偵測物體移動的方式很多，例如雷達就是利用刺激來偵測物體反射動作，或是直接感測物體本身所釋放出來的自然訊號，這些都能達到偵測的目的。本篇文章即在探討如何藉由感測物體本身所發出的紅外線來偵測其移動情形。

存在於電磁波頻譜上的紅外線波長比一般可見光還要長。紅外線雖然看不到，但仍可被偵測的到，包括動物與人體等會產生熱能的物體，也會同時產生紅外線輻射，而輻射波長以9.4 μm的波長是最強的。要偵測這樣的訊號，則需要一組能量轉換器（transducer）將紅外線訊號轉換成用一般電路就可感測到的訊號型式。

Pyroelectric感測器

Pyroelectric感測器是由結晶物質所組成，當此物質暴露在紅外線輻射形式的熱能時，會產生表面電荷。當晶體表面受到許多輻射照射而改變時，其所帶電荷也會隨之改變，而且可以利用感測器內高靈敏度的場效電晶體（FET）元件來進行量測，如(圖一)所示。由於感測器元件可接受相當大的輻射範圍，因此在感測器的封裝（TO5）裡會加上一個濾波器（filter window），將接收輻射波長範圍限制在8到14μm之間，而這也是對人體最敏感的輻射範圍。(圖二)則顯示外接電阻器“R”如何連結至從FET電流轉換為電壓值的輻射源。而FET的汲極（drain）將會連結至3到15伏特的乾淨電源。

《圖一　感測器的封裝（TO5）裡加上一個濾波器》

《圖二　外接電阻器R連結至從FET電流轉換為電壓值的輻射源》

輸出電壓應該與輸入端所感測的紅外線輻射量呈某一函數關係。但輸出電壓通常還會受到晃動、電波干擾與日照等因素所影響，為了解決這個問題，感測器本身通常有兩組感測元件連結至一組逆電壓（voltage-bucking）組態，如(圖三)所示）。這樣的配置可消除因晃動、溫差及日照所產生的訊號干擾。當人體經過感測器前，這兩個感測元件會先後產生反應，而同時影響感測器的其他因素，卻會被消除。因此，若感測器針腳1與2的排列方式為水平方向時，感測源的移動就必須也是水平，才會使得這兩組感測元件依序曝露在紅外線輻射源之下。

《圖三　感測器上有兩組感測元件連結至一組逆電壓組態》

感測元件前端與濾波器前端之間的距離約為0.045英吋（1.143 mm），因此需要一組透鏡以偵測數呎外的物體移動。(圖四)顯示將一組菲涅耳透鏡（Fresnel lens）置於Pyroelectric紅外線（PIR）感測器前方的情形。菲涅耳透鏡是一種由多個同心圓環形透鏡所構成的平凸透鏡（Plano Convex lens），因此可維持其原有的光學特性，但厚度卻可大幅降低，以減少吸收損耗（absorption losses）。

菲涅耳透鏡的製作材質可讓8到14μm的紅外線通過，並特別設計讓有溝槽的一側朝向紅外線感測元件，而另一側負責接收感測源的平滑面則通常是在感測器封裝的外側。

《圖四　將一組菲涅耳透鏡置於Pyroelectric紅外線感測器前方的情形》

感測器實際應用

在介紹Pyroelectric紅外線（PIR）感測器後，接著將介紹如何利用感測器的訊號來偵測人體移動。

(圖五)顯示場效電晶體（FET）的源極（source terminal）經由下拉電阻（pull down resistor）而連結至接地面，之後再饋入內含訊號調節（signal conditioning）電路的雙級放大器。該放大器頻寬一般限制在10Hz以下，以阻絕高頻雜訊，之後再利用一個比較器（window comparator）來反應出感測器輸出的正向與反向訊號之轉換情形。

《圖五　雙級放大器》

為了利用獨立式元件建置上述電路，可能會需要四個運算放大器（op-amps），其中兩個用於放大器級圍，另外兩個則用於比較器級圍。用於比較器級圍中的運算放大器是為了要反應感測器輸出的正向與反向訊號轉換情形。

若要利用微控制器建置上述應用電路的話，如何減少外部元件（主要為主動元件）的數量便是設計人員會面臨到的問題。解決方法之一就是採用專為這類工作所開發出來的產品，例如Cypress混合訊號陣列PSoC系列產品。

(圖六)顯示如何利用一個微處理器建置電路的應用方塊圖。途中可以看出其中的訊號調節線路僅由R與C組成。

《圖六　利用一個微處理器建置電路的應用方塊圖》 - BigPic:945x151

圖六中Pyroelectric紅外線（PIR）感測器的源極連接了一個100-kΩ的電阻器；而0.15μF的電容器則以平行方式連接至電阻器。兩組元件構成10Hz的低通濾波器。而0.16Hz的高通濾波器則是由1μF的電容器與1MΩ的電阻器所構成。Amplifier-1提供16倍的訊號增益，其後經過緩衝器與高通耦合再輸入同樣具有16倍增益的Amplifier-2，以達到256倍的總增益。之後，訊號則傳輸至一個13位元的ADC，以轉換成每秒240個取樣的數位訊號。ADC的數位值則利用軟體與兩端的臨界值進行比較；來啟動指示器偵測人體的移動。

設計人員如採用Cypress PSoC元件來進行Pyroelectric紅外線（PIR）感測器的設計，就無須額外增加各種外部主動元件來緩衝、放大、及偵測移動中的紅外線訊號源。

（作者Geethesh N.S.為Cypress賽普拉斯半導體PSoC產品顧問；Martin Cornish為產品應用工程師）