基于紅外感應(yīng)技術(shù)電暖器的應(yīng)用設(shè)計與試驗(yàn)

0 引 言
??? 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)備的場所，包括辦公場所，個別地方甚至達(dá)到了人手一臺的程度。說明了這類取暖設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉、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)長的時期內(nèi)，尤其是在南方，仍具有廣闊的市場前景。但是，因使用電暖器不慎而造成的火災(zāi)時有發(fā)生，有些火災(zāi)給人們的生命財產(chǎn)造成了無法挽回的損害。根據(jù)調(diào)查分析，結(jié)合身邊所發(fā)生過的案例，并參考各種媒體的報道可知，引起火災(zāi)的主要原因是人們因某種原因突然外出，或睡覺休息等忘記關(guān)斷電源，時間長而引發(fā)了火災(zāi)。人們不能絕對保證在所有用電的場所、所有的時刻不發(fā)生一點(diǎn)點(diǎn)疏忽大意，也不是說一二次的疏忽大意就必然會發(fā)生火災(zāi)事故，但一旦發(fā)生、一旦發(fā)生到某家底、某個人身上，則對于這個家庭將是災(zāi)難性的、將造成無法挽回的后果。所以要重視暖器的安全問題，需要研究設(shè)計能提高安全性能、爭取做到萬無一失、節(jié)電、保安的電暖器。

1 總體設(shè)計
1．1 基本設(shè)計要求
??? 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(10 min內(nèi))仍要保持通電狀態(tài)；
??? 在無人狀態(tài)且超過設(shè)定時間后應(yīng)立即自動切斷電源；
??? (3)能根據(jù)使用者的需要正常調(diào)節(jié)溫度；
??? (4)設(shè)計溫控保護(hù)，當(dāng)超過設(shè)定溫度后能自動斷電，溫度下降后又能自動接通電路；
??? (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)雖然簡單，卻具有多重保護(hù)功能：即人體紅外感應(yīng)自動斷電功能，由繼電器控制實(shí)現(xiàn)的斷電自鎖保護(hù)功能；由溫控開關(guān)實(shí)現(xiàn)的高溫自動斷電、溫度下降后自動接通功能；由調(diào)溫器實(shí)現(xiàn)的溫度手動調(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，功耗卻很小，通過的電流只有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)載電流不通過紅外傳感器。對于斷電自鎖功能應(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、人來后不能自動接通發(fā)熱電路，但只要輕輕按下按鈕，這對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。

2 熱釋電紅外傳感器總成電路的設(shè)計
??? 熱釋電紅外傳感器能檢測到人體發(fā)射的紅外線并轉(zhuǎn)換成電信號輸出。因?yàn)槿梭w都有恒定的體溫，一般在37℃左右，會發(fā)出特定波長的紅外線(普通人體會發(fā)射10μm左右的特定波長紅外線)，利用紅外探頭(PIR管)探測人體發(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、人體測溫，也應(yīng)用到對人體傷害極為嚴(yán)重的高壓電及X射線、7射線工業(yè)無損檢測等方面。實(shí)際上，通過分析研究試驗(yàn)，參考相關(guān)電路并進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，熱釋電紅外傳感器也適宜應(yīng)用于普及到千家萬戶的各類電暖器上。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PIR管。PIR管(探頭)感應(yīng)到信號經(jīng)內(nèi)部放大，若判斷有觸發(fā)，運(yùn)放輸出高電平，這時計時檢測電路開始計時，計滿一定的內(nèi)部時鐘周期，則跳變?yōu)楦?，控制信號由芯片?1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，通過調(diào)節(jié)R12的值可以實(shí)現(xiàn)對延時時間的控制。試驗(yàn)得知在總電阻R=R12+R15=1 mΩ時，可控硅接通時間約為4 min；當(dāng)R=R12+R15=3 mΩ時，可控硅接通時間約達(dá)到9 min。為了增加人體的有效感應(yīng)面(感應(yīng)范圍)，設(shè)計中采用并聯(lián)兩只PIR管，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線，以防止信號在導(dǎo)線上的損耗和噪聲干擾，影響自動斷電的可靠性。

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、延時時長等多方面的試驗(yàn)和應(yīng)用。試驗(yàn)中，采用兩根長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；取消溫控斷電功能(短路溫控開關(guān))；同時通過調(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 延時時長與烤火人數(shù)對可靠性的影響試驗(yàn)
??? 工作的可靠性，主要是有人在的時候，供電的連續(xù)性與當(dāng)人離開后自動斷電的準(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，選取延時時長為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。為保證能在人離開后自動準(zhǔn)確斷電，可以適當(dāng)縮短延時時長，做到不影響安全性能。

3．2 PIR探頭與取暖器相對位置的試驗(yàn)
??? 使用單PIR管，選定延時時長為5 min，按照圖4所示的三種典型位置進(jìn)行試驗(yàn)。

??? 圖4(a)中，是將PIR探頭正面中心對準(zhǔn)電暖器，(實(shí)際應(yīng)用中不會出現(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，自動斷電逐步趨于穩(wěn)定，偶有自動接通現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)H≥90 cm后，能可靠斷電，且不會發(fā)生自動接通現(xiàn)象。分析可知，當(dāng)H較小時，熱輻射對PIR管有影響，因?yàn)榇藭r產(chǎn)生的波長不穩(wěn)定而造成熱釋電效應(yīng)，導(dǎo)致探測器輸出信號。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，一一對應(yīng)試驗(yàn)，每對應(yīng)點(diǎn)分別測試10次以上，以排除個別現(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、可靠地斷電。在設(shè)計制作中，很容易做到避開不穩(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“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，就可以在設(shè)定的時間內(nèi)自動切斷電源。

4 結(jié) 語
??? 安全與節(jié)電是社會和世界永恒的主題。以上所做的研究工作表明，把人體紅外感應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于普及到千家萬戶的各類電暖器具上，能夠達(dá)到設(shè)計要求，試驗(yàn)證明是完全可行的。設(shè)計制作時，將延時時長設(shè)計選定在7 min以內(nèi)，注意PIR管總成模塊電路與電暖器的相對安裝位置，避開電暖器直接熱源，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，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。