人體紅外線感應模塊工作原理

一、紅外光譜
人們肉眼看得見的光線叫可見光，可見光的波長為380～750nm。可見光的波長從短到長依次排序是紫光→藍光→青光→綠光→黃光→橙光→紅光。波長比紅光更長的光，叫做紅外光，或叫做紅外線(紅外)。紅外光是人們無法用肉眼看見的光線。
部分光線的波長分布如下：
紫光(0．40～0．43um)；藍光(0．43～0．47um)；
青光(0．47～0．50um)；綠光(0．50～0．56um)；
黃光(0．56-0．59um)；橙光(0．59～0．62um)；
紅光(0．62-0．76um)；紅外(0．76～1000um)；
紅外光又可以分為：
近紅外(760～3000nm)；
中紅外(3000～60000nm)；
遠紅外(6000～150000nm)。
自然界中任何有溫度的物體都會輻射紅外線，隻不過輻射的紅外線波長不同而已。根據實驗表明，人體輻射的紅外線(能量)波長主要集中在約10000nm左右。根據人體紅外線波長的這個特性，如果用一種探測裝置，能夠探測到人體輻射的紅外線而去除不需要的其他光波，就能實現檢測人體活動信息的目的。因此，就出現了探測人體紅外線的傳感器産品。人體紅外線傳感器是根據熱釋電原理制作而成的。

二、熱釋電原理
人體紅外感應傳感器，是利用熱釋電效應原理制成的一種傳感産品，什麼是熱釋電效直呢?就是因溫度的變化而産生電荷的一種現象。為清楚說明熱釋電效應現象，以圖示意說明。
圖1是溫度變化曲線示意圖；圖2是溫度變化引起傳感器表面電荷變化狀态曲線示意圖；圖3是由傳感器表面電荷變化引起的電壓變化輸出曲線示意圖。

圖1開始的階段（T），在沒有紅外線照射下，熱釋電紅外線傳感器的溫度沒有變化，傳感器表面的電荷處于中和狀态，正負電子對等(A)，此時，傳感器沒有輸出(0)。圖1第二階段(T+△T)，有溫度變化時，在人體紅外線的照射下，熱釋電紅外線傳感器的溫度如果上升了△T，那麼傳感器表面的電荷就如圖2(B)所示的那樣發生相應的變化。如果溫度變化為△T，其對應的電荷變化就産生△V的變化，因此，傳感器輸出△V。随着時間的延長，傳感器表面就會重新吸附空氣中的離子并相互抵消由此而達到如圖2c所示的中和狀态。此時，傳感器又恢複到沒有輸出(0)，如圖3所示。
當溫度下降時，溫度又回到原來的狀态（T），其自由極化狀态如圖2D所示。由于溫度的下降變化(相對而言)過程與溫度上升變化相反，所以，傳感器表面的電荷變化與上升時變化過程剛好相反，是個反過程。因此，傳感器的輸出信号就是一△V，如圖3所示。同理，随着時間的延長，傳感器的表面義會重新吸附空氣中的離子，而使傳感器的輸出信号再次為零。
傳感器對人體活動信息的感應全過程輸出信号如圖3所示。從傳感器輸出圖中不難看出，傳感器對人體活動的一個動作所輸出的信号是一個完整的波形。在實驗中，如果用放大器把該信号放大，再用示波器觀察就是一個正脈沖和一個負脈沖。也就是說，傳感器輸出感應到的一個移動信号近似于一個完整的1Hz脈沖信号。

