基于SD4101的人體熱釋電應(yīng)用方案

在電子防盜、人體探測(cè)器、智能照明等領(lǐng)域中，被動(dòng)式熱釋電紅外探測(cè)器的應(yīng)用非常廣泛，但PIR信號(hào)處理起來卻并不簡(jiǎn)單，需要開發(fā)人員投入大量的時(shí)間和精力。為了降低生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)成本和難度，杭州晶華微電子有限公司推出一款帶PWM輸出與高精度ADC的SD4101芯片，應(yīng)用于PIR信號(hào)采集處理。

方案特點(diǎn)1.熱釋電紅外傳感器（PIR）的特性

凡是溫度超過絕對(duì)0℃的物體都能產(chǎn)生熱輻射（紅外光譜），而溫度低于1725℃的物體，產(chǎn)生的熱輻射光譜主要集中在紅外光區(qū)域，因此自然界的所有物體都能向外輻射紅外熱，不同溫度的物體，其釋放的紅外光的波長(zhǎng)是不同的，所以溫度與紅外波長(zhǎng)的長(zhǎng)短是相關(guān)的。而人體恒定的溫度37℃左右，所發(fā)出的紅外線的波長(zhǎng)為10μm左右。熱釋電傳感器通常覆蓋有特殊的菲涅爾濾光片，就是專門針對(duì)人體紅外光波設(shè)計(jì)的器件，僅對(duì)波長(zhǎng)為10μm左右的紅外光波非常敏感，而對(duì)環(huán)境的其它波長(zhǎng)紅外成分有明顯的抑制作用。

2.熱釋電紅外傳感器（PIR）的工作原理

熱釋電紅外傳感器一般包含兩個(gè)（或更多的）互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電單元。而且制成的兩個(gè)電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)熱釋電單元幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生的釋電效應(yīng)相互抵消，于是環(huán)境背景輻射對(duì)探測(cè)器是無信號(hào)輸出的。當(dāng)有人在探測(cè)區(qū)域內(nèi)走動(dòng)時(shí)，人體輻射通過菲涅爾透鏡聚焦，并被熱釋電紅外傳感器接收，熱釋電紅外傳感器在接收到人體紅外輻射溫度變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，因?yàn)閮善瑹後岆妴卧邮盏降臒崃坎煌荒芟嗷サ窒?，輸出腳便會(huì)有變化的信號(hào)輸出，供后級(jí)電路做信號(hào)處理，以便實(shí)現(xiàn)不同的控制輸出。另外熱釋電紅外傳感器，有不同的窗口形狀及尺寸，窗口面積越大，靈敏度也越高，相應(yīng)成本也會(huì)更高，可依據(jù)產(chǎn)品的要求選擇不同的型號(hào)，工作原理及不同型號(hào)的熱釋電紅外傳感器如下圖所示：

3.菲涅爾透鏡

菲涅爾透鏡（Fresnellens），又名螺旋透鏡，多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，也有玻璃制成的，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，它的紋理是根據(jù)光的干涉及擾射以及相對(duì)靈敏度和接收角度要求來設(shè)計(jì)的。

菲涅爾透鏡作用有兩個(gè)：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號(hào)折射（反射）在PIR上，第二個(gè)作用是將探測(cè)區(qū)域分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測(cè)區(qū)域的移動(dòng)物體，在活動(dòng)時(shí)不停在明區(qū)和暗區(qū)來回切換，折射到熱釋電紅外傳感器上，形成溫度變化，而在PIR上產(chǎn)生變化的熱釋紅外信號(hào)。

菲涅爾透鏡，簡(jiǎn)單的說就是在透鏡的一側(cè)有等距的齒紋，通過這些齒紋，可以達(dá)到對(duì)指定光譜范圍的光帶通（反射或折射）的作用，傳統(tǒng)的打磨光學(xué)器材的帶通光學(xué)濾鏡造價(jià)昂貴，菲涅爾透鏡可以極大的降低成本，典型的例子就是PIR（被動(dòng)紅外線探測(cè)器），PIR廣泛的用在報(bào)警器上，我們可以發(fā)現(xiàn)在每個(gè)PIR上都有個(gè)小蓋子。這就是菲涅爾透鏡，小蓋子的內(nèi)部都刻上了齒紋，這種菲涅爾透鏡就可以將入射光的波長(zhǎng)限制在10μm左右（人體紅外線的波長(zhǎng)），成本相當(dāng)?shù)牡汀?/p>

菲涅爾透鏡可以把透過窄帶干涉濾光鏡的光聚焦在硅光電二級(jí)探測(cè)器的光敏元件上。

使用注意事項(xiàng)：菲涅爾透鏡由有機(jī)玻璃制成，不能用任何有機(jī)溶液（如酒精等）擦拭，除塵時(shí)可先用蒸餾水或普通凈水沖洗，再用脫脂棉擦拭。

如果菲涅爾透鏡的選型不當(dāng)，將會(huì)對(duì)靈敏度造成較大影響，以及菲涅爾透鏡，都有一個(gè)聚焦點(diǎn)，只有讓熱釋電紅外傳感器處于聚焦點(diǎn)上，才能達(dá)到最佳的聚焦效果，讓靈敏度最高。下圖是菲涅爾透鏡聚光圖解及不同外形尺寸：

4.SD4101信號(hào)處理芯片特性

4.1.ADC特性

高精度ADC，ENOB=20.6bits@250sps，2個(gè)差分通道或者4單端通道（對(duì)VSS）。

4.2.功耗

8位RISC超低功耗MCU，MCU在2MHz工作時(shí)鐘，3V工作電壓下電流典型值為300μA；32kHz時(shí)鐘待機(jī)模式下工作電流2μA，休眠模式電流小于1μA。

4.3.存儲(chǔ)器

4kBytesOTP程序存儲(chǔ)器，256BytesSRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

4.4.時(shí)鐘系統(tǒng)

內(nèi)部4MHz與32kHzRC振蕩器

4.5.工作電壓及溫度特性

工作電壓范圍：2.4V~3.6V

工作溫度范圍：-40℃~85℃

4.6.其它特點(diǎn)

1路8bitsPWM輸出、WDT增強(qiáng)可靠性、所有I/O帶施密特觸發(fā)輸入及上拉電阻、

掉電檢測(cè)電路和上電復(fù)位電路、1個(gè)外部中斷I/O。

應(yīng)用框圖