一种新的PIR人体检测方案研究与设计

邓　串， 张小华

(湖北工业大学 电气与电子工程学院， 湖北 武汉 430068)



一种新的PIR人体检测方案研究与设计

邓串， 张小华

(湖北工业大学 电气与电子工程学院， 湖北 武汉 430068)

目前应用于照明领域中的热释电红外传感器的信号处理主要采用模拟技术处理方案，模拟技术处理中存在容易误动作、灵敏度低、检测距离一致性差等缺点。为此提出了一种新的技术方案：PIR传感器信号数字化处理检测方案。首先对PIR传感器输出信号进行预置放大处理，然后由单片机模块完成AD转换、数字滤波、智能鉴幅等操作而获得数字信号，并对周围环境温度进行实时检测以实现对增益的自适应调节。经多次测试，该数字PIR传感器可对10 m范围内的行人进行有效检测，具有可靠性高、抗干扰能力强、成本低等优点。

PIR； 模拟技术； 数字滤波； 自适应调节

在照明领域中常采用夜视摄像头和模拟PIR传感器对人体进行检测。摄像头检测的优点：安装维护简单方便、系统设置灵活、精度高、检测范围大、可视化等。但有如下缺点：检测精度易受环境影响、抗干扰能力差、稳定性不好、需反复维护调试、价格偏高、图像处理实时性不够好等。模拟PIR传感器优点：无电源、安装方便、无需布线、寿命长、功耗低、价格低廉、本身不会发出任何类型的辐射、隐蔽性好[1]。但也有如下缺点：需使用模拟PIR专用处理芯片、探测范围小(一般为5 m左右)、易受射频辐射的干扰及各种热源光源的影响，如在夏季当温度达到37℃时，非常接近人体的体温，会使检测的灵敏度下降，可能造成误动作。为了克服上述人体传感检测技术的不足，设计出了一种通过单片机及其软件系统实现, 稳定性好、性价比高、可靠性高的数字PIR传感器信号处理电路。

1　热释电人体红外传感器

热释电红外传感器(PIR)属热电型红外传感器，基于热电效应原理。目前市面上常见的PIR人体传感器主要由三个部分组成，即滤光窗、探测元、场效应管阻抗变换器[2]。

探测元件分为单元型、双元型和四元型。单元型传感器亦被称为温补单元型，对环境温度的变化非常敏感，需要对其进行温度补偿来降低灵敏度，一般应用于火焰检测器、气体分析设备、辐射高温计等。人体检测中应用较多的是双元型和四元型，且双元型应用得更为普遍。双元型探测传感器的结构见图1，为了降低自身和环境温度变化引起的热释电信号干扰[3]，将两个探测元件按照极性相反的方式进行串联。

图 1　双元型探测元结构图

PIR传感器中探测元件能够感知的波长范围较广，为了使其具有抗干扰性而只对人体辐射的红外线敏感，需要在其前面加滤光窗。滤光窗响应的波长范围为0.2～20 μm，人体辐射波长范围为9.35～9.38 μm。可知，人体辐射的红外线波长正好处于滤光窗响应波长的中心区段，即滤光窗可以有效地阻止其它光源的干扰而使人体辐射的红外线通过。

场效应管的作用是进行匹配阻抗变换，探测元件材料的阻值高达1013Ω，且输出为电荷信号，不可以直接使用，需将其转换为电压信号。场效应管的输入阻抗高达1010Ω，接成共漏极形式以实现阻抗变换，栅极和探测元之间并联一个高阻值的电阻Rg以吸收过多的光能量，防止场效应管损坏，从场效应管S端出来的电压信号经放大器放大处理[4]。

2　数字PIR方案设计

PIR传感器输出的信号电压极其微弱，一般只有几mV，并且是一个变化的信号，为了使检测信号的范围增强，通常使用菲涅尔透镜来增强入射的红外信号，并通过增益达数千倍的放大电路对输出信号进行放大处理，使得PIR传感器的检测范围达到10 m左右，PIR信号处理电路由放大、低通滤波、鉴幅、波形保留等环节组成。