三、紅外線傳感器
在熱釋電型傳感器中，以前都是使用一元的傳感器，由于一元傳感器受雜散光等因素的影響比較大，應用效果比較差。所以，現在普遍使用雙元傳感單元，這種傳感器有如下優點：
1．具有靈敏度高的特點。
2．兩個單元器件反向連接，因此，同時輸入的紅外線會相互抵消，沒有輸出。由此增加了對外部雜散光、環境溫度變化以及外部震動影響的穩定性(見圖5)。
由于熱釋電型紅外線傳感器的輸入阻抗極高，非常容易引入噪聲，因此就需要對傳感器進行電磁屏蔽處理，因此采用金屬封裝，外殼接地(圖4、圖5的③腳)。這樣就可以達到屏蔽雜波噪聲的目的。
在自然界中，所有物體輻射的熱能都與自身的溫度成正比。物體的溫度越高其輻射熱能的峰值波長就越短。溫度在36~37℃的人體輻射出來的熱能峰值約在900～1000nm的紅外線，因此，完全可以用熱釋電型紅外線傳感器檢測到人體的有或無。
為了在監測人體有或無的過程中避免太陽光和照明燈光等光線的影響，通常對熱釋電型紅外線傳感器表面附加上濾光片，同時，由于人體的移動比較緩慢，因此還需要帶有高效率，能夠聚焦的菲涅爾透鏡等配件，才能滿足實際的使用需要。

四、紅外線感應模塊
人體紅外線感應模塊具有體積小、使用方便、工作可靠、檢測靈敏、探測角度大、感應距離遠等一系列的獨特優異功能，已在各個領域裡得到了廣泛應用。整個紅外線感應模塊一般包括熱釋電型傳感器、菲涅爾透鏡、帶通放大器、比較器、光控電路、延時電路、輸出電路等，如圖6所示。

1．菲涅爾透鏡透鏡的作用是将人體輻射的紅外線聚焦、集中，以提高探測靈敏度。
2．熱釋電傳感器傳感器的功能是将人體輻射出來的特定波長的紅外線檢測到，并産生微弱的信号。在不用菲涅透鏡時．探測距離隻有1～2米，使用菲涅爾透鏡後，探測距離能達到10米以上，因此，菲涅爾透鏡的作用是提高探測距離。
3．帶通放大器由于熱釋電傳感器輸出的電脈沖信号幅度很小(儀1mV左右)，其頻率約在0．3～10Hz左右(該頻率視人體的移動速度而定)，是超低頻信号。因此，需要高增益低噪聲、低頻帶通放大器進行高增益放大處理後，才能送到下一級電路。放大器的增益約在70～75dB數量級。
4．比較器為了有效地抑制噪聲幹擾，提高模塊的工作可靠性，降低誤動作的概率，感應模塊内設置了電壓比較器。電壓比較器一般采用雙限窗口比較器，它有一個門限電壓(阈值電壓)，一般設為靜态噪聲的5倍。此值越大，抗幹擾能力越強，但靈敏度随之下降；此值小，易受幹擾而産生誤動作。當放大器的輸出信号到比較器，其幅度達到比較器的門限值時，比較器輸出脈沖信号，去觸發延時單穩态電路。這種比較器的設置，可有效防止噪聲信号及電源網絡幹擾所造成的誤動作。
5．光控電路光控電路的作用是利用光敏電阻對光敏感的特性，對輸入到比較器的信号進行控制。在白天，光敏電阻受到光線的照射，阻值變得很小，如果将該很小的電阻值接在比較器的輸入端，比較器的輸入信号幅度永遠達不到阈值信号所需要的跳變值，所以，比較器就沒有輸出。相反，在晚間，光敏電阻不受光的照射，阻值變得很大，幾乎對比較器的輸入信号不起作用。這樣就起到晝夜的光控作用目的。
6．延時電路延時電路有兩種：一種是可重複觸發的單穩态延時電路，隻要電壓比較器有不斷的信号輸出(其實就是在感應模塊感應範圍内，有人不斷地走動或出現、消失)，單穩延時電路被不斷地重新觸發，輸出端保持有效電平，直到最後一個觸發脈沖消失後，再延長一個單穩時間。第二種延時電路是用了兩個單穩電路，其目的是提高延時電路的工作可靠性。其原理是：當比較器輸出脈沖信号時，第一個觸發器被觸發(單穩時間較短)，第一個單穩電路的輸出觸發第二個單穩态電路。使其進入暫穩态，兩個單穩電路的輸出一起送下一級電路處理。
7．輸出電路根據執行電路的不同，紅外線感應模塊可以輸出高電平延時脈沖，也可以輸出低電平延時脈沖；甚至輸出标準的脈沖波形。這就需要對比較器電路輸出的信号進行整形處理。
現在市場上，人體感應模塊的電路組成形式有多種多樣的，既有專用芯片電路，也有用通用型運算放大器芯片實現的。由于目前的專用芯片性能不一定比通用的運算放大器芯片制作的感應模塊好、加之價格也比較高。所以，筆者在今後的文中，以采用通用的LM324運算放大器，作為實現人體紅外線感應模塊功能的放大器芯片電路。

