原创智能感知技术 | 基于SD4101R的人体热释电应用方案

 2021-3-1 10:29  1192 17 4 分类: 模拟

概述：

随着智能感知技术的不断发展，智能感知应用逐渐融入人们的生活、工作中，比如我们常见的电子防盗，自动节能照明，监控、报警、门铃系统等领域。在这些领域中，被动式热释电红外探测器的应用最为广泛，但PIR信号处理起来却并不简单，需要开发人员投入大量的时间和精力。为了降低生产厂家的生产成本和难度，杭州晶华微电子自主研发的一款带PWM输出与高精度ADC的SD4101R芯片，应用于PIR信号采集处理。

原理分析：

1. 热释电红外传感器(PIR)的特性：凡是温度超过绝对0℃的物体都能产生热辐射(红外光谱)，而温度低于1725℃的物体，产生的热辐射光谱主要集中在红外光区域，因此自然界的所有物体都能向外辐射红外热，不同温度的物体，其释放的红外光的波长是不同的，所以温度与红外波长的长短是相关的。而人体恒定的温度37℃左右，所发出的红外线的波长为10μm左右。热释电传感器通常覆盖有特殊的菲涅尔滤光片，就是专门针对人体红外光波设计的器件，仅对波长为10μm左右的红外光波非常敏感，而对环境的其它波长红外成分有明显的抑制作用。

2. 热释电红外传感器(PIR)的工作原理：热释电红外传感器一般包含两个(或更多的)互相串联或并联的热释电单元。而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释电单元几乎具有相同的作用，使其产生的释电效应相互抵消，于是环境背景辐射对探测器是无信号输出的。当有人在探测区域内走动时，人体辐射通过菲涅尔透镜聚焦，并被热释电红外传感器接收，热释电红外传感器在接收到人体红外辐射温度变化时就会失去电荷平衡，因为两片热释电单元接收到的热量不同，不能相互抵消，输出脚便会有变化的信号输出，供后级电路做信号处理，以便实现不同的控制输出。另外热释电红外传感器，有不同的窗口形状及尺寸，窗口面积越大，灵敏度也越高，相应成本也会更高，可依据产品的要求选择不同的型号，工作原理如下图所示。
PIR工作原理图

3. 菲涅尔透镜：

菲涅尔透镜(Fresnel lens)，又名螺旋透镜，多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制成的，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是根据光的干涉及扰射以及相对灵敏度和接收角度要求来设计的。

菲涅尔透镜作用有两个:一是聚焦作用，即将热释红外信号折射(反射)在PIR上，第二个作用是将探测区域分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体，在活动时不停在明区和暗区来回切换，折射到热释电红外传感器上，形成温度变化，而在PIR上产生变化的热释红外信号。

菲涅尔透镜，简单的说就是在透镜的一侧有等距的齿纹，通过这些齿纹，可以达到对指定光谱范围的光带通(反射或折射)的作用，传统的打磨光学器材的带通光学滤镜造价昂贵，菲涅尔透镜可以极大的降低成本，典型的例子就是PIR(被动红外线探测器)，PIR广泛的用在报警器上，我们可以发现在每个PIR上都有个小盖子。这就是菲涅尔透镜，小盖子的内部都刻上了齿纹，这种菲涅尔透镜就可以将入射光的波长限制在10μm左右(人体红外线的波长)，成本相当的低。

菲涅尔透镜可以把透过窄带干涉滤光镜的光聚焦在硅光电二级探测器的光敏元件上。

使用注意事项：菲涅尔透镜由有机玻璃制成，不能用任何有机溶液(如酒精等)擦拭，除尘时可先用蒸馏水或普通净水冲洗，再用脱脂棉擦拭。

如果菲涅尔透镜的选型不当，将会对灵敏度造成较大影响，以及菲涅尔透镜，都有一个聚焦点，只有让热释电红外传感器处于聚焦点上，才能达到最佳的聚焦效果，让灵敏度最高。下图是菲涅尔透镜聚光图解及不同外形尺寸。

菲涅尔透镜聚光图解

不同外形尺寸的菲涅尔透镜
测量电路：

测量电路原理图
采用本方案设计的PIR信号测量电路，外围电路结构简单，其测量原理为，当有人进入PIR检测范围时，PIR电荷平衡状态被打破，此时PIR信号输出脚(S)将输出变化的电压信号，再通过微控制器内部软件算法的处理，即可解析出有效的PIR信号。当检测到有效的PIR信号后，微控制器OUT端将输出一定时长的高电平信号。调节R4的阻值来控制高电平输出时长(1~600秒范围内可调)，调节R6的阻值可改变PIR信号检测灵敏度(常用灵敏度选择65%~90%VDD)，R2与R8(光敏电阻)构成的电路，用于判断白天还是黑夜(CDS电压大于1.0V黑夜，小于0.9V白天)，SW端可用于选择不同工作模式(测试模式、固定电阻非测试模式、连续可调模式)以适用于更多应用场合，其工作模式如下表所示。