人体红外线感应模块工作原理

 一、红外光谱 
    人们肉眼看得见的光线叫可见光，可见光的波长为380～750nm。可见光的波长从短到长依次排序是紫光→蓝光→青光→绿光→黄光→橙光→红光。波长比红光更长的光，叫做红外光，或叫做红外线(红外)。红外光是人们无法用肉眼看见的光线。
    部分光线的波长分布如下： 
    紫光(0．40～0．43um)；蓝光(0．43～0．47um)； 
  青光(0．47～0．50um)；绿光(0．50～0．56um)； 
    黄光(0．56-0．59um)；橙光(0．59～0．62um)； 
  红光(0．62-0．76um)；红外(0．76～1000um)； 
    红外光又可以分为： 
    近红外(760～3000nm)； 
    中红外(3000～60000nm)； 
    远红外(6000～150000nm)。 
    自然界中任何有温度的物体都会辐射红外线，只不过辐射的红外线波长不同而已。根据实验表明，人体辐射的红外线(能量)波长主要集中在约10000nm左右。根据人体红外线波长的这个特性，如果用一种探测装置，能够探测到人体辐射的红外线而去除不需要的其他光波，就能实现检测人体活动信息的目的。因此，就出现了探测人体红外线的传感器产品。人体红外线传感器是根据热释电原理制作而成的。 

二、热释电原理 
    人体红外感应传感器，是利用热释电效应原理制成的一种传感产品，什么是热释电效直呢?就是因温度的变化而产生电荷的一种现象。为清楚说明热释电效应现象，以图示意说明。 
    图1是温度变化曲线示意图；图2是温度变化引起传感器表面电荷变化状态曲线示意图；图3是由传感器表面电荷变化引起的电压变化输出曲线示意图。  

    图1开始的阶段（T），在没有红外线照射下，热释电红外线传感器的温度没有变化，传感器表面的电荷处于中和状态，正负电子对等(A)，此时，传感器没有输出(0)。图1第二阶段(T+△T)，有温度变化时，在人体红外线的照射下，热释电红外线传感器的温度如果上升了△T，那么传感器表面的电荷就如图2(B)所示的那样发生相应的变化。如果温度变化为△T，其对应的电荷变化就产生△V的变化，因此，传感器输出△V。随着时间的延长，传感器表面就会重新吸附空气中的离子并相互抵消由此而达到如图2c所示的中和状态。此时，传感器又恢复到没有输出(0)，如图3所示。 
    当温度下降时，温度又回到原来的状态（T），其自由极化状态如图2D所示。由于温度的下降变化(相对而言)过程与温度上升变化相反，所以，传感器表面的电荷变化与上升时变化过程刚好相反，是个反过程。因此，传感器的输出信号就是一△V，如图3所示。同理，随着时间的延长，传感器的表面义会重新吸附空气中的离子，而使传感器的输出信号再次为零。 
    传感器对人体活动信息的感应全过程输出信号如图3所示。从传感器输出图中不难看出，传感器对人体活动的一个动作所输出的信号是一个完整的波形。在实验中，如果用放大器把该信号放大，再用示波器观察就是一个正脉冲和一个负脉冲。也就是说，传感器输出感应到的一个移动信号近似于一个完整的1Hz脉冲信号。 

三、红外线传感器 
    在热释电型传感器中，以前都是使用一元的传感器，由于一元传感器受杂散光等因素的影响比较大，应用效果比较差。所以，现在普遍使用双元传感单元，这种传感器有如下优点： 
    1．具有灵敏度高的特点。 
    2．两个单元器件反向连接，因此，同时输入的红外线会相互抵消，没有输出。由此增加了对外部杂散光、环境温度变化以及外部震动影响的稳定性(见图5)。 
    由于热释电型红外线传感器的输入阻抗极高，非常容易引入噪声，因此就需要对传感器进行电磁屏蔽处理，因此采用金属封装，外壳接地(图4、图5的③脚)。这样就可以达到屏蔽杂波噪声的目的。 
    在自然界中，所有物体辐射的热能都与自身的温度成正比。物体的温度越高其辐射热能的峰值波长就越短。温度在36~37℃的人体辐射出来的热能峰值约在900～1000nm的红外线，因此，完全可以用热释电型红外线传感器检测到人体的有或无。 
    为了在监测人体有或无的过程中避免太阳光和照明灯光等光线的影响，通常对热释电型红外线传感器表面附加上滤光片，同时，由于人体的移动比较缓慢，因此还需要带有高效率，能够聚焦的菲涅尔透镜等配件，才能满足实际的使用需要。 

