人體熱釋電紅外傳感器的仿真研究

閆永存 劉博

摘 要：人體熱釋電傳感器探測是否有人體通行和通過，應(yīng)用范圍非常廣泛，比如公共場所的燈和報警設(shè)施等，都是利用該設(shè)備進行檢測和報警。本設(shè)計利用熱釋電紅外傳感器，在單片機上進行開發(fā)設(shè)計，實現(xiàn)熱釋電紅外的數(shù)據(jù)讀取，并通過LED燈的亮滅顯示出是否感應(yīng)到紅外存在，并對系統(tǒng)進行仿真測試。實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)靈敏度高，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可用于指定場所的人體紅外檢測，具有一定的實用價值。

關(guān)鍵詞：人體紅外;熱釋電紅外傳感器;系統(tǒng)

中圖分類號：TP212.9 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）13-0019-03

Abstract： The human pyroelectric sensor is used to detect whether human body is passing through or not. It has a wide range of applications， such as lights and alarm facilities in public places， which are used for detection and alarm. This design uses pyroelectric infrared sensor to develop and design on the single chip computer to read pyroelectric infrared data， and shows whether it is sensitive to the existence of infrared through the lighting of LED lamp， and carries on the simulation test to the system. The experimental results show that the system has high sensitivity and stable operation， it can be used for infrared monitoring of human body in designated places and has certain practical value.

Keywords： human body infrared;pyroelectric infrared sensor;system

紅外線是一種人們?nèi)庋劭床灰姷墓?，最顯著特性是具有熱效應(yīng)，也就是說，所有高于絕對零度的物質(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線。利用紅外線技術(shù)可以控制很多產(chǎn)品，特別在自動控制方面，如自動節(jié)能燈等。自動節(jié)能燈利用人體發(fā)出的紅外線，當人體進入感應(yīng)范圍時，紅外傳感器探測到人體紅外光譜的變化，自動接通輸出電路，打開相應(yīng)負載，一旦人離開后，輸出自動關(guān)閉，實現(xiàn)節(jié)能效果。熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器，可以作為控制電路的輸入端[1]。

本文基于單片機的熱釋電紅外傳感器對人體紅外進行測量，將采集的紅外信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過單片機進行處理，實現(xiàn)對人體紅外檢測。本系統(tǒng)性能穩(wěn)定，靈敏度高，使用靈活度較高，可用于停車場、樓道公共場所的照明系統(tǒng)，以達到節(jié)能的目的，還可以應(yīng)用到安防報警系統(tǒng)等。

1 熱釋電紅外原理

熱釋電紅外傳感器和熱電偶都是基于熱電效應(yīng)原理的熱電型紅外傳感器。但熱釋電紅外傳感器的熱電系數(shù)遠遠高于熱電偶，內(nèi)部熱電元由鉭酸鋰、鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成，熱電系數(shù)比較高。此外，該傳感器的極化隨著溫度變化而變化。為了抑制自身溫度升高而帶來的干擾，在該傳感器上加入了熱電元反向串聯(lián)或接成差動平衡電路，進而以非接觸式檢測出物體放出的紅外線能量變化，并將這種能量轉(zhuǎn)換為電信號輸出，從而達到電子檢測的目的。人體都有37℃左右的穩(wěn)定體溫，所以會發(fā)出紅外線，波長為10μM左右，被動式紅外探頭靠探測人體發(fā)射的10μM左右的紅外線進行工作[2]。

熱釋電紅外傳感器具有以下幾種特性：①這種傳感器主要用來探測人體輻射，對人體輻射的紅外線非常敏感，也非常靈敏;②這種傳感器由于裝有特殊的菲泥爾濾光片，對環(huán)境的抗干擾能力較強。此外，菲泥爾濾光片具有不同的感應(yīng)距離，可以根據(jù)不同的場景和需求進行預(yù)設(shè)。

仿真實驗所用設(shè)備有無線處理器板、傳感器底板、仿真器、USB（B型口）線和BISS0001熱釋電紅外處理模塊等。

單純的熱電紅外傳感器，引腳結(jié)構(gòu)簡單，只有VCC、GND和一根數(shù)據(jù)線。數(shù)據(jù)線產(chǎn)生的信號可以直接連接到單片機管腳，但信號微弱且不穩(wěn)定，容易造成檢測困難。在此，為了豐富熱電紅外傳感器的外圍電路，主要應(yīng)用BISS0001熱釋電紅外處理模塊放大信號、加強干擾能力;加入了觸發(fā)延時定時器和鎖定定時器，使紅外模塊貼近日常應(yīng)用，而不是只局限于實驗室讀取紅外信號。

