(1.厦门大学 物理与机电工程学院， 福建 厦门361005; 2.福建省半导体照明工程技术研究中心， 福建 厦门361005;
3.天津英诺华微电子技术有限公司， 天津300457)
摘要：给出了一种应用于太阳能系列产品的新型人体红外信号探测系统的研制方法，该方法将探测到的人体红外信号进行滤波放大后驱动相应负载工作，同时利用自行研制的芯片IV0201取代LM324组成滤波放大电路并加入IV0103、IV0104两颗智能型电源管理芯片，从而使该系统成功的用在太阳能系列产品，并可满足低成本、高可靠性、低功耗等要求。
关键词：红外探测; 太阳能; 被动式; 远红外信号; 电源管理
中图分类号：TH215文献标识码：A
文章编号：20951302(2011)04005303
Development of Passive Infrared Detector Applied in Solar Lighting System
WU Xiaowei1,2,3, WANG Yajun1,2, TAO Jian1,2, REN Ruobing1,2, SUN Tianxi1,2
(1.Institute of Physics and Electrical & Mechanical Engineering, Xiamen University, Xiamen 361005, China;
2.Fujian Province Engineering Research Center for Semiconductor Lighting, Xiamen 361005, China;
3.British Novartis Microelectronics Technology Co., Ltd. Tianjin, Tianjin 300457, China)
Abstract： A method is proposed for developing an innovative infrared human signal detection system applied in solar energy products. It can detect human infrared signals and enlarge them to drive the load efficiently with an infrared signal filter. By the use of a selfdeveloped chip IV0202 to replace LM324, a new amplifiedfilter circuit is formed and two intelligent power management chips IV0103 and IV0104 are included in the circuit so as to apply the system to solar energy products to satisfy the requirements for low cost, high reliability and low power dissipation.
Keywords： infrared detection, solar energy, passive, farinfrared signals, power management
收稿日期：20110312
基金项目：[HTSS]福建省重大科技项目资助(2006H0092)
0引言
随着太阳能产品受到越来越多的关注，其太阳能照明系列产品也得到了广泛的认可。为此，本文根据市场需要，开发了一款应用于太阳能系列产品的远红外信号探测模块，以满足其越来越高的功能要求。
人体是一个具有特定波长的红外发射体，检测这种红外信号并予以放大处理，推动适当的负载工作，便是热释电人体红外传感器及相关专用集成电路应有的功能。
这种人体检测技术具有明显的优越性。如：常见的主动式红外装置，虽具有较高的灵敏度，也能靠人体阻挡红外光束进行控制，但需发射和接收两部分才能组成，且需严格对准，因而机构复杂、要求精度高、调试困难，且人物不分，误动作难于避免。而触摸触发方式虽为人体直接接触，但不能拉开距离，人手不及的地方便无能为力。因此，人体红外触发的方式以其功耗低、可靠性高、不易被发现等优越性受到广泛关注。这种电路的核心元件为热释电红外传感器(PIR)和信号处理模块，供电单元为太阳能电池板。本文介绍一种简单可靠的、主要应用于室内的太阳能照明系列产品的红外处理模块的设计和应用方法。该模块亦可应用于安防报警。本文主要针对太阳能照明系统进行阐述。
1红外处理模块的组成
该红外处理模块主要由热释电红外传感器(PIR)、红外处理电路(IV0201)、电源管理电路(IV0103、IV0104)及一块太阳能电池板组成。其系统原理框图如图1所示。
系统的基本工作原理是以太阳能做为系统的能量来源，用太阳能板给蓄电池存储的电量通过一个电源管理模块给热释电红外传感器、信号处理模块等供电。夜间，系统电源管理模块将控制并点亮系统中的一颗主LED灯，当没有人进入探测区域时，副LED处于熄灭状态，反之，副LED灯点亮做为辅助照明使用。以此节约太阳能板白天有限的充电电量，达到更加节能的效果(若做为安防报警使用，还需对电路进行简单处理，本文不再阐述)。
本系统使用的是被动式探测方式，由于本身不发出任何辐射，因而功耗低、隐蔽性好。
