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技術(shù)干貨|基于SD4101的人體熱釋電應(yīng)用方案

2021-03-03 10:53 企業(yè)供稿

導(dǎo)讀: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。

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:

基于SD4101的人體熱釋電應(yīng)用方案1840.png

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:

基于SD4101的人體熱釋電應(yīng)用方案11517.png

菲涅爾透鏡聚光圖解

基于SD4101的人體熱釋電應(yīng)用方案11555.png

不同外形尺寸的菲涅爾透鏡

三、 測(cè)量電路

1. 工作原理

基于SD4101的人體熱釋電應(yīng)用方案11581.png

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。

image.png

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:

基于SD4101的人體熱釋電應(yīng)用方案12545.png

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:

基于SD4101的人體熱釋電應(yīng)用方案12608.png

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