BISS0001是一款高性能的傳感信號處理集成電路，是由運算放大器、狀態(tài)控制器、電壓比較器、封鎖時間定時器以及延遲時間定時器等構(gòu)成的數(shù)模混合專用集成電路。該模塊靜態(tài)電流極小，配以熱釋電紅外傳感器和少量外圍元器件即可構(gòu)成被動式熱釋電紅外傳感器，廣泛應(yīng)用于智能安防、自動控制等領(lǐng)域。

BISS0001的輸出管腳，輸出VO最終會有兩個狀態(tài)，1和0。該模塊加入了一個RC震蕩電路，該電路的震蕩時間用于鎖定觸發(fā)使用，即當紅外信號消失后，VO不會立刻變?yōu)?，而是經(jīng)過一定延時，才會變?yōu)?。具體的延時時間如表1所示。

2 硬件電路設(shè)計

具體電路圖如圖1所示。

電路中，1IN+、1IN-兩個管腳是輸入引腳，分別是第一級運算放大器同向輸入端和反向輸入端。熱釋電紅外數(shù)據(jù)信號接到1IN+上，1IN-接入運放電路。信號經(jīng)過一級運放處理后，再將輸出接入二級運算放大器，二級運放處理后，才能得到一個穩(wěn)定的、大小適宜的信號。這些電路集成于BISS0001內(nèi)部，經(jīng)過一系列電路處理轉(zhuǎn)換后，最終把結(jié)果體現(xiàn)在VO上[3]。

3 程序設(shè)計思路

相比較I2C，熱釋電紅外的單總線程序相對簡單。經(jīng)過硬件電路處理，最終的熱釋電紅外模塊會產(chǎn)生一個單片機可識別的關(guān)開變量，程序在經(jīng)過硬件初始化之后，只需不停地掃描與之相連的引腳狀態(tài)，當感應(yīng)到熱釋電紅外（VO輸出為1）時，把LED點亮即可。

主程序代碼如下：

void main（void）

{

InitLed（）;

xtal_init（）;

PersonInit（）;

Person=0;

while（1）

{

if（PersonScan（））//根據(jù)LED狀態(tài)來判斷是否有人

LED1=1;//LED1滅掉表示無人

else

LED1=0;//LED1點亮表示有人

}

}

①對所用到的硬件進行初始化。包括初始化LED所用到的單片機管腳配置為輸出，關(guān)閉LED;初始化單片機時鐘;初始化熱電紅外檢測管腳，設(shè)置其為輸入模式。

②在while（1）中，無限循環(huán)掃描函數(shù)PeopleScan（）返回值。當返回值為1時，表明有紅外信號;當返回值為0時，表明無紅外信號。人員檢測函數(shù)代碼如下：

/****************************

人員檢測函數(shù)

*****************************/

uchar PersonScan（void）

{

int a;

if（Person==0）

{

Delay_ms（100）;

a=Person;

if（Person==0）

{

return1;//表示沒人

}

}

return0;//表示有人

}

4 系統(tǒng)測試

編寫熱釋電紅外傳感器程序并編譯，連接仿真器，并下載程序，全速執(zhí)行程序，分別在有人和無人兩種情況下觀察LED燈的開關(guān)。

在實際應(yīng)用中，還應(yīng)該考慮該系統(tǒng)的抗干擾性能，主要有以下幾種情況。①防小動物干擾，探測地面小動物的情況，將探測器安裝在推薦的使用高度，這樣即使有小動物一般也不產(chǎn)生報警。②抗電磁干擾，一般手機電磁干擾不會引起誤報，探測器的抗電磁波干擾性能符合相關(guān)標準要求。③抗燈光干擾，一般的鹵素?zé)粽丈鋾r，探測器在其工作范圍內(nèi)不產(chǎn)生報警。

本文設(shè)計了一種基于單片機的人體紅外的仿真系統(tǒng)，利用熱釋電紅外傳感器的特性，將采集的人體紅外輻射信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過軟硬件設(shè)計進行人體紅外檢測，并對系統(tǒng)進行仿真測試。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)性能穩(wěn)定，靈敏度高，使用靈活度較高，可用于一些場所的燈光控制和報警系統(tǒng)等[4]。

參考文獻：

[1]倪元相，方燦金.基于單片機控制的紅外熱釋電家庭防盜報警器硬件系統(tǒng)設(shè)計[J].電子世界，2018（16）：22-25.

[2]王孟祿，張鐳.熱釋電紅外探測實驗裝置的設(shè)計與應(yīng)用[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2017（1）：29-32.

[3]石琳琦.基于熱釋電紅外傳感器的測量技術(shù)[J].電子設(shè)計工程，2013（11）：162-165.

[4]Dreaming Catcher.熱釋電紅外傳感器原理和應(yīng)用[EB/OL]（2017-03-02）[2019-04-01].https：//blog.csdn.net/Derricker406/article/details/59540016.