基于热释电传感器的人体辐射检测电路设计

摘要：为解决黑暗环境中开启照明装置所带来的不便和不安全，设计了一种基于热释电传感器的人体热辐射检测电路。阐述了热释电红外传感器的结构，设计了包含有前置放大电路、电压比较电路、延时电路和电源电路组成的红外检测系统，分析了检测电路的工作原理，提出了检测电路的安装要求。所设计的电路性能可靠、成本低、易于安装，适用于居民家庭、宾馆走廊、学生宿舍、教学楼道等场合。
关键词：人体辐射；热释电红外传感器；照明；信号检测；人身安全

0 前言
    近年来，随着电子信息技术的迅速发展，人们对于生活的信息化、自动化要求不断提高。传统的照明开关始终存在着一个弊端，即在夜晚或光线昏暗的时候，人们从室外走进室内时，需要摸索到开关然后再开灯，这样就给人们带来了极大的不方便和不安全，特别是对于老人、孕妇，还有孩子们更是如此。如果能将传统的机械开关，光控开关和对人体散发的热辐射具有感应功能的传感器相结合，做成一个能够自动开启灯光照明的装置，即当人进入室内时，传感器感受人体热辐射，控制开关打开灯光，将会给人们的生活带来很大的方便。本文利用热释电红外传感器，设计了一个基于热释电红外传感器的人体热辐射自动检测电路，实现了对人体热辐射的检测，为自动启动照明开关提供控制信号。

1 热释电红外传感器
    在自然界中，任何高于绝对温度的物体都能够产生红外光谱。波长1～15 μm称为近红外波段，15～50 μm为中红外波段，50～1000 μm为远红外波段。物体的温度不同，释放的红外光的波长就不相等，故而，红外光的波长与物体温度的高低是有关系的。红外辐射与物质相互作用，产生热效应，能将人眼观察不到的红外辐射转变为可测量的物理量。热释电红外传感器通常由热电元件(热释电晶体)、滤光镜片、结型场效应管FET、电阻等元器件组成，结构如图1所示。

    对于辐射至传感器的红外信号，热释电传感器通过安装在前端的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号。为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。
    热释电传感器采用的干涉滤波片的厚度一般为8～14 μm，而人体辐射红外线的波长大约在10 μm左右，因此，传感器能够探测到是否有入进入了探测区域。由于热释电传感器的输出阻抗极高，而输出电信号微弱，故在其内部装设FET及偏置电阻，以进行信号放大及阻抗匹配。

2 热释电红外检测电路设计
    在设计中，选用的热释电红外传感器为D203S。采用双灵敏元结构，灵敏元尺寸为2×1mm，工作波长7～14 μm，视场139°×126°；选用的菲涅尔透镜为7803矩形镜片，焦距为20 mm；方向角为89°，探测距离7m。用于人体热辐射的红外检测系统由热释电红外传感器、前置放大电路、电压比较器、延时电路和音响报警电路，电源电路等组成。
2．1 前置放大电路
    由于热释电红外传感器的输出信号十分微弱，因此设计性能优异的前置放大电路就显得尤为重要。本系统设计的前置放大电路如图2所示。

    电路的核心为两片运算放大器，采用级联方式提高放大倍数。考虑到类似于人体等物体的移动信号为低频信号，因为输入阻抗较高，容易受到外界电磁干扰，所以电路中采用C4和R8并联构成一个低通滤波，防止高频干扰。保证热释电传感器的有用信号能被正常放大。传感器的输出信号也以该频率变化，因此将放大器接成低通形式，截止频率为45 Hz，两级电压放大倍数分别为Au1=120，Au2=4，总的放大倍数为Au=Au1×Au2=480=54dB。
2．2 电压比较电路
    LM324是一款包含有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，它的两个运放组成电压比较检测窗口，电压比较电路如图3所示。