五、人體紅外線感應模塊的電路原理
圖7的電阻R2是探頭需要的匹配負載，一般都選用47k。A1、A2組成感應模塊的帶通濾波和增益放大器。由它們完成帶通放大器的輸入信号取自R2兩端。第一級帶通濾波器的下限截止頻率由R4、C2決定，R6、C4決定帶通濾波器的上限截止頻率。感應模塊放大器的電壓增益由R6、R4和R10、R7決定。A1、A2都接成反相輸入反饋式放大器；它們的上限截止頻率由如下公式計算；fH=1／2×π×R6×C4，将電路中相應的元件數值帶入計算公式可以得出大約為7Hz，下限截止頻率計算公式：fL=1／2×π×C2×R4，經計算可以得出約為0．3Hz。

放大器的電壓增益可以用反饋電阻R6／R4的比值，然後取分貝對數。A1、A2的總增益約70dB。
電阻R3、R5、R8、R9組成偏置電路，将兩級運算放大器偏置在1／2U(U為電源電壓1處。運算放大器的A3、A4及周邊元件R11～R14、VR及D1、D2組成雙限比較器電路，比較器的基準電壓由R11～R14分壓決定。運放A3的反相輸入端基準電壓為Vr=0．55U(U為電源電壓)，同相輸入端電壓Vr+=0．45U。
當傳感器沒有感應到人體紅外線時，放大器A2輸出電壓為1／2U，這是因為A2的同相輸入端電壓取自R8、R9組成分壓電路的中心點電壓，也即1／2U。所以，靜态時A2輸出電壓介于Vr-與Vr+之間。因A3同桐端電壓大于0．5U而小于0．52U(Vr-)，所以輸出低電平。同樣的道理，A4也輸出低電平。
當有人在傳感器前而移動時，感應模塊檢測到人體紅外線後，經放大A2輸出桐對于1／2U正、負脈沖信号。此時，若A2輸出正脈沖信号，其幅度将大于Vr-(0．52U)，Vr+(0．48U)，因此，A3輸出高電平，A4輸出低電平，比較器輸出高電平。同理，當A2輸山位脈沖信号時，A4輸出高電平，A3輸出低電平。由此可見，當人體在傳感器前面移動時，比較器中的A3、A4交替輸出高電平，圖7電路圖中的二極管D1、D2是隔離二極管，作用是為了防止A3、A4中任一個輸出低電平時将另一個輸出的高電平短路掉而設置的，所以起到了隔離作用。在後續的電路中，可以外接各種執行電路。
圖8和圖9分别是産品的外形圖和測試連線圖，該紅外線感應模塊外形尺寸為：20mm×20mm×15mm。電路中采用的是全貼片元件，感應模塊共有三個端子，①腳為輸出端；②腳為電源端；③腳為模塊地。檢測時請按圖9(測試圖)連接好，模塊接上電源時輸出端初始狀态為高電平，約20秒後模塊恢複靜态，此時如有人在模塊前面移動時，模塊能檢測到并同時輸出與感應信号相一緻的電平。