四、红外线感应模块 
    人体红外线感应模块具有体积小、使用方便、工作可靠、检测灵敏、探测角度大、感应距离远等一系列的独特优异功能，已在各个领域里得到了广泛应用。整个红外线感应模块一般包括热释电型传感器、菲涅尔透镜、带通放大器、比较器、光控电路、延时电路、输出电路等，如图6所示。  

    1．菲涅尔透镜  透镜的作用是将人体辐射的红外线聚焦、集中，以提高探测灵敏度。 
    2．热释电传感器  传感器的功能是将人体辐射出来的特定波长的红外线检测到，并产生微弱的信号。在不用菲涅透镜时．探测距离只有1～2米，使用菲涅尔透镜后，探测距离能达到10米以上，因此，菲涅尔透镜的作用是提高探测距离。 
    3．带通放大器  由于热释电传感器输出的电脉冲信号幅度很小(仪1mV左右)，其频率约在0．3～10Hz左右(该频率视人体的移动速度而定)，是超低频信号。因此，需要高增益低噪声、低频带通放大器进行高增益放大处理后，才能送到下一级电路。放大器的增益约在70～75dB数量级。 
    4．比较器  为了有效地抑制噪声干扰，提高模块的工作可靠性，降低误动作的概率，感应模块内设置了电压比较器。电压比较器一般采用双限窗口比较器，它有一个门限电压(阈值电压)，一般设为静态噪声的5倍。此值越大，抗干扰能力越强，但灵敏度随之下降；此值小，易受干扰而产生误动作。当放大器的输出信号到比较器，其幅度达到比较器的门限值时，比较器输出脉冲信号，去触发延时单稳态电路。这种比较器的设置，可有效防止噪声信号及电源网络干扰所造成的误动作。 
    5．光控电路  光控电路的作用是利用光敏电阻对光敏感的特性，对输入到比较器的信号进行控制。在白天，光敏电阻受到光线的照射，阻值变得很小，如果将该很小的电阻值接在比较器的输入端，比较器的输入信号幅度永远达不到阈值信号所需要的跳变值，所以，比较器就没有输出。相反，在晚间，光敏电阻不受光的照射，阻值变得很大，几乎对比较器的输入信号不起作用。这样就起到昼夜的光控作用目的。 
    6．延时电路  延时电路有两种：一种是可重复触发的单稳态延时电路，只要电压比较器有不断的信号输出(其实就是在感应模块感应范围内，有人不断地走动或出现、消失)，单稳延时电路被不断地重新触发，输出端保持有效电平，直到最后一个触发脉冲消失后，再延长一个单稳时间。第二种延时电路是用了两个单稳电路，其目的是提高延时电路的工作可靠性。其原理是：当比较器输出脉冲信号时，第一个触发器被触发(单稳时间较短)，第一个单稳电路的输出触发第二个单稳态电路。使其进入暂稳态，两个单稳电路的输出一起送下一级电路处理。 
    7．输出电路  根据执行电路的不同，红外线感应模块可以输出高电平延时脉冲，也可以输出低电平延时脉冲；甚至输出标准的脉冲波形。这就需要对比较器电路输出的信号进行整形处理。 
    现在市场上，人体感应模块的电路组成形式有多种多样的，既有专用芯片电路，也有用通用型运算放大器芯片实现的。由于目前的专用芯片性能不一定比通用的运算放大器芯片制作的感应模块好、加之价格也比较高。所以，笔者在今后的文中，以采用通用的LM324运算放大器，作为实现人体红外线感应模块功能的放大器芯片电路。 

五、人体红外线感应模块的电路原理 
    图7的电阻R2是探头需要的匹配负载，一般都选用47k。A1、A2组成感应模块的带通滤波和增益放大器。由它们完成带通放大器的输入信号取自R2两端。第一级带通滤波器的下限截止频率由R4、C2决定，R6、C4决定带通滤波器的上限截止频率。感应模块放大器的电压增益由R6、R4和R10、R7决定。A1、A2都接成反相输入反馈式放大器；它们的上限截止频率由如下公式计算；fH=1／2×π×R6×C4，将电路中相应的元件数值带入计算公式可以得出大约为7Hz，下限截止频率计算公式：fL=1／2×π×C2×R4，经计算可以得出约为0．3Hz。 

