热释电被动红外 (PIR) 传感器的信号调节

出处:维库电子市场网 发布于:2023-12-01 16:43:53

  热释电被动红外传感器简介
  热释电被动红外 (PIR) 传感器在日常生活中经常使用。它们是运动检测的关键组件,可用于安全系统、自动门或自动照明。一个常见的应用是人体检测。例如,当在指定区域检测到有人时,这些传感器可用于触发警报或打开照明。
  有源传感器发射能量,例如超声波、光或微波,并在反射的发射信号受到干扰时确定发生了变化。无源传感器不发射信号,而是检测红外辐射水平的变化。这些传感器比有源传感器消耗更少的能量。
  PIR 传感器如何工作?

  被动红外传感器包含对红外辐射敏感的两半。由于运动很重要,因此传感器传递的信号反映了每一半检测到的红外水平的差异。这意味着,只要两半看到相同数量的红外辐射,传感器就没有检测到任何移动。但是,如果这两半之一看到的红外电平与另一半不同,则传感器的输出将变高或变低。

  图 1 显示了当热源进入或离开传感器保护区域时输出电压如何变化:
  图1:PIR传感器原理
  对 IR 敏感的两个矩形的面积很小(每个矩形约 2 mm?)。因此,必须提高该传感器的视野。这就是为什么强烈建议使用菲涅尔透镜。它将增加检测范围。
  传感器信号调理
  当温度与环境温度不同的物体穿过其检测区域时,PIR 传感器会发出 1 mVpp 范围内的小交流信号。此外,这个小电压围绕着直流信号,不同传感器之间的差异可能很大。
  因此,必须取消信号的直流部分并仅放大交流部分。
  由于该信号会受到环境的干扰,因此噪声过滤也会有所帮助。 ST的运算放大器(op amps)将帮助我们执行所有这些功能。

  如果我们想要检测人体运动,我们必须考虑 0.5 到 5 Hz 的频率。双通道运算放大器 TSU102 用于放大和滤波该频率范围。图 2 显示了示意图:

  图 2:PIR 原理图
  PIR 传感器生成的交流信号被放大 69 dB:级放大 35 dB,第二级放大 34 dB。
  ST的TSU102完美满足应用需求。实际上,增益带宽积 (GBP) 必须大于 2.7 kHz(fmax x 增益 x 10 = 5x53x10 = 2.7 kHz)。考虑因素 10 是为了留出一定的余量并确保不受英镑的限制。几乎所有 GBP 放大器都符合 GBP 的要求。另外,由于运动检测取消了DC,因此VIO并不重要。
  ,如果我们处理便携式应用程序,功耗是一个关键因素。该原理图的设计是为了优化功耗,这就是我们使用功耗仅为 1.2 ?A 的 TSU102 的原因。
  这里,主要消耗来自传感器。其功耗为 19 ?A。
  应用程序的其余部分消耗 3.6 ?A:
  TSU102 运算放大器的电流为 1.2 ?A
  由 R6 和 R7 组成的分压桥电流为 2.4 ?A
  分压器电桥的功耗可以通过增加电阻值来降低,但会牺牲可靠性。当阻抗高时,灰尘或湿气的影响就更大。这些扰动会产生寄生阻抗。
  数字输出怎么样?
  根据您的配置,为了简化微控制器端的实现,不使用模拟输出而是使用数字输出可能会很有趣。

  因此可以添加一个阶段来执行窗口比较器。当检测到热源时,U3或U4的输出将处于低状态。

  图 3 显示了阶段的示意图:
  图 3:窗口比较器级
  由电阻R6、R7、R8和R9组成的分压桥用于设置器件U3和U4的电压参考。这些电阻器取代了图 2 中的 R6 和 R7。
  由于 TSU101 是输入/输出轨到轨运算放大器,因此输入共模电压没有限制。因此,当U3和U4的参考电压在VCC范围内时,窗口比较器将工作。
  在我们的例子中,U3 的参考设置为 0.84*VCC
  当信号 (Vout2) 大于该参考值(如果 VCC = 3.3 V,该参考值等于 2.77 V)时,U3 的输出将处于低电平状态,接近接地。
  与 U3 类似,U4 用于检测信号何时小于其参考值。在此示例中,由于由 R6、R7、R8 和 R9 组成的分压桥,其参考电压已设置为 530 mV。
  参考电压计算:
  因此,当信号(Vout2)小于0.53V时,U4的输出电压将处于低状态。
  通过这些原理图,我们可以看到单个四通道运算放大器可用于此应用:一个通道用于级,另一个通道用于第二级,另外两个通道用于。这意味着通过使用 TSU104,您只需要一个有源组件即可进行信号调节。
  请注意,TSU104 不是比较器,但在如此低的速度下使用运算放大器来实现此功能并不是问题。
  如果您只需要一个数字输出,您可以使用连接在 U3 和 U4 输出上的 NAND 门。
  硬件测量
  本节介绍了允许信号调节的原理图的要点。

  首先,我们需要了解 PIR 传感器输出端的信号行为。图 4 显示了该信号。在这里,我们可以看到启动时间,但看不到是否检测到有人:

  图 4:PIR 传感器的输出电压

  然而,在图 5 中,我们可以观察到放大和滤波阶段之后的信号。我们可以在这里清楚地看到检测,而如果没有信号调节,这是不可能的:

  图 5:PIR 信号调节
  当检测到运动时,输出 U3 或 U4 变低,接近地。因此,全局链的输出可以直接插入微控制器的输入中。这可以用来触发警报、开灯或任何您想做的事情。
  注意,为了检测热源运动,必须考虑初始化时间。这是由于传感器的预热时间和电容器的充电造成的。这就是为什么必须在微控制器级别考虑适当的空白时间。
  结论
  被动红外传感器被广泛使用,需要运算放大器来放大和过滤它们生成的信号,这些信号有噪声且幅度非常小。运算放大器还可用于将放大的信号与阈值电压进行比较,然后将其发送到微控制器的 I/O(无需 ADC)。
  借助 TSU104(四通道运算放大器),您可以设计与 3.3 V 微控制器兼容的应用。使用 TSU104 时,整个模拟链仅消耗 24 A。
  如本应用笔记所示,意法半导体可以为您的便携式应用提供毫微功耗运算放大器和比较器。此外,如果您需要更大的带宽、更高的输出电流、更宽的VCC范围,甚至是符合汽车级标准的运算放大器,ST的广泛产品组合将满足您的需求。
关键词:传感器

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