摘要：為解決黑暗環(huán)境中開啟照明裝置所帶來的不便和不安全，設(shè)計(jì)了一種基于熱釋電傳感器的人體熱輻射檢測電路。闡述了熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了包含有前置放大電路、電壓比較電路、延時(shí)電路和電源電路組成的紅外檢測系統(tǒng)，分析了檢測電路的工作原理，提出了檢測電路的安裝要求。所設(shè)計(jì)的電路性能可靠、成本低、易于安裝，適用于居民家庭、賓館走廊、學(xué)生宿舍、教學(xué)樓道等場合。
關(guān)鍵詞：人體輻射；熱釋電紅外傳感器；照明；信號檢測；人身安全

0 前言
    近年來，隨著電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對于生活的信息化、自動化要求不斷提高。傳統(tǒng)的照明開關(guān)始終存在著一個(gè)弊端，即在夜晚或光線昏暗的時(shí)候，人們從室外走進(jìn)室內(nèi)時(shí)，需要摸索到開關(guān)然后再開燈，這樣就給人們帶來了極大的不方便和不安全，特別是對于老人、孕婦，還有孩子們更是如此。如果能將傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān)，光控開關(guān)和對人體散發(fā)的熱輻射具有感應(yīng)功能的傳感器相結(jié)合，做成一個(gè)能夠自動開啟燈光照明的裝置，即當(dāng)人進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，傳感器感受人體熱輻射，控制開關(guān)打開燈光，將會給人們的生活帶來很大的方便。本文利用熱釋電紅外傳感器，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于熱釋電紅外傳感器的人體熱輻射自動檢測電路，實(shí)現(xiàn)了對人體熱輻射的檢測，為自動啟動照明開關(guān)提供控制信號。

1 熱釋電紅外傳感器
    在自然界中，任何高于絕對溫度的物體都能夠產(chǎn)生紅外光譜。波長1～15 μm稱為近紅外波段，15～50 μm為中紅外波段，50～1000 μm為遠(yuǎn)紅外波段。物體的溫度不同，釋放的紅外光的波長就不相等，故而，紅外光的波長與物體溫度的高低是有關(guān)系的。紅外輻射與物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生熱效應(yīng)，能將人眼觀察不到的紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的物理量。熱釋電紅外傳感器通常由熱電元件(熱釋電晶體)、濾光鏡片、結(jié)型場效應(yīng)管FET、電阻等元器件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    對于輻射至傳感器的紅外信號，熱釋電傳感器通過安裝在前端的菲涅爾透鏡將其聚焦后加至兩個(gè)探測元上，從而使傳感器輸出電壓信號。為了對某一波長范圍的紅外輻射有較高的敏感度，該傳感器在窗口上加裝了一塊干涉濾波片。這種濾波片除了允許某些波長范圍的紅外輻射通過外，還能將燈光、陽光和其它紅外輻射拒之門外。
    熱釋電傳感器采用的干涉濾波片的厚度一般為8～14 μm，而人體輻射紅外線的波長大約在10 μm左右，因此，傳感器能夠探測到是否有入進(jìn)入了探測區(qū)域。由于熱釋電傳感器的輸出阻抗極高，而輸出電信號微弱，故在其內(nèi)部裝設(shè)FET及偏置電阻，以進(jìn)行信號放大及阻抗匹配。

2 熱釋電紅外檢測電路設(shè)計(jì)
    在設(shè)計(jì)中，選用的熱釋電紅外傳感器為D203S。采用雙靈敏元結(jié)構(gòu)，靈敏元尺寸為2×1mm，工作波長7～14 μm，視場139°×126°；選用的菲涅爾透鏡為7803矩形鏡片，焦距為20 mm；方向角為89°，探測距離7m。用于人體熱輻射的紅外檢測系統(tǒng)由熱釋電紅外傳感器、前置放大電路、電壓比較器、延時(shí)電路和音響報(bào)警電路，電源電路等組成。
2．1 前置放大電路
    由于熱釋電紅外傳感器的輸出信號十分微弱，因此設(shè)計(jì)性能優(yōu)異的前置放大電路就顯得尤為重要。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前置放大電路如圖2所示。

    電路的核心為兩片運(yùn)算放大器，采用級聯(lián)方式提高放大倍數(shù)?？紤]到類似于人體等物體的移動信號為低頻信號，因?yàn)檩斎胱杩馆^高，容易受到外界電磁干擾，所以電路中采用C4和R8并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)低通濾波，防止高頻干擾。保證熱釋電傳感器的有用信號能被正常放大。傳感器的輸出信號也以該頻率變化，因此將放大器接成低通形式，截止頻率為45 Hz，兩級電壓放大倍數(shù)分別為Au1=120，Au2=4，總的放大倍數(shù)為Au=Au1×Au2=480=54dB。
2．2 電壓比較電路
    LM324是一款包含有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器，它的兩個(gè)運(yùn)放組成電壓比較檢測窗口，電壓比較電路如圖3所示。