    放大器的电压增益可以用反馈电阻R6／R4的比值，然后取分贝对数。A1、A2的总增益约70dB。 
    电阻R3、R5、R8、R9组成偏置电路，将两级运算放大器偏置在1／2U(U为电源电压1处。运算放大器的A3、A4及周边元件R11～R14、VR及D1、D2组成双限比较器电路，比较器的基准电压由R11～R14分压决定。运放A3的反相输入端基准电压为Vr=0．55U(U为电源电压)，同相输入端电压Vr+=0．45U。 
    当传感器没有感应到人体红外线时，放大器A2输出电压为1／2U，这是因为A2的同相输入端电压取自R8、R9组成分压电路的中心点电压，也即1／2U。所以，静态时A2输出电压介于Vr-与Vr+之间。因A3同桐端电压大于0．5U而小于0．52U(Vr-)，所以输出低电平。同样的道理，A4也输出低电平。 
    当有人在传感器前而移动时，感应模块检测到人体红外线后，经放大A2输出桐对于1／2U正、负脉冲信号。此时，若A2输出正脉冲信号，其幅度将大于Vr-(0．52U)，Vr+(0．48U)，因此，A3输出高电平，A4输出低电平，比较器输出高电平。同理，当A2输山位脉冲信号时，A4输出高电平，A3输出低电平。由此可见，当人体在传感器前面移动时，比较器中的A3、A4交替输出高电平，图7电路图中的二极管D1、D2是隔离二极管，作用是为了防止A3、A4中任一个输出低电平时将另一个输出的高电平短路掉而设置的，所以起到了隔离作用。在后续的电路中，可以外接各种执行电路。 
    图8和图9分别是产品的外形图和测试连线图，该红外线感应模块外形尺寸为：20mm×20mm×15mm。电路中采用的是全贴片元件，感应模块共有三个端子，①脚为输出端；②脚为电源端；③脚为模块地。检测时请按图9(测试图)连接好，模块接上电源时输出端初始状态为高电平，约20秒后模块恢复静态，此时如有人在模块前面移动时，模块能检测到并同时输出与感应信号相一致的电平。  

    一、人体红外线感应模块的应用 
    图10是红外感应模块的三个引出端子，是从模块底部引出的，图11是该类模块三个引出端子从正面引出的。不管三个端子从哪里引出，功能都是一样的。图中端子“1”是模块信号输出端，端子“2”是模块电源端，端子“3”是模块地端。  

    下面所有的应用电路都是以感应模块正面图(图11)为例说明的。 
    1．人体红外线感应小夜灯电路  图12中，虚线左边是M20G型感应模块，右边是小夜灯电路图，图中示出的是三个高亮度φ5mm发光二极管(LED1—LED3)并联的产品，根据需要也可以用一个或两个发光二极管并联，视产品的照明亮度需要而定。R1～R3是高亮度二极管的限流电阻，视需求的亮度而定值，一般取33—47Ω；VR(可变电阻)的作用是调整整个产品亮度而设定的。E(电源)可以用三节或四节五号电池供电。 
    当电源接上时，模块的①脚输出高电平，该高电平持续约20秒钟后，恢复低电平；在①脚输出高电平期间，电流通过VR，经过节点流过电阻R1～R3点燃LED1～LED3，此时，小夜灯处于“开”状态。20秒之后，由于模块恢复静态，①脚恢复低电平，小夜灯处于“关”状态(感应模块处于静态)。在该状态下，如果有人从小夜灯前面走过，模块检测到人体红外线时，①脚输出高电平，电路通过VR→R1～R3→LED1～LED3使小夜灯点亮，之后经过一定的延时时间f延时时间长短视需求设置，为30秒、60秒甚至几小时都可以)，模块的①脚又恢复到静态(低电平)，小夜灯“关”。 
    如果需要光控作用，在人体红外线感应模块电路中还可以增加光敏电阻，实现光控功能，使得模块白天不工作，仅仅在黑夜工作。 
    该电路只要稍作延伸，就可作为探测宾馆客房的客人在不在房间的指示装置。在每层楼的服务台设置一个总指示装置，总指示装置的台面装有红色的指示灯，每个指示灯与每个房间的感应模块输出端连接，房间里只要有人活动，感应模块就会探测到并同时输出感应信号，驱动总服务台的指示灯，总服务台上面的指示灯亮，说明对应的房间有人员活动。如果确认该房间的人员已经出去，但还是显示房间里有人员活动，则该房间的人员就有可能是非法入侵者，虚予警惕。 
    2．人体感应报警电路  人体感应报警电路如图13所示，图中虚线左边的T1和感应模块组成报警器开关电路，虚线右边的R2、C1、T2、T3等组成报警电路，其作用是：当电路中的“A”点通过T1接通电源时，由T2、T3、R2、C1等组成的振荡电路起振，并输出推动喇叭S发出报警声，实现报警功能。  
  