一、人體紅外線感應模塊的應用
圖10是紅外感應模塊的三個引出端子，是從模塊底部引出的，圖11是該類模塊三個引出端子從正面引出的。不管三個端子從哪裡引出，功能都是一樣的。圖中端子“1”是模塊信号輸出端，端子“2”是模塊電源端，端子“3”是模塊地端。

下面所有的應用電路都是以感應模塊正面圖(圖11)為例說明的。
1．人體紅外線感應小夜燈電路圖12中，虛線左邊是M20G型感應模塊，右邊是小夜燈電路圖，圖中示出的是三個高亮度φ5mm發光二極管(LED1—LED3)并聯的産品，根據需要也可以用一個或兩個發光二極管并聯，視産品的照明亮度需要而定。R1～R3是高亮度二極管的限流電阻，視需求的亮度而定值，一般取33—47Ω；VR(可變電阻)的作用是調整整個産品亮度而設定的。E(電源)可以用三節或四節五号電池供電。
當電源接上時，模塊的①腳輸出高電平，該高電平持續約20秒鐘後，恢複低電平；在①腳輸出高電平期間，電流通過VR，經過節點流過電阻R1～R3點燃LED1～LED3，此時，小夜燈處于“開”狀态。20秒之後，由于模塊恢複靜态，①腳恢複低電平，小夜燈處于“關”狀态(感應模塊處于靜态)。在該狀态下，如果有人從小夜燈前面走過，模塊檢測到人體紅外線時，①腳輸出高電平，電路通過VR→R1～R3→LED1～LED3使小夜燈點亮，之後經過一定的延時時間f延時時間長短視需求設置，為30秒、60秒甚至幾小時都可以)，模塊的①腳又恢複到靜态(低電平)，小夜燈“關”。
如果需要光控作用，在人體紅外線感應模塊電路中還可以增加光敏電阻，實現光控功能，使得模塊白天不工作，僅僅在黑夜工作。
該電路隻要稍作延伸，就可作為探測賓館客房的客人在不在房間的指示裝置。在每層樓的服務台設置一個總指示裝置，總指示裝置的台面裝有紅色的指示燈，每個指示燈與每個房間的感應模塊輸出端連接，房間裡隻要有人活動，感應模塊就會探測到并同時輸出感應信号，驅動總服務台的指示燈，總服務台上面的指示燈亮，說明對應的房間有人員活動。如果确認該房間的人員已經出去，但還是顯示房間裡有人員活動，則該房間的人員就有可能是非法入侵者，虛予警惕。
2．人體感應報警電路人體感應報警電路如圖13所示，圖中虛線左邊的T1和感應模塊組成報警器開關電路，虛線右邊的R2、C1、T2、T3等組成報警電路，其作用是：當電路中的“A”點通過T1接通電源時，由T2、T3、R2、C1等組成的振蕩電路起振，并輸出推動喇叭S發出報警聲，實現報警功能。