    当工作电压VCC设定为6V时，由R3、R5和R7、R8将高、低通放大器的输入端均设置为1／2 VCC，即3V。静态时，LM324的输出端8、14引脚均为低电平，开关管截止，2引脚仍为高电平，延时电路不工作。当热释电红外传感器的探头检测到人体产生的热辐射时，产生一个微弱的电压信号，经过放大后传送到LM324的10、13脚，表现为一个峰值约为5V的正弦波。由于分别送入两个电压比较器的同相和反相输入端，无论在信号的正半周，还是在负半周，这两个比较器总有一个输出低电平，使得2引脚的高电平跃变为低电平，使延时电路不工作。当人体进入红外传感器的测量范围而被检测到热辐射时，在输入信号的正半周期，13引脚的电平高于12引脚所加的2．6V比较电压，下面的一个比较器的14引脚输出为低电平，二极管D2截止；此时10脚电平高于9脚，上面的比较器输出为高电平，二极管D1导通，其高电平使得开关管饱和导通，将2脚拉成低电平，致使延时电路工作。在信号负半周时，上、下比较器输出电平刚好相反，即8脚输出低电平，14脚输出高电平，D2导通。可见，只要传感器检测到人体活动，无论是信号的正半周还是负半周，两个比较器中必有一个输出为高电平，通过开关三极管从而控制延时电路工作。
2．3 延时电路
    图3中的R6和C6组成报警延时电路，其时间约为60s。人体离开传感器的探测范围后，其辐射的红外线信号消失，IC3的输出端又恢复高电平，此时D2截止。由于C6两端的电压不能突变，故通过R6向C6缓慢充电，当C6两端的电压高于其基准电压时，1脚才变为低电平，时间约为60s，即控制灯光亮60s。
2．4 电源电路
    热释电红外检测系统的电源取为6V，采用交流220V供电，经交直流变换后形成6V的直流电压，电源电路如图4所示。

2．5 热辐射检测电路工作原理
    当人体进入房间，热释电红外线传感器探测到人体发出的热辐射信号时，图2中IC1的2脚输出一个微弱的电压信号。三极管VT1是一级电压放大电路，微弱电信号经过放大后经过耦合电容C2送入运算放大器IC2中进行高增益、低噪声放大。IC3作电压比较器，R10和VD1为其反相输入端提供一个基准电压。IC2的输出电压信号接到了IC3的同相输入端，与基准电压进行比较，使得IC3的输出端由原来的高电平跃变为低电平。R6、C6和IC4组成延时电路，当人体离开传感器的测量范围后，热辐射信号消失，IC3的输出端恢复高电平，使得二极管D2截止。由于电容C6两端的电压不能突变，电源通过R6向C6缓慢充电，当C6两端的电压高于R7、R8和R11产生的上基准电压时，IC4的输出端才变为低电平，时间约为1min，即持续1min控制灯亮。

3 热释电红外检测电路的安装
    由于热释电红外传感器易受光照、温度和热源的影响，所设计的热释电人体辐射检测电路只能安装在室内，误报率与安装的位置和方式有极大的关系。正确的安装应满足下列条件：
    (1)传感器应离地面2．0～2．2m，以避开宠物。
    (2)传感器易受温度的影响，应远离空调、冰箱、火炉等热源物体。
    (3)在传感器与被探测的人体之间不要有家具、大型盆景或其他高的隔离物。
    (4)传感器不要直对窗口或门口，避免外部的热气流扰动或人员走动引起的误报，也不要安装在有强气流活动的地方。

4 结论
    本文所设计的人体热辐射检测电路，能够根据人体进入检测区域后的热辐射产生输出信号，控制照明装置的开关，延时60s，一般情况下有足够的时间帮助人们手动开启照明，从而给人们的生活带来了方便。由于具有性能可靠、成本低、易于安装等优点，适用于居民家庭、宾馆、学生宿舍、教学楼等受热源影响较小的场合，也可用于楼道、走廊等需要短时延时照明的地方，具有较大的使用和推广价值。