一種新的PIR人體檢測方案研究與設計

鄧　串， 張小華

(湖北工業大學 電氣與電子工程學院， 湖北 武漢 430068)

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一種新的PIR人體檢測方案研究與設計

鄧串， 張小華

(湖北工業大學 電氣與電子工程學院， 湖北 武漢 430068)

目前應用于照明領域中的熱釋電紅外傳感器的信號處理主要采用模擬技術處理方案，模擬技術處理中存在容易誤動作、靈敏度低、檢測距離一致性差等缺點。為此提出了一種新的技術方案：PIR傳感器信號數字化處理檢測方案。首先對PIR傳感器輸出信號進行預置放大處理，然后由單片機模塊完成AD轉換、數字濾波、智能鑒幅等操作而獲得數字信號，并對周圍環境溫度進行實時檢測以實現對增益的自適應調節。經多次測試，該數字PIR傳感器可對10 m范圍內的行人進行有效檢測，具有可靠性高、抗干擾能力強、成本低等優點。

PIR； 模擬技術； 數字濾波； 自適應調節

在照明領域中常采用夜視攝像頭和模擬PIR傳感器對人體進行檢測。攝像頭檢測的優點：安裝維護簡單方便、系統設置靈活、精度高、檢測范圍大、可視化等。但有如下缺點：檢測精度易受環境影響、抗干擾能力差、穩定性不好、需反復維護調試、價格偏高、圖像處理實時性不夠好等。模擬PIR傳感器優點：無電源、安裝方便、無需布線、壽命長、功耗低、價格低廉、本身不會發出任何類型的輻射、隱蔽性好[1]。但也有如下缺點：需使用模擬PIR專用處理芯片、探測范圍小(一般為5 m左右)、易受射頻輻射的干擾及各種熱源光源的影響，如在夏季當溫度達到37℃時，非常接近人體的體溫，會使檢測的靈敏度下降，可能造成誤動作。為了克服上述人體傳感檢測技術的不足，設計出了一種通過單片機及其軟件系統實現, 穩定性好、性價比高、可靠性高的數字PIR傳感器信號處理電路。

1　熱釋電人體紅外傳感器

熱釋電紅外傳感器(PIR)屬熱電型紅外傳感器，基于熱電效應原理。目前市面上常見的PIR人體傳感器主要由三個部分組成，即濾光窗、探測元、場效應管阻抗變換器[2]。

探測元件分為單元型、雙元型和四元型。單元型傳感器亦被稱為溫補單元型，對環境溫度的變化非常敏感，需要對其進行溫度補償來降低靈敏度，一般應用于火焰檢測器、氣體分析設備、輻射高溫計等。人體檢測中應用較多的是雙元型和四元型，且雙元型應用得更為普遍。雙元型探測傳感器的結構見圖1，為了降低自身和環境溫度變化引起的熱釋電信號干擾[3]，將兩個探測元件按照極性相反的方式進行串聯。

圖 1　雙元型探測元結構圖

PIR傳感器中探測元件能夠感知的波長范圍較廣，為了使其具有抗干擾性而只對人體輻射的紅外線敏感，需要在其前面加濾光窗。濾光窗響應的波長范圍為0.2～20 μm，人體輻射波長范圍為9.35～9.38 μm。可知，人體輻射的紅外線波長正好處于濾光窗響應波長的中心區段，即濾光窗可以有效地阻止其它光源的干擾而使人體輻射的紅外線通過。

場效應管的作用是進行匹配阻抗變換，探測元件材料的阻值高達1013Ω，且輸出為電荷信號，不可以直接使用，需將其轉換為電壓信號。場效應管的輸入阻抗高達1010Ω，接成共漏極形式以實現阻抗變換，柵極和探測元之間并聯一個高阻值的電阻Rg以吸收過多的光能量，防止場效應管損壞，從場效應管S端出來的電壓信號經放大器放大處理[4]。

2　數字PIR方案設計

PIR傳感器輸出的信號電壓極其微弱，一般只有幾mV，并且是一個變化的信號，為了使檢測信號的范圍增強，通常使用菲涅爾透鏡來增強入射的紅外信號，并通過增益達數千倍的放大電路對輸出信號進行放大處理，使得PIR傳感器的檢測范圍達到10 m左右，PIR信號處理電路由放大、低通濾波、鑒幅、波形保留等環節組成。

