PIR传感器在人体传感器中的应用设计详解

PIR传感器在人体传感器中的应用设计详解

PIR传感器是物联网和智能家居领域中常用的人体检测设备。本文详细介绍了PIR传感器的工作原理、硬件设计要点以及实际应用中的注意事项，对于从事相关领域开发的技术人员具有重要参考价值。

PIR传感器简介

PIR（被动式红外）传感器是一种检测红外线变化的热释电红外传感器，主要用于检测人体。其工作原理基于人体温度（通常为37°C）发出的特定波长（约10um）红外线。当红外线通过菲涅尔透镜后聚集到PIR传感器内部的红外感应源（热释电元件）上时，会导致感应源内部失去电荷平衡，向外释放电荷。经过后续电路放大处理后，就能产生电平信号的高低变化。

优点

• 本身不发生任何类型的辐射
• 器件功耗很小
• 价格低廉

缺点

• 容易受各种热源、光源干扰
• 被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡
• 易受射频辐射的干扰
• 环境温度和人体温度接近时，探测灵敏度明显下降

人体传感器的方案框图

菲涅尔透镜

菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆。透镜的纹理是利用光的干涉及扰射和根据相对灵敏度和接收角度要求来设计的，其作用有两个：

• 聚焦作用，即将热释红外信号折射在PIR传感器上
• 将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR传感器上产生变化热释红外信号

人体传感器主要应用于检测人体，其探头以探测人体辐射为目标，所以内部的热释电元件需要对波长为10um左右的红外辐射非常敏感。增加菲涅尔透镜，可以将探测空间的红外线有效地集中到热释电元件表面，提高检测的可靠性。

注意事项

• 透镜是由柔弱材料（聚乙烯）制成的。在透镜上施加载重或者冲击后，将会因变形和损伤引起动作不良和性能劣化，因此请避免上述情况的发生。
• 每款菲涅尔透镜都有固定的焦距，安装时一定要注意，如果焦距没有调好，感应灵敏度会降低。
• 透镜颜色可以对一些环境干扰有抑制作用，根据经验值，象牙白和墨绿色对抗白光、抗热风效果比较好，原理在于这些颜料中无机盐的金属原子、分子对6500LUX的白光有吸收作用，相当于抑制白光进入探头内部。
• 透镜的厚度对抗白光与抗热风影响不大，但会影响灵敏度，厚度越小透过率越高，反应到设备上感应就越灵敏。
• 选择透镜时，首先确定透镜的应用场景，高度，倾角等，其次是所能提供的光学区域的面积，焦距及形状，而后是感应角度要求，距离要求等。
• 透镜搭配PIR传感器使用时，应将感应距离参数做降额使用，如PIR传感器设计的感应距离为d时，选择透镜的感应距离参数应该是1.2*d。
• 透镜表面纹理有等深和等距之分，等深更利于平面透镜的平整度，等距有粗细之分，太细光损多。
• 透镜可细分为三种类型：水平幕帘式，垂直幕帘式和球面型。
• 水平幕帘式感应角度大，能避开上下红外线的干扰，适合壁挂式安装。
• 垂直幕帘式感应角度小，能避开左右红外线的干扰，适合壁挂式安装。
• 球面型适于吸顶式安装，用于大面积探测。
• 由于透镜直接影响传感器性能，建议在ID设计阶段就找专业的菲涅尔透镜设计厂家对接沟通。

PIR传感器设计

上图是基于Zigbee无线通信的PIR人体传感器的典型应用图。该方案支持电池供电，传感器灵敏度设置，触发持续时间设置功能。

设计注意事项

• 基于联网模组开发的PIR人体传感器，设计时至少需要预留一个按键和指示灯，用于修改和显示传感器的网络状态。
• 若无线模组采用板载天线，板载天线位置的PCB板区域需要做挖空处理，保证天线性能。
• PCB设计时，模组天线位置尽量远离传感器的本体，避免射频辐射影响传感器的正常工作。
• PIR传感器与其他器件的连线要越短越好，双面板或多层板上的连线下方尽量不要走线，尤其是不能有大电流的走线。
• PIR传感器感应部分的电路要单独隔离并有单独的接地端，且可通过0R电阻接到地平面。
• PIR传感器的电源引脚对地需要接100NF的电容，且电容需要靠近电源引脚摆放。
• PIR传感器检测具有方向性，灵敏度沿长边形方向横向移动最高，PCB设计时需注意传感器摆放方向。

生产调试注意事项

• 清洗板子时，避免清洗PIR传感器。否则清洗液侵入内部，可能造成性能恶化。
• 对PIR传感器进行焊接时，手焊需要保持电烙铁温度为350°C以下，时间保持3秒以内进行焊接。时间过长可能会导致性能恶化。
• 施加±200V以上的静电时可能会对传感器造成破坏。因此，操作时请十分注意，避免直接用手碰触端子等。
• PIR传感器工作原理与特性就容易受温度与气流影响，探头需配合菲涅尔透镜一起使用并在结构上做好适配。
• 传感器窗口上有污渍附着时，将会影响检测性能。
• 每款菲涅尔透镜都有固定的焦距，安装时一定要注意，如果焦距没有调好，感应灵敏度会降低。