    當(dāng)工作電壓VCC設(shè)定為6V時(shí)，由R3、R5和R7、R8將高、低通放大器的輸入端均設(shè)置為1／2 VCC，即3V。靜態(tài)時(shí)，LM324的輸出端8、14引腳均為低電平，開關(guān)管截止，2引腳仍為高電平，延時(shí)電路不工作。當(dāng)熱釋電紅外傳感器的探頭檢測到人體產(chǎn)生的熱輻射時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)微弱的電壓信號，經(jīng)過放大后傳送到LM324的10、13腳，表現(xiàn)為一個(gè)峰值約為5V的正弦波。由于分別送入兩個(gè)電壓比較器的同相和反相輸入端，無論在信號的正半周，還是在負(fù)半周，這兩個(gè)比較器總有一個(gè)輸出低電平，使得2引腳的高電平躍變?yōu)榈碗娖剑寡訒r(shí)電路不工作。當(dāng)人體進(jìn)入紅外傳感器的測量范圍而被檢測到熱輻射時(shí)，在輸入信號的正半周期，13引腳的電平高于12引腳所加的2．6V比較電壓，下面的一個(gè)比較器的14引腳輸出為低電平，二極管D2截止；此時(shí)10腳電平高于9腳，上面的比較器輸出為高電平，二極管D1導(dǎo)通，其高電平使得開關(guān)管飽和導(dǎo)通，將2腳拉成低電平，致使延時(shí)電路工作。在信號負(fù)半周時(shí)，上、下比較器輸出電平剛好相反，即8腳輸出低電平，14腳輸出高電平，D2導(dǎo)通。可見，只要傳感器檢測到人體活動，無論是信號的正半周還是負(fù)半周，兩個(gè)比較器中必有一個(gè)輸出為高電平，通過開關(guān)三極管從而控制延時(shí)電路工作。
2．3 延時(shí)電路
    圖3中的R6和C6組成報(bào)警延時(shí)電路，其時(shí)間約為60s。人體離開傳感器的探測范圍后，其輻射的紅外線信號消失，IC3的輸出端又恢復(fù)高電平，此時(shí)D2截止。由于C6兩端的電壓不能突變，故通過R6向C6緩慢充電，當(dāng)C6兩端的電壓高于其基準(zhǔn)電壓時(shí)，1腳才變?yōu)榈碗娖?，時(shí)間約為60s，即控制燈光亮60s。
2．4 電源電路
    熱釋電紅外檢測系統(tǒng)的電源取為6V，采用交流220V供電，經(jīng)交直流變換后形成6V的直流電壓，電源電路如圖4所示。

2．5 熱輻射檢測電路工作原理
    當(dāng)人體進(jìn)入房間，熱釋電紅外線傳感器探測到人體發(fā)出的熱輻射信號時(shí)，圖2中IC1的2腳輸出一個(gè)微弱的電壓信號。三極管VT1是一級電壓放大電路，微弱電信號經(jīng)過放大后經(jīng)過耦合電容C2送入運(yùn)算放大器IC2中進(jìn)行高增益、低噪聲放大。IC3作電壓比較器，R10和VD1為其反相輸入端提供一個(gè)基準(zhǔn)電壓。IC2的輸出電壓信號接到了IC3的同相輸入端，與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，使得IC3的輸出端由原來的高電平躍變?yōu)榈碗娖?。R6、C6和IC4組成延時(shí)電路，當(dāng)人體離開傳感器的測量范圍后，熱輻射信號消失，IC3的輸出端恢復(fù)高電平，使得二極管D2截止。由于電容C6兩端的電壓不能突變，電源通過R6向C6緩慢充電，當(dāng)C6兩端的電壓高于R7、R8和R11產(chǎn)生的上基準(zhǔn)電壓時(shí)，IC4的輸出端才變?yōu)榈碗娖?，時(shí)間約為1min，即持續(xù)1min控制燈亮。

3 熱釋電紅外檢測電路的安裝
    由于熱釋電紅外傳感器易受光照、溫度和熱源的影響，所設(shè)計(jì)的熱釋電人體輻射檢測電路只能安裝在室內(nèi)，誤報(bào)率與安裝的位置和方式有極大的關(guān)系。正確的安裝應(yīng)滿足下列條件：
    (1)傳感器應(yīng)離地面2．0～2．2m，以避開寵物。
    (2)傳感器易受溫度的影響，應(yīng)遠(yuǎn)離空調(diào)、冰箱、火爐等熱源物體。
    (3)在傳感器與被探測的人體之間不要有家具、大型盆景或其他高的隔離物。
    (4)傳感器不要直對窗口或門口，避免外部的熱氣流擾動或人員走動引起的誤報(bào)，也不要安裝在有強(qiáng)氣流活動的地方。

4 結(jié)論
    本文所設(shè)計(jì)的人體熱輻射檢測電路，能夠根據(jù)人體進(jìn)入檢測區(qū)域后的熱輻射產(chǎn)生輸出信號，控制照明裝置的開關(guān)，延時(shí)60s，一般情況下有足夠的時(shí)間幫助人們手動開啟照明，從而給人們的生活帶來了方便。由于具有性能可靠、成本低、易于安裝等優(yōu)點(diǎn)，適用于居民家庭、賓館、學(xué)生宿舍、教學(xué)樓等受熱源影響較小的場合，也可用于樓道、走廊等需要短時(shí)延時(shí)照明的地方，具有較大的使用和推廣價(jià)值。