热电无源红外（PIR）传感器的信号调节

热释电无源红外传感器简介

热释电无源红外(PIR)传感器在日常生活中得到了广泛的应用。它们是运动检测的关键部件，可用于安全系统、自动门或自动照明。一个常见的应用是人工检测。例如，当有人在特定区域被检测到时，这些传感器可以用来触发警报或打开照明。

主动传感器发射能量，如超声波、光或微波，并确定当反射发射信号受到干扰时发生了变化。被动传感器不发射信号，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两半对红外辐射敏感。由于它是重要的，因此由传感器传递的信号反映了由每周检测到的红外电平的差异。这意味着，只要两半都看到相同量的红外辐射，传感器尚未检测到任何移动。但如果这两半之一看到不同的IR水平，则传感器的输出将高或低。

图1显示了当热源进出或从传感器保护的区域中出现输出电压如何变化：

图1：PIR传感器原理

IR敏感的两个矩形的面积小（每个矩形的≈2mm²）。因此，必须改善该传感器的视觉。这就是为什么强烈建议使用菲涅耳透镜。它会增加检测范围。

传感器信号调节

当温度与环境级别不同的主体穿过其检测领域时，PIR传感器在1 MVPP的范围内发出小的AC信号。此外，该小电压围绕DC信号，其可以从一个传感器到另一个传感器显着变化。

因此，必须取消信号的DC部分并仅放大AC部件。

由于该信号受到环境的干扰，噪声过滤也会有所帮助。圣运算放大器(运算放大器)将帮助我们执行所有这些功能。

如果我们想检测人类运动，我们必须考虑0.5到5 Hz的频率。TSU102，双通道运算放大器，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

由PIR传感器产生的AC信号在第一阶段上的69dB：35 dB放大，第二个DB和第二个。

St的TSU102完美满足了应用需求。实际上，增益带宽产品（GBP）必须大于2.7 kHz（Fmax x增益x 10 = 5x53x10 = 2.7 kHz）。已经考虑了因子10，以便有一些余量，并确定不受GBP的限制。几乎所有GBP放大器都将符合此GBP要求。此外，由于DC被取消进行运动检测，因此VIO没有重要性。

最后，如果我们正在处理便携式应用程序，消费是一个关键因素。设计了原理图，以优化消费，这就是我们使用的原因，该TSU102仅消耗1.2μA。

在这里，主要消耗是由于传感器。它消耗了19μA。

应用程序的剩余部分使用3.6µA

• TSU102运算放大器1.2μA
• 2.4µA由R6和R7组成的除桥

分电桥的消耗可以通过乘以电阻值来降低，但以可靠性为代价。当阻抗较大时，粉尘或湿气的影响较大。这些扰动可以产生寄生阻抗。

那么数字输出呢?

根据您的配置，为了简化在微控制器方面的实现，不使用模拟输出而是使用数字输出可能会很有趣。

因此，可以添加最后一个阶段来执行窗口比较器。当检测到热源时，U3或U4的输出处于低状态。

图3显示了最后阶段的原理图:

图3：窗口比较器阶段

由电阻R6，R7，R8和R9组成的分隔桥用于设置器件U3和U4的电压参考。这些电阻替换图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约束。因此，虽然U3和U4的电压参考在VCC范围内，但窗口比较器将工作。

在我们的情况下，U3将有一个参考设置为0.84 * VCC

当信号（VOUT2）大于该参考数，如果VCC = 3.3V等于2.77V，则U3的输出将处于低状态，靠近地。

与U3类似，U4用于检测信号何时小于其参考。在该示例中，由于由R6，R7，R8和R9组成的分隔桥，其电压参考设置为530 mV。

参考电压的计算:

因此，当信号(Vout2)小于0.53 V时，U4的输出电压将处于低状态。

由于这些原理图，我们可以看到单个四通道运算放大器可用于此应用程序：第一阶段的一个通道，另一个用于第二阶段的另一个频道，另一个用于最后一个阶段。这意味着通过使用TSU104，您只需要一个有效组件进行信号调节。

请注意，TSU104不是一个比较器，但在如此低的速度下使用运放实现此功能不是问题。

如果你只需要一个数字输出，你可以使用一个与非门连接在U3和U4的输出。

硬件测量

本节将介绍允许信号调理的原理图的要点。

首先，我们需要知道PIR传感器输出处的信号行为。图4显示了该信号。在这里，我们可以看到启动时间，但我们看不到某人是否已被检测到：

图4:PIR传感器输出电压

然而，在图5中，我们可以在放大后观察信号和过滤级。我们可以清楚地看到这里的检测，而没有信号调节是不可能的：

图5：PIR信号调节

当检测到运动，输出U3或U4变低，接近地面。因此，全局链的输出可以直接插入微控制器的输入。这可以用来触发警报，开灯，或任何你想做的事情。

注意，必须考虑初始化时间以检测热源运动。它是由于传感器的热预热时间和电容器的电荷。这就是为什么必须在微控制器级别考虑正确的空白时间。

结论

无源红外传感器被广泛使用，需要运放放大和滤波它们产生的信号是噪声和振幅非常小。运放也可以用来比较放大的信号与阈值电压，然后将它们发送到微控制器的I/O(不需要ADC)。

由于TSU104(四通道运放)，您可以设计一个符合3.3 V微控制器的应用程序。使用TSU104，整个模拟链只消耗24µA。

STMicroyabosports官网electronics可以为您提供纳米opower运算放大器和用于便携式应用的比较器，如本应用笔记所示。此外，如果您需要更大的带宽，更高的输出电流，更广泛的VCC范围，甚至是汽车等级符合的ST的广泛组合将满足您的需求。

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