BISS0001红外热释电处理芯片中文资料.doc

红外热释电处理芯片红外热释电处理芯片 BISS0001BISS0001 BISS0001 是一款具有较 高性能的传感信号处理集成电路，它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动 门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。特特 点点*CMOS 工艺*数模混合*具有独立的高输入阻抗运算放大器*内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰*内设延迟时间定时器和封锁时间定时器*采用 16 脚 DIP 封装 管脚图管脚图 引脚引脚 名称名称 I/OI/O 功能说明功能说明 1 A I 可重复触发和不可重复触发选择端。当 A 为“1”时，允许重复触发；反之，不可重复 触发 2 VO O 控制信号输出端。由 VS 的上跳变沿触发，使 Vo 输出从低电平跳变到高电平时视为有 效触发。在输出延迟时间 Tx 之外和无VS 的上跳变时，Vo 保持低电平状态。3 RR1-输出延迟时间 Tx 的调节端 4 RC1-输出延迟时间 Tx 的调节端 5 RC2-触发封锁时间 Ti 的调节端 6 RR2-触发封锁时间 Ti 的调节端 7 VSS-工作电源负端 8 VRF I 参考电压及复位输入端。通常接 VDD，当接“0”时可使定时器管脚说明管脚说明 复位 9 VC I 触发禁止端。当 VcVR 时允许触发(VR0.2VDD)10 IB-运算放大器偏置电流设置端 11 VDD-工作电源正端 12 2OUT O 第二级运算放大器的输出端 13 2IN-I 第二级运算放大器的反相输入端 14 1IN+I 第一级运算放大器的同相输入端 15 1IN-I 第一级运算放大器的反相输入端 16 1OUT O 第一级运算放大器的输出端 工作原理 BISS0001 是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。以下图所示的不可重复触发工作方式下的波形，来说明其工作过程。不可重复触发工作方式下的波形 首先，根据实际需要，利用运算放大器 OP1 组成传感信号预处理电路，将信号放大。然后耦合给运算放大器 OP2，再进行第二级放大，同时将直流电位 抬高为 VM(0.5VDD)后，将输出信号 V2 送到由比较器 COP1和 COP2 组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号 Vs。由于 VH0.7VDD、VL0.3VDD，所以，当 VDD=5V 时，可有效抑制1V 的噪声干扰，提高系统的可靠性。COP3 是一个条件比较器。当输入电压 VcVR 时，COP3 输出为高电平，进入延时周期。当 A 端接“0”电平时，在 Tx 时间内任何 V2 的变化都被忽略，直至 Tx 时间结束，即所谓不可重复触发工作方式。当 Tx 时间结束时，Vo 下跳回低电平，同时 启动封锁时间定时器而进入封锁周期 Ti。在 Ti 时间内，任何 V2 的变化都不能使 Vo 跳变为有效状态（高电平）,可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。以下图所示的可重复触发工作方式下的波形，来说明其工作过程。可重复触发工作方式下的波形在 Vc=“0”、A=“0”期间，信号 Vs 不能触发 Vo 为有效状态。在 Vc=“1”、A=“1”时，Vs 可重复触发 Vo 为有效 状态，并可促使 Vo 在 Tx 周期内一直保持有效状态。在 Tx 时间内，只要 Vs 发生上跳变，则 Vo 将从 Vs 上跳变时刻起继续延长一个 Tx 周期；若 Vs 保持为“1”状态，则 Vo 一直保持有效状态；若 Vs 保持为“0”状态，则在 Tx 周期结束后 Vo 恢复为无效状态，并且，同样在封锁时间Ti 时间内，任何 Vs 的变化都不能触发 Vo 为有效状态。应用线路图 BISS0001 的热释电红外开关应用电路图 上图中，运算放大器 OP1 将热释电红外传感器的输出信号作第一级放大，然后由 C3 耦合给运算放大器 OP2 进行第二级放大，再经由电压比较器 COP1 和 COP2 构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号 Vs 去启动延迟时间定时器，输出信号 Vo 经晶体管 T1 放大驱动继电器去接通负载。上图中，R3 为光敏电 阻，用来检测环境照度。