目前PIR傳感檢測技術普遍采用的是模擬處理技術，較典型的是以PIR專用芯片BISS0001為核心及以集成運算放大器LM324為核心構成的模擬PIR信號處理電路，此類技術方案已經較為成熟。模擬技術方案中存在如下一些問題：檢測距離一致性差、增益固定、易受環境因素影響等，如在夏季，人體溫度與環境溫度接近時，會導致靈敏度下降，檢測距離變短，進而可能引起誤動作[5]。

為了克服模擬PIR信號處理電路中的不足之處，擬設計一種PIR傳感器信號數字化處理電路，設計原理見圖2。PIR傳感器輸出信號先經前置放大預處理，放大約1000倍，之后通過單片機內集成的AD模塊以大約50 Hz的采樣頻率(PIR信號的頻率低于10 Hz)將放大處理后的PIR信號轉換為數字信號，然后經軟件系統進行數字濾波及智能鑒幅，最后判斷處理后的數據是否為檢測到的有效數據，進而控制相應驅動電路。如當PIR傳感器在相距10 m左右的范圍內檢測到人體時，可對蜂鳴器、LED燈等進行相應控制。

圖 2　PIR傳感器數字化處理原理框圖

3　數字PIR電路及軟件設計

3.1PIR信號調理電路

PIR傳感器輸出的電壓信號極其微弱，需要對其進行放大、濾波、去除噪聲等處理。本設計中的PIR信號調理電路見圖3[6-8]。

圖 3　PIR信號調理電路

圖3中，R9為PIR傳感器的負載電阻，當PIR傳感器在其探測范圍內檢測到有人體運動時，將在電阻R9兩端產生頻率為0.1～10 Hz的微弱紅外電信號，之后經電阻R5送入運算放大器LM358進行第一級放大，第一級運算放大增益為電阻R8與R5的阻值之比，約為55.6，且電阻R8與電容C13構成上限截止頻率為16 Hz的低通濾波器。第二級運算放大增益為電阻R3與R6的阻值之比，計算為20，電阻R3與電容C4構成上限截止頻率為8 Hz的低通濾波器。經運算放大器LM358的兩級放大后總的放大增益約為1000，使得PIR傳感器輸出的初始信號電壓由幾mV變為1.2 V左右。電阻R4與R10構成偏置電路，將放大器的3號引腳電壓設置在1.1 V左右。電阻R11、R13及電容C15組成的串并聯電路，用于濾波和去除噪聲。經過運算放大器和濾波電路后的信號AD0由單片機進行相應處理。

3.2數模處理電路

圖4為PIC16F877A單片機構成的數模處理電路。

圖 4　數模處理電路

信號AD0送入PIC16F877A的AN0引腳進行處理，當在探測范圍內檢測到有人體運動時，LED1燈閃爍同時報警器響。

LM358和PIC16F877A單片機均采用5V直流電源供電，圖5為輔助電源電路。

圖 5　輔助電源電路

由圖5可知，選取MD7150作為電壓變換芯片，其1號引腳為接地端，2號引腳為輸入電壓端，3號引腳為輸出電壓端。本設計中其2號腳輸入電壓為+12V，3號引腳輸出電壓VDDA為+5V。LM358和PIC16F877A單片機均由VDDA進行供電，確保系統工作正常。

3.3軟件功能設計流程

軟件設計主要是為了實現以下功能：將由PIR傳感器輸出且經運算放大器處理后得到的電壓信號AD0送到PIC16F887A的AN0引腳進行AD轉換、數字濾波、鑒幅等操作，判斷其是否為有效信號，進而去驅動相應的功能電路。本設計中當PIR傳感器在距離為10 m左右的范圍內檢測到有人體運動時，執行LED1燈閃爍3 s同時報警器響兩項操作。數字PIR軟件設計流程見圖6。

圖 6　數字PIR軟件設計流程圖

4　數字PIR測試與分析

PIR傳感器信號數字化處理電路想要達到的目標是能夠對相距10 m左右的人體輻射的紅外信號進行檢測，通過用示波器觀察信號端口AD0的波形以對PIR傳感器的信號調理電路進行測試。測試時將數字PIR傳感器放在距離地面1.2 m左右的水平桌面上，人體沿著菲涅爾透鏡的切向方向進行運動，檢測與傳感器相距分別為3 m、5 m、7 m、10 m位置的人體并進行波形觀察與分析。首先觀察人體靜止時AD0端口的波形(圖7)。