图1系统原理框图
2热释电红外传感器(PIR)
热释电红外传感器是根据热释电效应制成的一类红外传感器。当热电晶体温度以一定频率发生变化时，其面束缚电荷密度必然以同样的频率出现周期性的变化，并产生一个交变的电场，这便是热释电效应的原理。如图2所示。
图2热释电红外传感器
热释电红外传感器包括两个相互串联且电极化方向相反的热释电元件。由于两电极之间的输出阻抗极高，所以，接入MOS管可做为阻抗变换之用，当传感器检测范围内温度有ΔT的变化时，热释电效应会在两个电极上产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生微弱电压ΔV。由于它的输出阻抗极高，所以，传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。通常热释电效应所产生的电荷ΔQ会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，ΔT=0，传感器无输出。当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，将产生ΔT，故会有信号输出；如果人体进入检测区域后不动，则温度将没有变化，传感器也没有输出，所以，这种传感器能检测出人体或者动物的活动。
3信号处理及电源管理模块
采用线性滤波放大的方法是人体远红外信号处理的一种常见方法，有很多生产商根据PIR传感器特性设计了专用的信号处理器，如HOLTEK的HT761X、PTI的PT8A26XXP、WELTREND的WT8072、BISS0001等。这些专用的人体远红外信号处理器基本上都包含有运算放大器、窗口比较器、线性稳压器及一些逻辑控制电路。因人体远红外信号的变化缓慢、幅值小(大约几十μV到几mV)，为了后续电路能有效地处理，并考虑到PIR传感器的信噪比，所以，在设计IV0201时应将增益选在100 dB左右，带宽基本为0.1~10 Hz。同时，电源上的噪声可能会直接加到PIR的输出端，因此，为了保证后面放大器的工作稳定可靠，这些处理器也都集成了一个稳压器来给传感器、放大器和比较器供电，并经常在PIR的电源端做一级滤波处理。图3所示是系统电源管理模块电路图。
图3电源管理模块电路
电路的信号处理由IV0201完成。IV0201的功能完全可以取代LM324组成的红外信号处理电路，且较LM324组成的红外信号处理电路具有明显的优势(成本低、功耗低、结构简单、可靠性高)。基于IV0201的信号处理模块电路如图4所示。
图5所示为系统的测试电路板实物图，其中PIR模块在电路板背面，并用一颗LED做为主灯，可在安防应用中做为系统正常工作指示灯使用，另外一颗LED做为副灯可在安防应用中用于报警。
在系统测试阶段，电源由电源发生器直接提供，而并未使用太阳能板。在主LED灯正常工作时，经测试(未加菲涅尔透镜)，其有效探测距离为1.1 m，即在有移动的物体进入1.1 m的探测区域后，副LED灯将点亮，并延迟12秒左右熄灭。测试的环境温度为17 ℃。
4安装注意事项
被动式红外探测器属于一种微弱信号的探测设备，在安装时必须注意下列一些细节性的问题：
[JP3](1) 不宜面对玻璃门窗，防止白光干扰。虽然热释电红外传感器对白光有很强的抑制功能，但不能100%抑制，同时还要避免窗外负载环境的干扰(车辆等)；
(2) 不宜正对冷热通风口及冷热源，因为被动式红外探测器与温度的变化有着密切的关系，冷热通风口及冷热源均有可能引起探测器的误报；
(3) 不宜面对摆动的物体。
以上是一些简单的安装注意事项，在实际安装时，还要根据使用的场合注意合适的安装条件。
图4信号处理模块电路[LL]
图5系统测试电路板
5结语
综上所述，本项目中太阳能供电的被动红外探测系统能有效提高对太阳能的利用率。系统设计可实现被动式红外探测的低成本、低功耗、高可靠性目标。对太阳能系列产品的推广使用具有极大的促进作用。现阶段，本设计已经完成了相关的测试工作，相信在不长的时间内就将会投产并进入使用阶段。
参考文献
［1］王群,朱牡丹,赵亮.红外探测器参数测试研究［J］.红外技术,2006,28(10):599601.
［2］苏玉辉,龚晓霞.噪声作为红外探测器可靠性评价的探讨［J］.红外技术,2009,31(09):509512.
［3］王华,魏志勇.480×6红外探测器信号处理电路设计［J］.红外技术,2009,31(9):504508.
［4］姜俊伟,赵毅强.红外探测器高性能读出电路的设计［J］.红外与激光工程,2009(05):787791.
［5］杨光临,陈明春.人体红外探测前放电路信号输出特性分析［C］.第十七届全国测控计量仪器仪表学术年会论文集(上册),2007.
［6］商文忠,刘云飞.红外探测器组网预警技术研究［J］.红外,2008(09):913.
［7］李峻薇,占志彪.一种主动红外探测报警系统的设计\[J\].现代电子技术,2008,31(03):151153.
［8］韦和平.自适应PI控制的太阳能LED照明系统PWM恒流控制器\[J\].现代电子技术,2009,32(11):123125,131.
［9］张鹏,王兴君,王松林.小功率智能型太阳能控制器的设计\[J\].现代电子技术,2007,30(18):6062.
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