目前PIR传感检测技术普遍采用的是模拟处理技术，较典型的是以PIR专用芯片BISS0001为核心及以集成运算放大器LM324为核心构成的模拟PIR信号处理电路，此类技术方案已经较为成熟。模拟技术方案中存在如下一些问题：检测距离一致性差、增益固定、易受环境因素影响等，如在夏季，人体温度与环境温度接近时，会导致灵敏度下降，检测距离变短，进而可能引起误动作[5]。

为了克服模拟PIR信号处理电路中的不足之处，拟设计一种PIR传感器信号数字化处理电路，设计原理见图2。PIR传感器输出信号先经前置放大预处理，放大约1000倍，之后通过单片机内集成的AD模块以大约50 Hz的采样频率(PIR信号的频率低于10 Hz)将放大处理后的PIR信号转换为数字信号，然后经软件系统进行数字滤波及智能鉴幅，最后判断处理后的数据是否为检测到的有效数据，进而控制相应驱动电路。如当PIR传感器在相距10 m左右的范围内检测到人体时，可对蜂鸣器、LED灯等进行相应控制。

图 2　PIR传感器数字化处理原理框图

3　数字PIR电路及软件设计

3.1PIR信号调理电路

PIR传感器输出的电压信号极其微弱，需要对其进行放大、滤波、去除噪声等处理。本设计中的PIR信号调理电路见图3[6-8]。

图 3　PIR信号调理电路

图3中，R9为PIR传感器的负载电阻，当PIR传感器在其探测范围内检测到有人体运动时，将在电阻R9两端产生频率为0.1～10 Hz的微弱红外电信号，之后经电阻R5送入运算放大器LM358进行第一级放大，第一级运算放大增益为电阻R8与R5的阻值之比，约为55.6，且电阻R8与电容C13构成上限截止频率为16 Hz的低通滤波器。第二级运算放大增益为电阻R3与R6的阻值之比，计算为20，电阻R3与电容C4构成上限截止频率为8 Hz的低通滤波器。经运算放大器LM358的两级放大后总的放大增益约为1000，使得PIR传感器输出的初始信号电压由几mV变为1.2 V左右。电阻R4与R10构成偏置电路，将放大器的3号引脚电压设置在1.1 V左右。电阻R11、R13及电容C15组成的串并联电路，用于滤波和去除噪声。经过运算放大器和滤波电路后的信号AD0由单片机进行相应处理。

3.2数模处理电路

图4为PIC16F877A单片机构成的数模处理电路。

图 4　数模处理电路

信号AD0送入PIC16F877A的AN0引脚进行处理，当在探测范围内检测到有人体运动时，LED1灯闪烁同时报警器响。

LM358和PIC16F877A单片机均采用5V直流电源供电，图5为辅助电源电路。

图 5　辅助电源电路

由图5可知，选取MD7150作为电压变换芯片，其1号引脚为接地端，2号引脚为输入电压端，3号引脚为输出电压端。本设计中其2号脚输入电压为+12V，3号引脚输出电压VDDA为+5V。LM358和PIC16F877A单片机均由VDDA进行供电，确保系统工作正常。

3.3软件功能设计流程

软件设计主要是为了实现以下功能：将由PIR传感器输出且经运算放大器处理后得到的电压信号AD0送到PIC16F887A的AN0引脚进行AD转换、数字滤波、鉴幅等操作，判断其是否为有效信号，进而去驱动相应的功能电路。本设计中当PIR传感器在距离为10 m左右的范围内检测到有人体运动时，执行LED1灯闪烁3 s同时报警器响两项操作。数字PIR软件设计流程见图6。

图 6　数字PIR软件设计流程图

4　数字PIR测试与分析

PIR传感器信号数字化处理电路想要达到的目标是能够对相距10 m左右的人体辐射的红外信号进行检测，通过用示波器观察信号端口AD0的波形以对PIR传感器的信号调理电路进行测试。测试时将数字PIR传感器放在距离地面1.2 m左右的水平桌面上，人体沿着菲涅尔透镜的切向方向进行运动，检测与传感器相距分别为3 m、5 m、7 m、10 m位置的人体并进行波形观察与分析。首先观察人体静止时AD0端口的波形(图7)。

