基于紅外感應技術電暖器的應用設計與試驗

0 引 言
??? 應用各種發熱器件制作的電暖器已普及到城鄉千家萬戶。不論是已安裝了空調設備、還是使用其他取暖設備的場所，包括辦公場所，個別地方甚至達到了人手一臺的程度。說明了這類取暖設備結構簡單，價格低廉、節電節能，使用方便，得到了人們的青睞與喜歡，在今后相當長的時期內，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時有發生，有些火災給人們的生命財產造成了無法挽回的損害。根據調查分析，結合身邊所發生過的案例，并參考各種媒體的報道可知，引起火災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斷電源，時間長而引發了火災。人們不能絕對保證在所有用電的場所、所有的時刻不發生一點點疏忽大意，也不是說一二次的疏忽大意就必然會發生火災事故，但一旦發生、一旦發生到某家底、某個人身上，則對于這個家庭將是災難性的、將造成無法挽回的后果。所以要重視暖器的安全問題，需要研究設計能提高安全性能、爭取做到萬無一失、節電、保安的電暖器。

1 總體設計
1．1 基本設計要求
??? 在基本不改變現有產品結構的基礎上，應該實現以下功能：
??? (1)距火源1 m范圍內，只要有人在取暖烤火，能保證連續供電而不斷電；
??? (2)當人短暫離開(10 min內)仍要保持通電狀態；
??? 在無人狀態且超過設定時間后應立即自動切斷電源；
??? (3)能根據使用者的需要正常調節溫度；
??? (4)設計溫控保護，當超過設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是結構雖然簡單，卻具有多重保護功能：即人體紅外感應自動斷電功能，由繼電器控制實現的斷電自鎖保護功能；由溫控開關實現的高溫自動斷電、溫度下降后自動接通功能；由調溫器實現的溫度手動調節功能。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，起到了節電和保護紅外傳感器的作用，因為負載電流不通過紅外傳感器。對于斷電自鎖功能應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計
??? 熱釋電紅外傳感器能檢測到人體發射的紅外線并轉換成電信號輸出。因為人體都有恒定的體溫，一般在37℃左右，會發出特定波長的紅外線(普通人體會發射10μm左右的特定波長紅外線)，利用紅外探頭(PIR管)探測人體發射的紅外線，利用菲涅耳濾光片，增強后聚集到PIR管，同時能明顯的抑制環境干擾。人們利用這方面的研究成果，已成功運用到安全防范、燈光控制、衛廚設備、人體測溫，也應用到對人體傷害極為嚴重的高壓電及X射線、7射線工業無損檢測等方面。實際上，通過分析研究試驗，參考相關電路并進行改進設計，熱釋電紅外傳感器也適宜應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紅外感應信號處理芯片。該芯片工作電壓為直流4．0～5．5 V，內置穩壓3．1 V輸出直接驅動PIR管。PIR管(探頭)感應到信號經內部放大，若判斷有觸發，運放輸出高電平，這時計時檢測電路開始計時，計滿一定的內部時鐘周期，則跳變為高，控制信號由芯片的11腳輸出，經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為微型可調電阻，兩電阻與C9組成了RC電路，通過調節R12的值可以實現對延時時間的控制。試驗得知在總電阻R=R12+R15=1 mΩ時，可控硅接通時間約為4 min；當R=R12+R15=3 mΩ時，可控硅接通時間約達到9 min。為了增加人體的有效感應面(感應范圍)，設計中采用并聯兩只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，以防止信號在導線上的損耗和噪聲干擾，影響自動斷電的可靠性。

3 試驗試用情況
??? 從2008年4月～2009年4月，進行了諸如PIR管安裝位置、溫度影響、烤火人數多少、延時時長等多方面的試驗和應用。試驗中，采用兩根長300 mm、總功率為600 W的石英發熱管，安裝在木制四方型箱體正中。如圖3照片所示。試驗中，取消斷電自鎖功能；取消溫控斷電功能(短路溫控開關)；同時通過調溫器將其功率調到最高輸出。試驗結果如下所述。
3．1 延時時長與烤火人數對可靠性的影響試驗
??? 工作的可靠性，主要是有人在的時候，供電的連續性與當人離開后自動斷電的準確性。二者中，能否實現人離電斷更顯得重要，也是該設計的核心所在。工作可靠性，直接影響到安全性能和節電。從以上試驗可知，選取延時時長為5～7 min內，用于這類電暖器，能取得滿意的節電效果和確保安全。雖然在只有一人烤火的情況下，偶爾有斷電情況發生，但只需要按一下開關按鈕，從實際出發并不是那么麻煩。當然，使用雙PIR管重復上述試驗(略)表明：斷電率明顯下降。為保證能在人離開后自動準確斷電，可以適當縮短延時時長，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
??? 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行試驗。

??? 圖4(a)中，是將PIR探頭正面中心對準電暖器，(實際應用中不會出現此類情況)結果表明，在H=30 cm以內，不能斷電；在H=40～90 cm，自動斷電逐步趨于穩定，偶有自動接通現象發生。當H≥90 cm后，能可靠斷電，且不會發生自動接通現象。分析可知，當H較小時，熱輻射對PIR管有影響，因為此時產生的波長不穩定而造成熱釋電效應，導致探測器輸出信號。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，一一對應試驗，每對應點分別測試10次以上，以排除個別現象，結果如表2所示。

??? 表2的試驗結果表明：當L>100 mm，H>400 mm，就能保證安全、可靠地斷電。在設計制作中，很容易做到避開不穩定以外的區域，而在實際應用中，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。實際試驗中，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。試驗證明：只要適當離開“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，就可以在設定的時間內自動切斷電源。

4 結 語
??? 安全與節電是社會和世界永恒的主題。以上所做的研究工作表明，把人體紅外感應技術應用于普及到千家萬戶的各類電暖器具上，能夠達到設計要求，試驗證明是完全可行的。設計制作時，將延時時長設計選定在7 min以內，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，可以實現保證安全和達到節電目的。當只有一人使用時，雖偶爾有斷電情況出現，應該認為，不影響其使用方便性和工作可靠性。