出，或睡覺(jué)休息等忘記關(guān)斷電源，時(shí)間長(zhǎng)而引發(fā)了災(zāi)難性的、將造成無(wú)法挽回的后果。所以要重視暖器的安全問(wèn)題，需要研究設(shè)計(jì)能提高安全性能、爭(zhēng)取做到萬(wàn)無(wú)一失、節(jié)電、保安的電暖器。
1 總體設(shè)計(jì)
1.1 基本設(shè)計(jì)要求
在基本不改變現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)以下功能：
(1)距火源1 m范圍內(nèi)，只要有人在取暖烤火，能保證連續(xù)供電而不斷電;
(2)當(dāng)人短暫離開(kāi)(10 min內(nèi))仍要保持通電狀態(tài);
在無(wú)人狀態(tài)且超過(guò)設(shè)定時(shí)間后應(yīng)立即自動(dòng)切斷電源;
(3)能根據(jù)使用者的需要正常調(diào)節(jié)溫度;
(4)設(shè)計(jì)溫控保護(hù)，當(dāng)超過(guò)設(shè)定溫度后能自動(dòng)斷電，溫度下降后又能自動(dòng)接通電路;
(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，總體電路的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，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)現(xiàn)的斷電自鎖保護(hù)功能;由溫控開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的高溫自動(dòng)斷電、溫度下降后自動(dòng)接通功能;由調(diào)溫器實(shí)現(xiàn)的溫度手動(dòng)調(diào)節(jié)功能。另外，人體紅外傳感器所控制的是繼電器電磁線圈電流，工作可靠，使用壽命長(zhǎng)，功耗卻很小，通過(guò)的電流只有1.4 mA，起到了節(jié)電和保護(hù)紅外傳感器的作用，因?yàn)樨?fù)載電流不通過(guò)紅外傳感器。對(duì)于斷電自鎖功能應(yīng)用于電暖器上是非常有意義、也是非常有必要的。雖然斷電、人來(lái)后不能自動(dòng)接通發(fā)熱電路，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識(shí)。
2 熱釋電紅外傳感器總成電路的設(shè)計(jì)
熱釋電紅外傳感器能檢測(cè)到人體發(fā)射的紅外線并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。因?yàn)槿梭w都有恒定的體溫，一般在37℃左右，會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)的紅外線(普通人體會(huì)發(fā)射 10μm左右的特定波長(zhǎng)紅外線)，利用紅外探頭(PIR管)探測(cè)人體發(fā)射的紅外線，利用菲涅耳濾光片，增強(qiáng)后聚集到PIR管，同時(shí)能明顯的抑制環(huán)境干擾。人們利用這方面的研究成果，已成功運(yùn)用到安全防范、燈光控制、衛(wèi)廚設(shè)備、人體測(cè)溫，也應(yīng)用到對(duì)人體傷害極為嚴(yán)重的高壓電及X射線、7射線工業(yè)無(wú)損檢測(cè)等方面。實(shí)際上，通過(guò)分析研究試驗(yàn)，參考相關(guān)電路并進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，熱釋電紅外傳感器也適宜應(yīng)用于普及到千家萬(wàn)戶的各類電暖器上。電路如圖2所示。
以上電路由人體熱釋電紅外線傳感器、信號(hào)處理芯片、控制及執(zhí)行電路、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流4.0～5.5 V，內(nèi)置穩(wěn)壓3.1 V輸出直接驅(qū)動(dòng)PIR管。PIR管(探頭)感應(yīng)到信號(hào)經(jīng)內(nèi)部放大，若判斷有觸發(fā)，運(yùn)放輸出高電平，這時(shí)計(jì)時(shí)檢測(cè)電路開(kāi)始計(jì)時(shí)，計(jì)滿一定的內(nèi)部時(shí)鐘周期，則跳變?yōu)楦?，控制信?hào)由芯片的11腳輸出，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為1 mΩ固定電阻，R12為微型可調(diào)電阻，兩電阻與C9組成了RC電路，通過(guò)調(diào)節(jié)R12的值可以實(shí)現(xiàn)對(duì)延時(shí)時(shí)間的控制。試驗(yàn)得知在總電阻 R=R12+R15=1 mΩ時(shí)，可控硅接通時(shí)間約為4 min;當(dāng)R=R12+R15=3 mΩ時(shí)，可控硅接通時(shí)間約達(dá)到9 min。為了增加人體的有效感應(yīng)面(感應(yīng)范圍)，設(shè)計(jì)中采用并聯(lián)兩只PIR管，可以通過(guò)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線，以防止信號(hào)在導(dǎo)線上的損耗和噪聲干擾，影響自動(dòng)斷電的可靠性。
