人体热释电红外传感器的仿真研究

闫永存 刘博

摘 要：人体热释电传感器探测是否有人体通行和通过，应用范围非常广泛，比如公共场所的灯和报警设施等，都是利用该设备进行检测和报警。本设计利用热释电红外传感器，在单片机上进行开发设计，实现热释电红外的数据读取，并通过LED灯的亮灭显示出是否感应到红外存在，并对系统进行仿真测试。实验结果表明，本系统灵敏度高，系统运行稳定，可用于指定场所的人体红外检测，具有一定的实用价值。

关键词：人体红外;热释电红外传感器;系统

中图分类号：TP212.9 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）13-0019-03

Abstract： The human pyroelectric sensor is used to detect whether human body is passing through or not. It has a wide range of applications， such as lights and alarm facilities in public places， which are used for detection and alarm. This design uses pyroelectric infrared sensor to develop and design on the single chip computer to read pyroelectric infrared data， and shows whether it is sensitive to the existence of infrared through the lighting of LED lamp， and carries on the simulation test to the system. The experimental results show that the system has high sensitivity and stable operation， it can be used for infrared monitoring of human body in designated places and has certain practical value.

Keywords： human body infrared;pyroelectric infrared sensor;system

红外线是一种人们肉眼看不见的光，最显著特性是具有热效应，也就是说，所有高于绝对零度的物质都可以产生红外线。利用红外线技术可以控制很多产品，特别在自动控制方面，如自动节能灯等。自动节能灯利用人体发出的红外线，当人体进入感应范围时，红外传感器探测到人体红外光谱的变化，自动接通输出电路，打开相应负载，一旦人离开后，输出自动关闭，实现节能效果。热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器，可以作为控制电路的输入端[1]。

本文基于单片机的热释电红外传感器对人体红外进行测量，将采集的红外信号转换为电压信号，通过单片机进行处理，实现对人体红外检测。本系统性能稳定，灵敏度高，使用灵活度较高，可用于停车场、楼道公共场所的照明系统，以达到节能的目的，还可以应用到安防报警系统等。

1 热释电红外原理

热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。但热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，内部热电元由钽酸锂、铁钛酸铅汞陶瓷以及硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，热电系数比较高。此外，该传感器的极化随着温度变化而变化。为了抑制自身温度升高而带来的干扰，在该传感器上加入了热电元反向串联或接成差动平衡电路，进而以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化，并将这种能量转换为电信号输出，从而达到电子检测的目的。人体都有37℃左右的稳定体温，所以会发出红外线，波长为10μM左右，被动式红外探头靠探测人体发射的10μM左右的红外线进行工作[2]。

热释电红外传感器具有以下几种特性：①这种传感器主要用来探测人体辐射，对人体辐射的红外线非常敏感，也非常灵敏;②这种传感器由于装有特殊的菲泥尔滤光片，对环境的抗干扰能力较强。此外，菲泥尔滤光片具有不同的感应距离，可以根据不同的场景和需求进行预设。

仿真实验所用设备有无线处理器板、传感器底板、仿真器、USB（B型口）线和BISS0001热释电红外处理模块等。

单纯的热电红外传感器，引脚结构简单，只有VCC、GND和一根数据线。数据线产生的信号可以直接连接到单片机管脚，但信号微弱且不稳定，容易造成检测困难。在此，为了丰富热电红外传感器的外围电路，主要应用BISS0001热释电红外处理模块放大信号、加强干扰能力;加入了触发延时定时器和锁定定时器，使红外模块贴近日常应用，而不是只局限于实验室读取红外信号。

BISS0001是一款高性能的传感信号处理集成电路，是由运算放大器、状态控制器、电压比较器、封锁时间定时器以及延迟时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。该模块静态电流极小，配以热释电红外传感器和少量外围元器件即可构成被动式热释电红外传感器，广泛应用于智能安防、自動控制等领域。

BISS0001的输出管脚，输出VO最终会有两个状态，1和0。该模块加入了一个RC震荡电路，该电路的震荡时间用于锁定触发使用，即当红外信号消失后，VO不会立刻变为0，而是经过一定延时，才会变为0。具体的延时时间如表1所示。

2 硬件电路设计

具体电路图如图1所示。

电路中，1IN+、1IN-两个管脚是输入引脚，分别是第一级运算放大器同向输入端和反向输入端。热释电红外数据信号接到1IN+上，1IN-接入运放电路。信号经过一级运放处理后，再将输出接入二级运算放大器，二级运放处理后，才能得到一个稳定的、大小适宜的信号。这些电路集成于BISS0001内部，经过一系列电路处理转换后，最终把结果体现在VO上[3]。

3 程序设计思路

相比较I2C，热释电红外的单总线程序相对简单。经过硬件电路处理，最终的热释电红外模块会产生一个单片机可识别的关开变量，程序在经过硬件初始化之后，只需不停地扫描与之相连的引脚状态，当感应到热释电红外（VO输出为1）时，把LED点亮即可。

主程序代码如下：

void main（void）

{

InitLed（）;

xtal_init（）;

PersonInit（）;

Person=0;

while（1）

{

if（PersonScan（））//根据LED状态来判断是否有人

LED1=1;//LED1灭掉表示无人

else

LED1=0;//LED1点亮表示有人

}

}

①对所用到的硬件进行初始化。包括初始化LED所用到的单片机管脚配置为输出，关闭LED;初始化单片机时钟;初始化热电红外检测管脚，设置其为输入模式。

②在while（1）中，无限循环扫描函数PeopleScan（）返回值。当返回值为1时，表明有红外信号;当返回值为0时，表明无红外信号。人员检测函数代码如下：

/****************************

人员检测函数

*****************************/

uchar PersonScan（void）

{

int a;

if（Person==0）

{

Delay_ms（100）;

a=Person;

if（Person==0）

{

return1;//表示没人

}

}

return0;//表示有人

}

4 系统测试

编写热释电红外传感器程序并编译，连接仿真器，并下载程序，全速执行程序，分别在有人和无人两种情况下观察LED灯的开关。

在实际应用中，还应该考虑该系统的抗干扰性能，主要有以下几种情况。①防小动物干扰，探测地面小动物的情况，将探测器安装在推荐的使用高度，这样即使有小动物一般也不产生报警。②抗电磁干扰，一般手机电磁干扰不会引起误报，探测器的抗电磁波干扰性能符合相关标准要求。③抗灯光干扰，一般的卤素灯照射时，探测器在其工作范围内不产生报警。

本文设计了一种基于单片机的人体红外的仿真系统，利用热释电红外传感器的特性，将采集的人体红外辐射信号转换为电压信号，通过软硬件设计进行人体红外检测，并对系统进行仿真测试。测试结果表明，本系统性能稳定，灵敏度高，使用灵活度较高，可用于一些场所的灯光控制和报警系统等[4]。

参考文献：

[1]倪元相，方灿金.基于单片机控制的红外热释电家庭防盗报警器硬件系统设计[J].电子世界，2018（16）：22-25.

[2]王孟禄，张镭.热释电红外探测实验装置的设计与应用[J].實验科学与技术，2017（1）：29-32.

[3]石琳琦.基于热释电红外传感器的测量技术[J].电子设计工程，2013（11）：162-165.

[4]Dreaming Catcher.热释电红外传感器原理和应用[EB/OL]（2017-03-02）[2019-04-01].https：//blog.csdn.net/Derricker406/article/details/59540016.