基于红外感应技术电暖器的应用设计与试验

基于红外感应技术电暖器的应用设计与试验

0 引 言
    应用各种发热器件制作的电暖器已普及到城乡千家万户。不论是已安装了空调设备、还是使用其他取暖设备的场所，包括办公场所，个别地方甚至达到了人手一台的程度。说明了这类取暖设备结构简单，价格低廉、节电节能，使用方便，得到了人们的青睐与喜欢，在今后相当长的时期内，尤其是在南方，仍具有广阔的市场前景。但是，因使用电暖器不慎而造成的火灾时有发生，有些火灾给人们的生命财产造成了无法挽回的损害。根据调查分析，结合身边所发生过的案例，并参考各种媒体的报道可知，引起火灾的主要原因是人们因某种原因突然外出，或睡觉休息等忘记关断电源，时间长而引发了火灾。人们不能绝对保证在所有用电的场所、所有的时刻不发生一点点疏忽大意，也不是说一二次的疏忽大意就必然会发生火灾事故，但一旦发生、一旦发生到某家底、某个人身上，则对于这个家庭将是灾难性的、将造成无法挽回的后果。所以要重视暖器的安全问题，需要研究设计能提高安全性能、争取做到万无一失、节电、保安的电暖器。

1 总体设计
1．1 基本设计要求
    在基本不改变现有产品结构的基础上，应该实现以下功能：
    (1)距火源1 m范围内，只要有人在取暖烤火，能保证连续供电而不断电；
    (2)当人短暂离开(10 min内)仍要保持通电状态；
    在无人状态且超过设定时间后应立即自动切断电源；
    (3)能根据使用者的需要正常调节温度；
    (4)设计温控保护，当超过设定温度后能自动断电，温度下降后又能自动接通电路；
    (5)要有断电自锁保护功能。
1．2 总体电路
    从图1中可以看出，总体电路的主要特点是结构虽然简单，却具有多重保护功能：即人体红外感应自动断电功能，由继电器控制实现的断电自锁保护功能；由温控开关实现的高温自动断电、温度下降后自动接通功能；由调温器实现的温度手动调节功能。另外，人体红外传感器所控制的是继电器电磁线圈电流，工作可靠，使用寿命长，功耗却很小，通过的电流只有1．4 mA，起到了节电和保护红外传感器的作用，因为负载电流不通过红外传感器。对于断电自锁功能应用于电暖器上是非常有意义、也是非常有必要的。虽然断电、人来后不能自动接通发热电路，但只要轻轻按下按钮，这对于取暖者而言并不麻烦，且在某种程度上还增加了用电必须注意节约和提高安全用电的意识。

2 热释电红外传感器总成电路的设计
    热释电红外传感器能检测到人体发射的红外线并转换成电信号输出。因为人体都有恒定的体温，一般在37℃左右，会发出特定波长的红外线(普通人体会发射10μm左右的特定波长红外线)，利用红外探头(PIR管)探测人体发射的红外线，利用菲涅耳滤光片，增强后聚集到PIR管，同时能明显的抑制环境干扰。人们利用这方面的研究成果，已成功运用到安全防范、灯光控制、卫厨设备、人体测温，也应用到对人体伤害极为严重的高压电及X射线、7射线工业无损检测等方面。实际上，通过分析研究试验，参考相关电路并进行改进设计，热释电红外传感器也适宜应用于普及到千家万户的各类电暖器上。电路如图2所示。

    以上电路由人体热释电红外线传感器、信号处理芯片、控制及执行电路、电源电路等几部分组成。电路中主要采用了CSC9803红外感应信号处理芯片。该芯片工作电压为直流4．0～5．5 V，内置稳压3．1 V输出直接驱动PIR管。PIR管(探头)感应到信号经内部放大，若判断有触发，运放输出高电平，这时计时检测电路开始计时，计满一定的内部时钟周期，则跳变为高，控制信号由芯片的11脚输出，经三极管放大控制双向可控硅，并由双向可控硅控制外部交流电路。外围电路中的R15为1 mΩ固定电阻，R12为微型可调电阻，两电阻与C9组成了RC电路，通过调节R12的值可以实现对延时时间的控制。试验得知在总电阻R=R12+R15=1 mΩ时，可控硅接通时间约为4 min；当R=R12+R15=3 mΩ时，可控硅接通时间约达到9 min。为了增加人体的有效感应面(感应范围)，设计中采用并联两只PIR管，可以通过三根连接线将其连接后分别安装在不同位置，但要尽可能地缩短相互间的连接线，以防止信号在导线上的损耗和噪声干扰，影响自动断电的可靠性。

3 试验试用情况
    从2008年4月～2009年4月，进行了诸如PIR管安装位置、温度影响、烤火人数多少、延时时长等多方面的试验和应用。试验中，采用两根长300 mm、总功率为600 W的石英发热管，安装在木制四方型箱体正中。如图3照片所示。试验中，取消断电自锁功能；取消温控断电功能(短路温控开关)；同时通过调温器将其功率调到最高输出。试验结果如下所述。
3．1 延时时长与烤火人数对可靠性的影响试验
    工作的可靠性，主要是有人在的时候，供电的连续性与当人离开后自动断电的准确性。二者中，能否实现人离电断更显得重要，也是该设计的核心所在。工作可靠性，直接影响到安全性能和节电。从以上试验可知，选取延时时长为5～7 min内，用于这类电暖器，能取得满意的节电效果和确保安全。虽然在只有一人烤火的情况下，偶尔有断电情况发生，但只需要按一下开关按钮，从实际出发并不是那么麻烦。当然，使用双PIR管重复上述试验(略)表明：断电率明显下降。为保证能在人离开后自动准确断电，可以适当缩短延时时长，做到不影响安全性能。

3．2 PIR探头与取暖器相对位置的试验
    使用单PIR管，选定延时时长为5 min，按照图4所示的三种典型位置进行试验。

    图4(a)中，是将PIR探头正面中心对准电暖器，(实际应用中不会出现此类情况)结果表明，在H=30 cm以内，不能断电；在H=40～90 cm，自动断电逐步趋于稳定，偶有自动接通现象发生。当H≥90 cm后，能可靠断电，且不会发生自动接通现象。分析可知，当H较小时，热辐射对PIR管有影响，因为此时产生的波长不稳定而造成热释电效应，导致探测器输出信号。图4(b)中，PIR探头中心轴线与电暖器热反射线垂直。L值与H值每隔50 mm，一一对应试验，每对应点分别测试10次以上，以排除个别现象，结果如表2所示。

    表2的试验结果表明：当L>100 mm，H>400 mm，就能保证安全、可靠地断电。在设计制作中，很容易做到避开不稳定以外的区域，而在实际应用中，就可以做到随意使用。图4(c)中，PIR探头中心轴线与电暖器热反射线平行。实际试验中，是将PIR探头安置于电源连接线中，像普通使用电源接线板情况那样，把电源连接线拖放于地面。试验证明：只要适当离开“50 mm”取暖器(主要是防止衣物、小棉被覆盖PIR探头)，是完全能够保证只要人离开，就可以在设定的时间内自动切断电源。

4 结 语
    安全与节电是社会和世界永恒的主题。以上所做的研究工作表明，把人体红外感应技术应用于普及到千家万户的各类电暖器具上，能够达到设计要求，试验证明是完全可行的。设计制作时，将延时时长设计选定在7 min以内，注意PIR管总成模块电路与电暖器的相对安装位置，避开电暖器直接热源，可以实现保证安全和达到节电目的。当只有一人使用时，虽偶尔有断电情况出现，应该认为，不影响其使用方便性和工作可靠性。