    由模块和T1等组成开关电路，其工作原理是：当人体在模块的感应范围内移动时，模块的端子“1”就输出高电平延时信号，该高电平延时信号推动T1的基极，由于模块的输出电平足以使得T1饱和导通，此时的“A”点与电源连接，所以，报警电路工作发出报警声。 
    单线制人体红外线感应照明开关如图14所示，该电路由四部分组成： 
    1)交流降压：由R1、C1组成阻容降压式电路。电路中的电容C1主要起降压和供给电路工作电流的作用，R1的作用是对降压电容C1的残留电荷放电，以免不接电源时，人体触及电路时C1的残留电荷通过人体放电。在本电路中，降压电容C1用0．33uF／630V的耐高压涤纶电容器。放电电阻R1用1／4W或1／8W碳膜电阻均可。但要注意，C1与电阻R1并联连接一定要焊接牢固，不得有松动现象，否则会有危及人身安全。 
    2)整流稳压：由Z、D、C0等组成。 
    3)开关电路：由VS和感应模块输出部分组成，VS可以选用1A的双向可控硅，也可以选用3A的双向可控硅，由控制负载的功率决定。如果需要控制100W的负载，就可以选用1A的双向可控硅，如果需要控制300W左右的负载，就可以选用3A的双向可控硅。 
    4)人体感应信号处理、延时信号输出控制、光控作用电路等。该部分的电路全部由感应模块完成。 
    图14的单线制人体感应照明开关。直接串接在火线上，可以完全取代普通的86型墙壁手动开关、触摸开关、声控开关等，如果元件数值选择得当，可以做到电路完全不发热。该自动开关的优点是：电路简单，成本低，容易实现，功耗低，环保，带能(几乎没有误动作)，方便(不用手接触、与现有86型墙壁式开关兼容接线)，感应控制距离远等；缺点是：只能控制白炽灯等负载。 
    为了能够控制各种类型的负载，下面介绍双线制人体感应照明开关。 
    4．人体感应照明开关电路(双线) 
    如图15所示，人体感应照明开关电路由电容降压电路、全波整流电路、稳压电路、控制执行电路等组成。电路的工作原理如下： 
    当交流电源220V／50Hz的电压处于正半周时，电源通过降压电容C1及硅桥向C2充电，当交流电源220V／50Hz的电压处于负半周时，电源通过硅桥也是向C2充电。这里，硅桥的作用起着直流充电方向的换向作用，不管是正半周还是负半周都是对C2正向充电。 

    在电路中，降压电容C对交流电源220V/50Hz所呈现的容抗是： 
    Xc=1/2πfC 
    由于相对220V的交流电压幅度来说，直流电压幅度可以忽略不计，因此，电源通过降压电容C的电流计算公式为： 
    I≈220／Xc=220×100πC 
    当降压电容为1uF时，此时的I≈69mA，此数值的意义是：1uF的电容容量能够提供约69mA的电路工作电流。如果电路工作电流超过69mA时，电容无法提供更大的电流，输出电压就要下降，且电压不稳定。 
    由于图15采用的是全波整流电路，降压电容选用0．33uF，所以，电容C提供给电路的工作电流最大不能超过23mA，否则将不能正常工作。 
    让我们再回过头来看一下图14的单线制人体感应开关电路，由于图14采用的是半波整流电路，降压电容选用的也是0．33uF，所以，C所能提供的电路工作电流只有全波整流电路的一半，也就是说约11．5mA的电流。 
    在图15中．稳压电路78L05是典型的应用接法，这里不必赘述。 
    感应模块的输出直接驱动继电器，当有感应信号输出时，输出端子“1”输出高电平延时信号驱动继电器，继电器吸合后，照明电器开关接通．没有感应信号输出时，感应模块处于静态，输出端子“1”处于低电平，不能驱动继电器吸合。照明电器开关关闭。这就实现被控制电器感应玮关控制的目的。 
    需要注意：该电路的控制执行元件是继电器，驱动与控制基本分离，所以，对于被控制的电器性质来说，可以是感性的，也可以是容性的，还  可以是复合性质的负载，也就是说可以控制任何负载。 
    5．人体感应迎宾电路 
    如图16所示的是一款迎宾电路，用感应模块配合语音电路实现宾仪用语录制、播放，图中所示的SM-9517语音芯片是一款既可以录音也可以放音的电路芯片。使用时，播放之前先录制好迎宾用语或产品介绍用语，S是语音录制按键，录制时，先按下S按键，对着话筒MIC说话就可以录制你想要录制的语音了。语音录制好后，将感应模块的感应头放置在饭店、商店、宾馆等公众服务性场合的门口入口处，感应模块感应到人员到来时，模块的输出端子“1”就会输出高电平，使得开关三极管9014进入导通状态，此时，语音芯片的“2”端接地，开始播放先前录制好的欢迎用语或其他服务性用语，具有人性化的服务，可提高公众场合的自动化服务形 
象。