3 試驗(yàn)試用情況
從2008年4月～2009年4月，進(jìn)行了諸如PIR管安裝位置、溫度影響、烤火人數(shù)多少、延時(shí)時(shí)長(zhǎng)等多方面的試驗(yàn)和應(yīng)用。試驗(yàn)中，采用兩根長(zhǎng)300 mm、總功率為600 W的石英發(fā)熱管，安裝在木制四方型箱體正中。如圖3照片所示。試驗(yàn)中，取消斷電自鎖功能;取消溫控?cái)嚯姽δ?短路溫控開(kāi)關(guān));同時(shí)通過(guò)調(diào)溫器將其功率調(diào)到最高輸出。試驗(yàn)結(jié)果如下所述。
3.1 延時(shí)時(shí)長(zhǎng)與烤火人數(shù)對(duì)可靠性的影響試驗(yàn)
工作的可靠性，主要是有人在的時(shí)候，供電的連續(xù)性與當(dāng)人離開(kāi)后自動(dòng)斷電的準(zhǔn)確性。二者中，能否實(shí)現(xiàn)人離電斷更顯得重要，也是該設(shè)計(jì)的核心所在。工作可靠性，直接影響到安全性能和節(jié)電。從以上試驗(yàn)可知，選取延時(shí)時(shí)長(zhǎng)為5～7 min內(nèi)，用于這類電暖器，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下，偶爾有斷電情況發(fā)生，但只需要按一下開(kāi)關(guān)按鈕，從實(shí)際出發(fā)并不是那么麻煩。當(dāng)然，使用雙PIR管重復(fù)上述試驗(yàn)(略)表明：斷電率明顯下降。為保證能在人離開(kāi)后自動(dòng)準(zhǔn)確斷電，可以適當(dāng)縮短延時(shí)時(shí)長(zhǎng)，做到不影響安全性能。
3.2 PIR探頭與取暖器相對(duì)位置的試驗(yàn)
使用單PIR管，選定延時(shí)時(shí)長(zhǎng)為5 min，按照?qǐng)D4所示的三種典型位置進(jìn)行試驗(yàn)。
圖4(a)中，是將PIR探頭正面中心對(duì)準(zhǔn)電暖器，(實(shí)際應(yīng)用中不會(huì)出現(xiàn)此類情況)結(jié)果表明，在H=30 cm以內(nèi)，不能斷電;在H=40～90 cm，自動(dòng)斷電逐步趨于穩(wěn)定，偶有自動(dòng)接通現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)H≥90 cm后，能可靠斷電，且不會(huì)發(fā)生自動(dòng)接通現(xiàn)象。分析可知，當(dāng)H較小時(shí)，熱輻射對(duì)PIR管有影響，因?yàn)榇藭r(shí)產(chǎn)生的波長(zhǎng)不穩(wěn)定而造成熱釋電效應(yīng)，導(dǎo)致探測(cè)器輸出信號(hào)。圖4(b)中，PIR探頭中心軸線與電暖器熱反射線垂直。L值與H值每隔50 mm，一一對(duì)應(yīng)試驗(yàn)，每對(duì)應(yīng)點(diǎn)分別測(cè)試10次以上，以排除個(gè)別現(xiàn)象，結(jié)果如表2所示。
表2的試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)L>100 mm，H>400 mm，就能保證安全、可靠地?cái)嚯姟Ｔ谠O(shè)計(jì)制作中，很容易做到避開(kāi)不穩(wěn)定以外的區(qū)域，而在實(shí)際應(yīng)用中，就可以做到隨意使用。圖4(c)中，PIR探頭中心軸線與電暖器熱反射線平行。實(shí)際試驗(yàn)中，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。試驗(yàn)證明：只要適當(dāng)離開(kāi)“50 mm”取暖器(主要是防止衣物、小棉被覆蓋PIR探頭)，是完全能夠保證只要人離開(kāi)，就可以在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)切斷電源。
4 結(jié) 語(yǔ)
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)技術(shù)應(yīng)用于普及到千家萬(wàn)戶的各類電暖器具上，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)證明是完全可行的。設(shè)計(jì)制作時(shí)，將延時(shí)時(shí)長(zhǎng)設(shè)計(jì)選定在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(kāi)電暖器直接熱源，可以實(shí)現(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現(xiàn)，應(yīng)該認(rèn)為，不影響其使用方便性和工作可靠性。