圖 7　人體靜止時的波形

由圖7可以看出，采樣端口輸出電壓的波形近似為一條水平直線，幅值沒有波動，表明當人體沿菲涅爾透鏡切線方向保持靜止時，數字PIR傳感器沒有信號輸出，此時電壓為偏置電壓，其值為1.11 V，峰峰值電壓為100 mV，實測值與電路設計中的計算值比較吻合。

當人體在距離菲涅爾透鏡3 m處沿其切線方向運動時，數字PIR傳感器輸出信號電壓波形見圖8。

圖 8　數字PIR傳感器3米檢測波形

從圖8可以看出，當人體在距離菲涅爾透鏡3米處沿其切線方向運動時，采樣端口輸出最大電平為2.11 V，峰峰值電壓為1.35 V，與人體靜止時相比有較大波動。

從圖9可知，當人體在距離菲涅爾透鏡5 m處沿其切線方向運動時，采樣端口輸出最大電平為1.59 V，峰峰值電壓為880 mV。與圖8中3 m時的波形相比，可清晰看出PIR傳感器檢測到的信號電壓隨著檢測距離的增加其最大電平和峰峰值都有所降低，但將此時的電壓波形與人體靜止的電壓波形進行比較，仍有較大的波動，單片機可以檢測到此信號并進行AD轉換。

圖 9　數字PIR傳感器5米檢測波形

圖10為當人體在距離菲涅爾透鏡7米處沿其切線方向運動時檢測到的波形。由圖10可知采樣端口輸出最大電平為1.41 V，峰峰值電壓為700 mV，與圖9進行比較，可知檢測到的信號電壓略有下降，但單片機仍能檢測到此信號。

圖10　數字PIR傳感器7米檢測波形

圖11為當人體在距離菲涅爾透鏡10 m處沿其切線方向運動時得到的波形。由圖11可知，采樣端口輸出最大電平為1.25 V，峰峰值電壓為220 mV，與相距3 m、5 m、7 m時的檢測波形進行比較，可明顯看出采樣端口電壓信號的波動范圍已經很小，但與人體靜止時的檢測波形進行比較，二者間峰峰值電壓的差值為120 mV，單片機仍然可以檢測到此信號。

圖11　數字PIR傳感器10米檢測波形

結合上述不同距離時PIR傳感器采樣端口的電壓波形及其對比情況，為了實現對與PIR傳感器相距10 m左右的人體進行檢測，在軟件編程環節中對電壓的幅值鑒定時，將采樣電壓閾值設為1.2 V。這樣，PIR傳感器對于10 m以內的人體運動都可以檢測到，然后由單片進行相關處理去控制相應的驅動電路。

5　結束語

針對模擬PIR檢測技術中所存在的缺點，提出了一種新的PIR信號數字化處理方案，此方案先讓PIR傳感器檢測到的信號通過預置放大器放大約1000倍，然后由單片機系統完成數字濾波、智能鑒幅及對環境溫度實時檢測實現增益的自適應調整等操作。通過設計數字PIR實物，并進行實際測試，表明設計的數字PIR傳感器具有精度高、穩定性好、結構簡單、成本低等優點，檢測距離可以達到10 m，可以有效地對道路行人進行檢測。

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[4]吳傲寒，劉志昌．基于人體紅外傳感器的老年人臥室照明系統的設計[J]．計算機與數字工程，2012，40(5):69-71．

[5]徐克寶，高潔，鞠曉君，等．具有抗環境熱源干擾的熱釋電探測器的應用研究[J]．傳感技術學報，2006，19(3)：758-762．

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[責任編校： 張巖芳]

Research and Design of a New PIR Human Detection Scheme

DENG Chuan1，ZHANG Xiaohua1

(SchoolofElectricalandElectronicEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Present signal processing of the Pyroelectric Infrared Radiation used in the field of illumination mainly applies the solution of analog technology. The analog technology has some disadvantages such as malfunction, low sensitivity, poor consistency of detection range, and so on. Hence, a new technical solution is proposed: The solution of digital processing of the PIR sensor output signal. This proposed solution first amplifies the output signal of PIR sensor, and then proceeds to complete operations such as AD conversion, digital filtering and intelligent amplitude discrimination. In the meantime, it detects the ambient temperature in order to realize self-adaption of the transmission gain. After these tests, the digital PIR sensor can effectively detect pedestrians within 10 meters, and possess the advantages of high reliability, strong anti-interference ability, low cost, etc.

PIR; analog technology; digital filter; adaptive adjustment

2015-06-30

鄧串(1990-)， 男， 湖北天門人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為現代電力電子技術、電力傳動及控制

1003-4684(2016)04-0065-05

TN219

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