当作为照明控制时，若环境较明亮，R3 的电阻值会降低，使 9 脚的输入保持为低电平，从而封锁触发信号 Vs。SW1 是工作方式选择开 关，当 SW1 与 1 端连通时，芯片处于可重复触发工作方式；当 SW1 与 2 端连通时，芯片则处于不可重复触发工作方式。图中 R6 可以调节放大器增益的大小，原 厂图纸选10K，实际使用时可以用 3K，可以提高电路增益改善电路性能。输出延迟时间Tx由外部的R9和C7的大小调整，触发封锁时间Ti由外部的R10 和 C6 的大小调整，R9/R10 可以用 470 欧姆，C6/C7 可以选 0.1U。红外检测专用红外检测专用 BISS0001BISS0001 芯片芯片 DIPDIP 每片每片 2.92.9 元元 贴片每片贴片每片 3 3 元元 配套的配套的 360360 度球形菲涅耳透镜，体积度球形菲涅耳透镜，体积 25x25x2525x25x25 毫米毫米 每个每个 1 1 元元 相关键连：相关键连：菲涅尔镜片的原理和应用菲涅尔镜片的原理和应用 菲涅尔透镜(Fresnel lens)是由聚烯烃材料注压而成的薄片，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它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，透镜的要求很高，一片优质的透镜必须是表面光洁，纹理清晰，其厚度一般在 1mm 左右，特性为面积较大，厚度薄及侦测距离远。菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）在 PIR 上，第二个作用是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 上产生变化热释红外信号。菲涅尔透镜,简单的说就是在透镜的一侧有等距的齿纹.通过这些齿纹,可以达到对指定光谱范围的光带通(反射或者折射)的作用.传统的打磨光学器材的带通光学滤镜造价昂贵。菲涅尔透镜可以极大的降低成本。典型的例子就是 PIR（被动红外线探测器）。PIR 广泛的用在警报器上。如果你拿一个看看，你会发现在每个 PIR 上都有个塑料的小帽子。这就是菲涅尔透镜。小帽子的内部都刻上了齿纹。这种菲涅尔透镜可以将入射光的频率峰值限制到 10 微米左右（人体红外线辐射的峰值）。成本相当的低。菲涅耳透镜可以把透过窄带干涉滤光镜的光聚焦在硅光电二级探测器的光敏面上。菲涅尔透镜由有机玻璃制成,不能用任何有机芤?如酒精等)擦拭。除尘时可先用蒸馏水或普通净水冲洗,再用脱脂棉擦拭。菲涅尔镜片是红外线探头的“眼镜”，它就象人的眼镜一样，配用得当与否直接影响到使用的功效，配用不当产生误动作和漏动作，致使用户或者开发者对其失去信心。配用得当充分发挥人体感应的作用，使其应用领域不断扩大。菲涅尔镜片是根据法国光物理学家 FRESNEL 发明的原理采用电镀模具工艺和 PE（聚乙烯）材料压制而成。镜片（0.5mm 厚）表面刻录了一圈圈由小到大，向外由浅至深的同心圆，从剖面看似锯齿。圆环线多而密感应角度大，焦距远；圆环线刻录的深感应距离远，焦距近。红外光线越是靠进同心环光线越集中而且越强。同一行的数个同心环组成一个垂直感应区，同心环之间组成一个水平感应段。垂直感应区越多垂直感应角度越大；镜片越长感应段越多水平感应角度就越大。区段数量多被感应人体移动幅度就小，区段数量少被感应人体移动幅度就要大。不同区的同心圆之间相互交错，减少区段之间的盲区。区与区之间，段与段之间，区段之间形成盲区。由于镜片受到红外探头视场角度的制约，垂直和水平感应角度有限，镜片面积也有限。镜片从外观分类为：长形、方形、圆形，从功能分类为：单区多段、双区多段、多区多段。图（1）是常用镜片外观示意图：图（2）是常用三区多段镜片区段划分、垂直和平面感应图。当人进入感应范围，人体释放的红外光透过镜片被聚集在远距离 A 区或中距离 B 区或近距离 C 区的某个段的同心环上，同心环与红外线探头有一个适当的焦距，红外光正好被探头接收，探头将光信号变成电信号送入电子电路驱动负载工作。整个接收人体红外光的方式也被称为被动式红外活动目标探测器。镜片主要有三种颜色，一、聚乙烯材料原色，略透明，透光率好，不易变形。二、白色主要用于适配外壳颜色。三、黑色用于防强光干扰。镜片还可以结合产品外观注色，使产品整体更美观。每一种镜片有一型号（以年号+系列号命名），镜片主要参数：1、外观描述外观形状（长、方、圆）、尺寸（直径）。以毫米为单位。2、探测范围指镜片能探测的有效距离（米）和角度。3、焦距指镜片与探头窗口的距离，精确度以毫米的小数点为单位。长形和方形镜片要呈弧形以焦距为单位对准探头窗口。