被動(dòng)式紅外探測(cè)模塊在太陽(yáng)能照明系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

引言

隨著太陽(yáng)能產(chǎn)品受到越來(lái)越多的關(guān)注，其太陽(yáng)能照明系列產(chǎn)品也得到了廣泛的認(rèn)可。為此，本文根據(jù)市場(chǎng)需要，開發(fā)了一款應(yīng)用于太陽(yáng)能系列產(chǎn)品的遠(yuǎn)紅外信號(hào)探測(cè)模塊，以滿足其越來(lái)越高的功能要求。

人體是一個(gè)具有特定波長(zhǎng)的紅外發(fā)射體,檢測(cè)這種紅外信號(hào)并予以放大處理，推動(dòng)適當(dāng)?shù)呢?fù)載工作，便是熱釋電人體紅外傳感器及相關(guān)專用集成電路應(yīng)有的功能。

這種人體檢測(cè)技術(shù)具有明顯的優(yōu)越性。如：常見的主動(dòng)式紅外裝置,雖具有較高的靈敏度，也能靠人體阻擋紅外光束進(jìn)行控制,但需發(fā)射和接收兩部分才能組成，且需嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn),因而機(jī)構(gòu)復(fù)雜、要求精度高、調(diào)試?yán)щy，且人物不分，誤動(dòng)作難于避免。而觸摸觸發(fā)方式雖為人體直接接觸，但不能拉開距離，人手不及的地方便無(wú)能為力。因此,人體紅外觸發(fā)的方式以其功耗低、可靠性高、不易被發(fā)現(xiàn)等優(yōu)越性受到廣泛關(guān)注。這種電路的核心元件為熱釋電紅外傳感器(PIR)和信號(hào)處理模塊，供電單元為太陽(yáng)能電池板。本文介紹一種簡(jiǎn)單可靠的、主要應(yīng)用于室內(nèi)的太陽(yáng)能照明系列產(chǎn)品的紅外處理模塊的設(shè)計(jì)和應(yīng)用方法。該模塊亦可應(yīng)用于安防報(bào)警。本文主要針對(duì)太陽(yáng)能照明系統(tǒng)進(jìn)行闡述。

1  紅外處理模塊的組成

該紅外處理模塊主要由熱釋電紅外傳感器(PIR)、紅外處理電路(IV0201),電源管理電路(IV0103JV0104)及一塊太陽(yáng)能電池板組成。其系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

系統(tǒng)的基本工作原理是以太陽(yáng)能做為系統(tǒng)的能量來(lái)源，用太陽(yáng)能板給蓄電池存儲(chǔ)的電量通過(guò)一個(gè)電源管理模塊給熱釋電紅外傳感器、信號(hào)處理模塊等供電。夜間，系統(tǒng)電源管理模塊將控制并點(diǎn)亮系統(tǒng)中的一顆主LED燈，當(dāng)沒(méi)有人進(jìn)入探測(cè)區(qū)域時(shí)，副LED處于熄滅狀態(tài)，反之，副LED燈點(diǎn)亮做為輔助照明使用。以此節(jié)約太陽(yáng)能板白天有限的充電電量,達(dá)到更加節(jié)能的效果（若做為安防報(bào)警使用，還需對(duì)電路進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，本文不再闡述）。

本系統(tǒng)使用的是被動(dòng)式探測(cè)方式，由于本身不發(fā)出任何輻射，因而功耗低、隱蔽性好。

2  熱釋電紅外傳感器（PIR）

熱釋電紅外傳感器是根據(jù)熱釋電效應(yīng)制成的一類紅外傳感器。當(dāng)熱電晶體溫度以一定頻率發(fā)生變化時(shí)，其面束縛電荷密度必然以同樣的頻率出現(xiàn)周期性的變化，并產(chǎn)生一個(gè)交變的電場(chǎng)，這便是熱釋電效應(yīng)的原理。如圖2所示。

熱釋電紅外傳感器包括兩個(gè)相互串聯(lián)且電極化方向相反的熱釋電元件。由于兩電極之間的輸出阻抗極高，所以，接入MOS管可做為阻抗變換之用，當(dāng)傳感器檢測(cè)范圍內(nèi)溫度有△T的變化時(shí)，熱釋電效應(yīng)會(huì)在兩個(gè)電極上產(chǎn)生電荷△Q，即在兩電極之間產(chǎn)生微弱電壓應(yīng)△V。由于它的輸出阻抗極高，所以，傳感器中有一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換。通常熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷△Q會(huì)跟空氣中的離子所結(jié)合而消失，當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時(shí)，△T=0，傳感器無(wú)輸出。當(dāng)人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)時(shí)，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別,將產(chǎn)生△T，故會(huì)有信號(hào)輸出；如果人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域后不動(dòng)，則溫度將沒(méi)有變化，傳感器也沒(méi)有輸出，所以，這種傳感器能檢測(cè)出人體或者動(dòng)物的活動(dòng)。

3  信號(hào)處理及電源管理模塊

采用線性濾波放大的方法是人體遠(yuǎn)紅外信號(hào)處理的一種常見方法，有很多生產(chǎn)商根據(jù)PIR傳感器特性設(shè)計(jì)了專用的信號(hào)處理器，如HOLTEK的HT761X,PTI的PT8A26XXP,WELTREND的WT8072.BISS0001等。這些專用的人體遠(yuǎn)紅外信號(hào)處理器基本上都包含有運(yùn)算放大器、窗口比較器、線性穩(wěn)壓器及一些邏輯控制電路。因人體遠(yuǎn)紅外信號(hào)的變化緩慢、幅值?。ù蠹s幾十到幾mV）,為了后續(xù)電路能有效地處理，并考慮到PIR傳感器的信噪比，所以，在設(shè)計(jì)IV0201時(shí)應(yīng)將增益選在100dB左右，帶寬基本為0.1?10Hz。同時(shí)，電源上的噪聲可能會(huì)直接加到PIR的輸出端，因此，為了保證后面放大器的工作穩(wěn)定可靠,這些處理器也都集成了一個(gè)穩(wěn)壓器來(lái)給傳感器、放大器和比較器供電，并經(jīng)常在PIR的電源端做一級(jí)濾波處理。圖3所示是系統(tǒng)電源管理模塊電路圖。 

電路的信號(hào)處理由IV0201完成。IV0201的功能完全可以取代LM324組成的紅外信號(hào)處理電路,且較LM324組成的紅外信號(hào)處理電路具有明顯的優(yōu)勢(shì)(成本低、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高)。基于IV0201的信號(hào)處理模塊電路如圖4所示。