基于热释电传感器的人体辐射检测电路设计

摘要：为解决黑暗环境中开启照明装置所带来的不便和不安全，设计了一种基于热释电传感器的人体热辐射检测电路。阐述了热释电红外传感器的结构，设计了包含有前置放大电路、电压比较电路、延时电路和电源电路组成的红外检测系统，分析了检测电路的工作原理，提出了检测电路的安装要求。所设计的电路性能可靠、成本低、易于安装，适用于居民家庭、宾馆走廊、学生宿舍、教学楼道等场合。
关键词：人体辐射；热释电红外传感器；照明；信号检测；人身安全

0 前言
近年来，随着电子信息技术的迅速发展，人们对于生活的信息化、自动化要求不断提高。传统的照明开关始终存在着一个弊端，即在夜晚或光线昏暗的时候，人们从室外走进室内时，需要摸索到开关然后再开灯，这样就给人们带来了极大的不方便和不安全，特别是对于老人、孕妇，还有孩子们更是如此。如果能将传统的机械开关，光控开关和对人体散发的热辐射具有感应功能的传感器相结合，做成一个能够自动开启灯光照明的装置，即当人进入室内时，传感器感受人体热辐射，控制开关打开灯光，将会给人们的生活带来很大的方便。本文利用热释电红外传感器，设计了一个基于热释电红外传感器的人体热辐射自动检测电路，实现了对人体热辐射的检测，为自动启动照明开关提供控制信号。

1 热释电红外传感器
在自然界中，任何高于绝对温度的物体都能够产生红外光谱。波长1～15 μm称为近红外波段，15～50 μm为中红外波段，50～1000 μm为远红外波段。物体的温度不同，释放的红外光的波长就不相等，故而，红外光的波长与物体温度的高低是有关系的。红外辐射与物质相互作用，产生热效应，能将人眼观察不到的红外辐射转变为可测量的物理量。热释电红外传感器通常由热电元件(热释电晶体)、滤光镜片、结型场效应管FET、电阻等元器件组成，结构如图1所示。

对于辐射至传感器的红外信号，热释电传感器通过安装在前端的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号。为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。
热释电传感器采用的干涉滤波片的厚度一般为8～14 μm，而人体辐射红外线的波长大约在10 μm左右，因此，传感器能够探测到是否有入进入了探测区域。由于热释电传感器的输出阻抗极高，而输出电信号微弱，故在其内部装设FET及偏置电阻，以进行信号放大及阻抗匹配。

2 热释电红外检测电路设计
在设计中，选用的热释电红外传感器为D203S。采用双灵敏元结构，灵敏元尺寸为2×1mm，工作波长7～14 μm，视场139°×126°；选用的菲涅尔透镜为7803矩形镜片，焦距为20 mm；方向角为89°，探测距离7m。用于人体热辐射的红外检测系统由热释电红外传感器、前置放大电路、电压比较器、延时电路和音响报警电路，电源电路等组成。
2．1 前置放大电路
由于热释电红外传感器的输出信号十分微弱，因此设计性能优异的前置放大电路就显得尤为重要。本系统设计的前置放大电路如图2所示。

电路的核心为两片运算放大器，采用级联方式提高放大倍数。考虑到类似于人体等物体的移动信号为低频信号，因为输入阻抗较高，容易受到外界电磁干扰，所以电路中采用C4和R8并联构成一个低通滤波，防止高频干扰。保证热释电传感器的有用信号能被正常放大。传感器的输出信号也以该频率变化，因此将放大器接成低通形式，截止频率为45 Hz，两级电压放大倍数分别为Au1=120，Au2=4，总的放大倍数为Au=Au1×Au2=480=54dB。