由模塊和T1等組成開關電路，其工作原理是：當人體在模塊的感應範圍内移動時，模塊的端子“1”就輸出高電平延時信号，該高電平延時信号推動T1的基極，由于模塊的輸出電平足以使得T1飽和導通，此時的“A”點與電源連接，所以，報警電路工作發出報警聲。
單線制人體紅外線感應照明開關如圖14所示，該電路由四部分組成：
1)交流降壓：由R1、C1組成阻容降壓式電路。電路中的電容C1主要起降壓和供給電路工作電流的作用，R1的作用是對降壓電容C1的殘留電荷放電，以免不接電源時，人體觸及電路時C1的殘留電荷通過人體放電。在本電路中，降壓電容C1用0．33uF／630V的耐高壓滌綸電容器。放電電阻R1用1／4W或1／8W碳膜電阻均可。但要注意，C1與電阻R1并聯連接一定要焊接牢固，不得有松動現象，否則會有危及人身安全。
2)整流穩壓：由Z、D、C0等組成。
3)開關電路：由VS和感應模塊輸出部分組成，VS可以選用1A的雙向可控矽，也可以選用3A的雙向可控矽，由控制負載的功率決定。如果需要控制100W的負載，就可以選用1A的雙向可控矽，如果需要控制300W左右的負載，就可以選用3A的雙向可控矽。
4)人體感應信号處理、延時信号輸出控制、光控作用電路等。該部分的電路全部由感應模塊完成。
圖14的單線制人體感應照明開關。直接串接在火線上，可以完全取代普通的86型牆壁手動開關、觸摸開關、聲控開關等，如果元件數值選擇得當，可以做到電路完全不發熱。該自動開關的優點是：電路簡單，成本低，容易實現，功耗低，環保，帶能(幾乎沒有誤動作)，方便(不用手接觸、與現有86型牆壁式開關兼容接線)，感應控制距離遠等；缺點是：隻能控制白熾燈等負載。
為了能夠控制各種類型的負載，下面介紹雙線制人體感應照明開關。
4．人體感應照明開關電路(雙線)
如圖15所示，人體感應照明開關電路由電容降壓電路、全波整流電路、穩壓電路、控制執行電路等組成。電路的工作原理如下：
當交流電源220V／50Hz的電壓處于正半周時，電源通過降壓電容C1及矽橋向C2充電，當交流電源220V／50Hz的電壓處于負半周時，電源通過矽橋也是向C2充電。這裡，矽橋的作用起着直流充電方向的換向作用，不管是正半周還是負半周都是對C2正向充電。

在電路中，降壓電容C對交流電源220V/50Hz所呈現的容抗是：
Xc=1/2πfC
由于相對220V的交流電壓幅度來說，直流電壓幅度可以忽略不計，因此，電源通過降壓電容C的電流計算公式為：
I≈220／Xc=220×100πC
當降壓電容為1uF時，此時的I≈69mA，此數值的意義是：1uF的電容容量能夠提供約69mA的電路工作電流。如果電路工作電流超過69mA時，電容無法提供更大的電流，輸出電壓就要下降，且電壓不穩定。
由于圖15采用的是全波整流電路，降壓電容選用0．33uF，所以，電容C提供給電路的工作電流最大不能超過23mA，否則将不能正常工作。
讓我們再回過頭來看一下圖14的單線制人體感應開關電路，由于圖14采用的是半波整流電路，降壓電容選用的也是0．33uF，所以，C所能提供的電路工作電流隻有全波整流電路的一半，也就是說約11．5mA的電流。
在圖15中．穩壓電路78L05是典型的應用接法，這裡不必贅述。
感應模塊的輸出直接驅動繼電器，當有感應信号輸出時，輸出端子“1”輸出高電平延時信号驅動繼電器，繼電器吸合後，照明電器開關接通．沒有感應信号輸出時，感應模塊處于靜态，輸出端子“1”處于低電平，不能驅動繼電器吸合。照明電器開關關閉。這就實現被控制電器感應玮關控制的目的。
需要注意：該電路的控制執行元件是繼電器，驅動與控制基本分離，所以，對于被控制的電器性質來說，可以是感性的，也可以是容性的，還 可以是複合性質的負載，也就是說可以控制任何負載。
5．人體感應迎賓電路
如圖16所示的是一款迎賓電路，用感應模塊配合語音電路實現賓儀用語錄制、播放，圖中所示的SM-9517語音芯片是一款既可以錄音也可以放音的電路芯片。使用時，播放之前先錄制好迎賓用語或産品介紹用語，S是語音錄制按鍵，錄制時，先按下S按鍵，對着話筒MIC說話就可以錄制你想要錄制的語音了。語音錄制好後，将感應模塊的感應頭放置在飯店、商店、賓館等公衆服務性場合的門口入口處，感應模塊感應到人員到來時，模塊的輸出端子“1”就會輸出高電平，使得開關三極管9014進入導通狀态，此時，語音芯片的“2”端接地，開始播放先前錄制好的歡迎用語或其他服務性用語，具有人性化的服務，可提高公衆場合的自動化服務形
象。