一、 簡(jiǎn)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(jiàn)的電子防盜，自動(dòng)節(jié)能照明，監(jiān)控、報(bào)警、門(mén)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(cè)器的應(yīng)用最為廣泛，但PIR信號(hào)處理起來(lái)卻并不簡(jiǎn)單，需要開(kāi)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(hào)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(guò)絕對(duì)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(zhǎng)是不同的，所以溫度與紅外波長(zhǎng)的長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhuān)門(mén)針對(duì)人體紅外光波設(shè)計(jì)的器件，僅對(duì)波長(zhǎng)為10μm左右的紅外光波非常敏感，而對(duì)環(huán)境的其它波長(zhǎng)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(duì)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(duì)探測(cè)器是無(wú)信號(hào)輸出的。當(dāng)有人在探測(cè)區(qū)域內(nèi)走動(dòng)時(shí)，人體輻射通過(guò)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(huì)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(huì)有變化的信號(hào)輸出，供后級(jí)電路做信號(hào)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(huì)更高，可依據(jù)產(chǎn)品的要求選擇不同的型號(hào)，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(duì)靈敏度和接收角度要求來(lái)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(hào)折射(反射)在PIR上，第二個(gè)作用是將探測(cè)區(qū)域分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測(cè)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(lái)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(hào)。

菲涅爾透鏡，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是在透鏡的一側(cè)有等距的齒紋，通過(guò)這些齒紋，可以達(dá)到對(duì)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(cè)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(zhǎng)限制在10μm左右(人體紅外線的波長(zhǎng))，成本相當(dāng)?shù)牡汀?/p>

菲涅爾透鏡可以把透過(guò)窄帶干涉濾光鏡的光聚焦在硅光電二級(jí)探測(cè)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(huì)對(duì)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(cè)量電路

1. 工作原理

測(cè)量電路原理圖

采用本方案設(shè)計(jì)的PIR信號(hào)測(cè)量電路，外圍電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其測(cè)量原理為，當(dāng)有人進(jìn)入PIR檢測(cè)范圍時(shí)，PIR電荷平衡狀態(tài)被打破，此時(shí)PIR信號(hào)輸出腳(S)將輸出變化的電壓信號(hào)，再通過(guò)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(hào)。當(dāng)檢測(cè)到有效的PIR信號(hào)后，微控制器OUT端將輸出一定時(shí)長(zhǎng)的高電平信號(hào)。調(diào)節(jié)R4的阻值來(lái)控制高電平輸出時(shí)長(zhǎng)(1~600秒范圍內(nèi)可調(diào))，調(diào)節(jié)R6的阻值可改變PIR信號(hào)檢測(cè)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(cè)試模式、固定電阻非測(cè)試模式、連續(xù)可調(diào)模式)以適用于更多應(yīng)用場(chǎng)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(wú)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(wú)段調(diào)節(jié)