图 7　人体静止时的波形

由图7可以看出，采样端口输出电压的波形近似为一条水平直线，幅值没有波动，表明当人体沿菲涅尔透镜切线方向保持静止时，数字PIR传感器没有信号输出，此时电压为偏置电压，其值为1.11 V，峰峰值电压为100 mV，实测值与电路设计中的计算值比较吻合。

当人体在距离菲涅尔透镜3 m处沿其切线方向运动时，数字PIR传感器输出信号电压波形见图8。

图 8　数字PIR传感器3米检测波形

从图8可以看出，当人体在距离菲涅尔透镜3米处沿其切线方向运动时，采样端口输出最大电平为2.11 V，峰峰值电压为1.35 V，与人体静止时相比有较大波动。

从图9可知，当人体在距离菲涅尔透镜5 m处沿其切线方向运动时，采样端口输出最大电平为1.59 V，峰峰值电压为880 mV。与图8中3 m时的波形相比，可清晰看出PIR传感器检测到的信号电压随着检测距离的增加其最大电平和峰峰值都有所降低，但将此时的电压波形与人体静止的电压波形进行比较，仍有较大的波动，单片机可以检测到此信号并进行AD转换。

图 9　数字PIR传感器5米检测波形

图10为当人体在距离菲涅尔透镜7米处沿其切线方向运动时检测到的波形。由图10可知采样端口输出最大电平为1.41 V，峰峰值电压为700 mV，与图9进行比较，可知检测到的信号电压略有下降，但单片机仍能检测到此信号。

图10　数字PIR传感器7米检测波形

图11为当人体在距离菲涅尔透镜10 m处沿其切线方向运动时得到的波形。由图11可知，采样端口输出最大电平为1.25 V，峰峰值电压为220 mV，与相距3 m、5 m、7 m时的检测波形进行比较，可明显看出采样端口电压信号的波动范围已经很小，但与人体静止时的检测波形进行比较，二者间峰峰值电压的差值为120 mV，单片机仍然可以检测到此信号。

图11　数字PIR传感器10米检测波形

结合上述不同距离时PIR传感器采样端口的电压波形及其对比情况，为了实现对与PIR传感器相距10 m左右的人体进行检测，在软件编程环节中对电压的幅值鉴定时，将采样电压阈值设为1.2 V。这样，PIR传感器对于10 m以内的人体运动都可以检测到，然后由单片进行相关处理去控制相应的驱动电路。

5　结束语

针对模拟PIR检测技术中所存在的缺点，提出了一种新的PIR信号数字化处理方案，此方案先让PIR传感器检测到的信号通过预置放大器放大约1000倍，然后由单片机系统完成数字滤波、智能鉴幅及对环境温度实时检测实现增益的自适应调整等操作。通过设计数字PIR实物，并进行实际测试，表明设计的数字PIR传感器具有精度高、稳定性好、结构简单、成本低等优点，检测距离可以达到10 m，可以有效地对道路行人进行检测。

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[4]吴傲寒，刘志昌．基于人体红外传感器的老年人卧室照明系统的设计[J]．计算机与数字工程，2012，40(5):69-71．

[5]徐克宝，高洁，鞠晓君，等．具有抗环境热源干扰的热释电探测器的应用研究[J]．传感技术学报，2006，19(3)：758-762．

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[责任编校： 张岩芳]

Research and Design of a New PIR Human Detection Scheme

DENG Chuan1，ZHANG Xiaohua1

(SchoolofElectricalandElectronicEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Present signal processing of the Pyroelectric Infrared Radiation used in the field of illumination mainly applies the solution of analog technology. The analog technology has some disadvantages such as malfunction, low sensitivity, poor consistency of detection range, and so on. Hence, a new technical solution is proposed: The solution of digital processing of the PIR sensor output signal. This proposed solution first amplifies the output signal of PIR sensor, and then proceeds to complete operations such as AD conversion, digital filtering and intelligent amplitude discrimination. In the meantime, it detects the ambient temperature in order to realize self-adaption of the transmission gain. After these tests, the digital PIR sensor can effectively detect pedestrians within 10 meters, and possess the advantages of high reliability, strong anti-interference ability, low cost, etc.

PIR; analog technology; digital filter; adaptive adjustment

2015-06-30

邓串(1990-)， 男， 湖北天门人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为现代电力电子技术、电力传动及控制

1003-4684(2016)04-0065-05

TN219

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