一、 簡介

隨著智能感知技術(shù)的不斷發(fā)展，智能感知應(yīng)用逐漸融入人們的生活、工作中，比如我們常見的電子防盜，自動(dòng)節(jié)能照明，監(jiān)控、報(bào)警、門鈴系統(tǒng)等領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域中，被動(dòng)式熱釋電紅外探測器的應(yīng)用最為廣泛，但PIR信號處理起來卻并不簡單，需要開發(fā)人員投入大量的時(shí)間和精力。為了降低生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)成本和難度，杭州晶華微電子自主研發(fā)的一款帶PWM輸出與高精度ADC的SD4101R芯片，應(yīng)用于PIR信號采集處理。

二、 原理分析

1. 熱釋電紅外傳感器(PIR)的特性

凡是溫度超過絕對0℃的物體都能產(chǎn)生熱輻射(紅外光譜)，而溫度低于1725℃的物體，產(chǎn)生的熱輻射光譜主要集中在紅外光區(qū)域，因此自然界的所有物體都能向外輻射紅外熱，不同溫度的物體，其釋放的紅外光的波長是不同的，所以溫度與紅外波長的長短是相關(guān)的。而人體恒定的溫度37℃左右，所發(fā)出的紅外線的波長為10μm左右。熱釋電傳感器通常覆蓋有特殊的菲涅爾濾光片，就是專門針對人體紅外光波設(shè)計(jì)的器件，僅對波長為10μm左右的紅外光波非常敏感，而對環(huán)境的其它波長紅外成分有明顯的抑制作用。

2. 熱釋電紅外傳感器(PIR)的工作原理

熱釋電紅外傳感器一般包含兩個(gè)(或更多的)互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電單元。而且制成的兩個(gè)電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對兩個(gè)熱釋電單元幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生的釋電效應(yīng)相互抵消，于是環(huán)境背景輻射對探測器是無信號輸出的。當(dāng)有人在探測區(qū)域內(nèi)走動(dòng)時(shí)，人體輻射通過菲涅爾透鏡聚焦，并被熱釋電紅外傳感器接收，熱釋電紅外傳感器在接收到人體紅外輻射溫度變化時(shí)就會失去電荷平衡，因?yàn)閮善瑹後岆妴卧邮盏降臒崃坎煌?，不能相互抵消，輸出腳便會有變化的信號輸出，供后級電路做信號處理，以便實(shí)現(xiàn)不同的控制輸出。另外熱釋電紅外傳感器，有不同的窗口形狀及尺寸，窗口面積越大，靈敏度也越高，相應(yīng)成本也會更高，可依據(jù)產(chǎn)品的要求選擇不同的型號，工作原理如下圖所示：

PIR工作原理圖

3. 菲涅爾透鏡

菲涅爾透鏡(Fresnel lens)，又名螺旋透鏡，多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，也有玻璃制成的，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，它的紋理是根據(jù)光的干涉及擾射以及相對靈敏度和接收角度要求來設(shè)計(jì)的。

菲涅爾透鏡作用有兩個(gè):一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號折射(反射)在PIR上，第二個(gè)作用是將探測區(qū)域分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測區(qū)域的移動(dòng)物體，在活動(dòng)時(shí)不停在明區(qū)和暗區(qū)來回切換，折射到熱釋電紅外傳感器上，形成溫度變化，而在PIR上產(chǎn)生變化的熱釋紅外信號。

菲涅爾透鏡，簡單的說就是在透鏡的一側(cè)有等距的齒紋，通過這些齒紋，可以達(dá)到對指定光譜范圍的光帶通(反射或折射)的作用，傳統(tǒng)的打磨光學(xué)器材的帶通光學(xué)濾鏡造價(jià)昂貴，菲涅爾透鏡可以極大的降低成本，典型的例子就是PIR(被動(dòng)紅外線探測器)，PIR廣泛的用在報(bào)警器上，我們可以發(fā)現(xiàn)在每個(gè)PIR上都有個(gè)小蓋子。這就是菲涅爾透鏡，小蓋子的內(nèi)部都刻上了齒紋，這種菲涅爾透鏡就可以將入射光的波長限制在10μm左右(人體紅外線的波長)，成本相當(dāng)?shù)牡汀?/p>

菲涅爾透鏡可以把透過窄帶干涉濾光鏡的光聚焦在硅光電二級探測器的光敏元件上。

使用注意事項(xiàng)：菲涅爾透鏡由有機(jī)玻璃制成，不能用任何有機(jī)溶液(如酒精等)擦拭，除塵時(shí)可先用蒸餾水或普通凈水沖洗，再用脫脂棉擦拭。

如果菲涅爾透鏡的選型不當(dāng)，將會對靈敏度造成較大影響，以及菲涅爾透鏡，都有一個(gè)聚焦點(diǎn)，只有讓熱釋電紅外傳感器處于聚焦點(diǎn)上，才能達(dá)到最佳的聚焦效果，讓靈敏度最高。下圖是菲涅爾透鏡聚光圖解及不同外形尺寸:

菲涅爾透鏡聚光圖解

不同外形尺寸的菲涅爾透鏡

三、 測量電路

1. 工作原理

測量電路原理圖

采用本方案設(shè)計(jì)的PIR信號測量電路，外圍電路結(jié)構(gòu)簡單，其測量原理為，當(dāng)有人進(jìn)入PIR檢測范圍時(shí)，PIR電荷平衡狀態(tài)被打破，此時(shí)PIR信號輸出腳(S)將輸出變化的電壓信號，再通過微控制器內(nèi)部軟件算法的處理，即可解析出有效的PIR信號。當(dāng)檢測到有效的PIR信號后，微控制器OUT端將輸出一定時(shí)長的高電平信號。調(diào)節(jié)R4的阻值來控制高電平輸出時(shí)長(1~600秒范圍內(nèi)可調(diào))，調(diào)節(jié)R6的阻值可改變PIR信號檢測靈敏度(常用靈敏度選擇65%~90%VDD)，R2與R8(光敏電阻)構(gòu)成的電路，用于判斷白天還是黑夜(CDS電壓大于1.0V黑夜，小于0.9V白天)，SW端可用于選擇不同工作模式(測試模式、固定電阻非測試模式、連續(xù)可調(diào)模式)以適用于更多應(yīng)用場合，其工作模式如下表所示。

四、 典型應(yīng)用電路

輸出延時(shí)時(shí)間分段調(diào)節(jié)應(yīng)用電路：

典型應(yīng)用圖一：輸出延時(shí)時(shí)間分段調(diào)節(jié)

輸出延時(shí)時(shí)間無段調(diào)節(jié)應(yīng)用電路：

典型應(yīng)用圖二：輸出延時(shí)時(shí)間無段調(diào)節(jié)