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

岳大軍,王慧敏,許 穎,趙 洋

摘 要:人體紅外感應(yīng)技術(shù)已成功運(yùn)用到防盜報(bào)警、燈光控制、衛(wèi)廚設(shè)備等方面,但在電暖器具方面的應(yīng)用還是空白。為杜絕普通電暖器引發(fā)火災(zāi)事故和避免電能浪費(fèi),將人體感應(yīng)、自動(dòng)延時(shí)、斷電自鎖等技術(shù)和方法應(yīng)用到電暖器上,設(shè)計(jì)制作了具有多重保護(hù)功能的電暖器。通過(guò)對(duì)PIR管安裝位置、溫度、取暖人數(shù)、延時(shí)時(shí)長(zhǎng)等因素進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果表明,紅外感應(yīng)技術(shù)應(yīng)用到電暖器上有明顯的保安節(jié)電效果,具有實(shí)際推廣應(yīng)用的價(jià)值。

關(guān)鍵詞:安全節(jié)電;電暖器;紅外感應(yīng);設(shè)計(jì)試驗(yàn)

中圖分類號(hào):TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)20-190-03

Design and Test of the Heater Based on Infrared Induction

YUE Dajun,WANG Huimin,XU Ying,ZHAO Yang

(Engineering College,Hunan Agricultural University,Changsha,410128,China)

Abstract:Human infrared induction technology has not yet been used in electric heating appliances,although has been successfully applied to anti-theft alarm,lighting control,kitchen equipments,etc..In order to prevent fire disaster caused by general heaters and avoid wasting energy,a multi-protection heater is designed based on the techniques and methods of body induction,automatic delay,power self-locking etc.Tested on the factors including the placement of PIR tube,temperature,the number of heating people,delay duration The results show that the infrared induction technology used on the heater has obvious security and energy-saving effects and it is valuable for practical application.

Keywords:security energy-saving; heater; infrared induction; designed experiment

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(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)了火災(zāi)[1,2]。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[3]

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[4,5]

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)。

圖1 總體電路

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10 μm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[6,7]、燈光控制、衛(wèi)廚設(shè)備、人體測(cè)溫[8],也應(yīng)用到對(duì)人體傷害極為嚴(yán)重的高壓電及X射線、γ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。

圖2 熱釋電紅外傳感電路

以上電路[9,10]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?控制信號(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[11,12]。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。

圖3 試驗(yàn)用電暖器

表1 延時(shí)時(shí)長(zhǎng)與烤火人數(shù)對(duì)使用性能的影響

(單PIR管,安裝于電暖器側(cè)面墻板)

延時(shí)時(shí)長(zhǎng)/min相應(yīng)試驗(yàn)時(shí)間/min

斷電率/%

1人2,3人4人連續(xù)用電 可靠性評(píng)價(jià) 安全性評(píng)價(jià)

120755025低高

240502510較低高

3602500中高

51001000高高

7240500高中

10300000高低

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 PIR探頭與電暖器三種典型位置的試驗(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 PIR探頭中心軸線與電暖器熱反射線垂直

H /nm

L /mm

050100150200250300350

150××××××▲√

200×××××▲▲√

250×××▲▲▲ √√

300××▲▲▲√√√

350×▲▲√√√√ √

400×▲√√√√√√

450▲√√√√√√√

500√√√√√√√√

注:表中√為可斷電;▲為不穩(wěn)定;×為不斷電

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。

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