见图（3A）示意图。镜片与探头的配合应用我们常用的是双源式探头，揭开滤光玻璃片，其内部有两点对 714um 的红外波长特别敏感的TO5 材料连接着场效管。见图（3B）所示。静态情况下空间存在红外光线，由于双源式探头采用互补技术，不会产生电信号输出。动态情况下，人体经过探头先后被 A 源或被 B 源感应，SaSb 产生差值，双源失去互补平衡作用而很敏感地产生信号输出，见图（3C）。当人对着探头呈垂直状态运动，Sa=Sb 不产生差值，双源很难产生信号输出。因此，探测器安装的位置与人行走方向呈平行为宜。根据以上原理探头与镜片结合可以做成以下感应方式的人体探测器。A、单区多段水平式和单区多段垂直式：特征：图（4）单区多段水平式感应角度大，这是探头水平视场角度大的缘故，形成一个长方形扇面感应区，单区多段水平式亦称水平幕帘式感应，此感应方式能避开上下红外线干扰。图（5）单区多段垂直式感应角度小，这是探头垂直视场角度小的缘故，形成一个垂直形扇面感应区，单区多段垂直式亦称垂直幕帘式感应，此感应方式能避开左右红外线干扰。图（6）探头与镜片配合不符合 SaSb 产生差值的要求，因此感应不灵敏。采用双区同心圆相近的镜片也能达到幕帘式感应效果。单区多段和双区多段多用于局部区域感应。B、多区多段感应式和多区多段圆锥体式。特征：图（7）是多区多段感应式探头与镜片对应位置和探测效果图，多区多段感应式多用于挂墙式安装，倾斜向下探测三个不同的区域。图（8）是多区多段圆锥体感应式，多用于吸顶式安装，直接向下探测。采用双源探头配用圆形镜片感应方向图不似圆锥体，因为探头水平视角大于垂直视角而且出现 Sa=Sb 的现象，圆锥体效果图会中间凹陷。如果圆形镜片配用四源探头，感应方向图更趋似圆锥体，见图（8）探测效果图。多区多段感应式和多区多段圆锥体式感应区域宽广，多用于大面积探测。图（9）探头与镜片配合不符合要求，图（9）左图镜片放反，右图探头设置在镜片中间，均无远距离感应效果，下盲区加大，出现不感应现象。C、另类探测效果的方法。探头与镜片偏离，产生不同的探测方向和效果。探头偏上，探测方向向下，见图（10）。同理，探头偏下，探测方向向上。探头偏左，探测方向向右，见图（11）。同理，探头偏右，探测方向向左。探头偏 45 度，降低人体活动受方向的限制，见图（12）。探头偏 45 度且稍微倾斜，适宜探测狭长区域。D、增强探测动作灵敏度的方法。前面已经阐述区段数量越多被感应人体移动幅度就越小，因此，选用区段多且密的镜片就能增强探测动作灵敏度，人体只要在感应的有效范围内稍微移动就有效。段密度高的镜片在 50mm 长度有 26 段之多。E、增强抗干扰的方法。从前面阐述的原理中得知，区段数量少被感应人体移动幅度就要大，选用区段数量少的镜片就能减少误动作，一是人体运动幅度要大二是区段数量少的镜片形成局部探测，减少外围干扰源。随着人体感应器应用领域不断扩大，镜片种类越来越多，应用的针对性越来越强 配套的热释电元件配套的热释电元件 RE200B RE200B 体积：体积：8.3*4.2mm8.3*4.2mm 每个每个 5.85.8 元元 灵敏元面积 2.01.0mm2 基片材料 硅 基片厚度 0.5mm 工作波长 7-14m 平均透过率 75%输出信号 2.5V(420k 黑体 1Hz 调制频率 0.3-3.0Hz 带宽 72.5db 增益)噪声 200mV(mVp-p)(25)平衡度 20%工作电压 2.2-15V 工作电流 8.5-24A(VD=10V,Rs=47k,25)源极电压 0.4-1.1V(VD=10V,Rs=47k,25)工作温度-20-+70 保存温度-35-+80 视场 139126 说明 该传感器采用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射，采用双灵敏元互补方法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性。1、上述特性指标是在源极电阻 R2=47K条件下测定的，用户使用传感器时，可根据自己的需要调整 R2 的大小。2、注意灵敏元的位置及视场大小，以便得到最佳光学设计。3、所有电压信号的测量都是采用峰一峰值定标。平衡度 B 中的 EA 和 EB分别表示两个灵敏元的电压输出信号的峰一峰值。4、使用传感时，管脚的弯曲或焊接部位应离开管脚基部 4mm 以上。5、使用传感器前，应先参考说明书，尤其要防止接错管脚 热释电红外传感控制器热释电红外传感控制器 1、实验目的：（1）了解热释电型红外传感器件的工作特性、菲湿耳 透镜的作用。（2）学习运算放大器作前置多级放大和窗口式电压比 较器、定时积分器等电路组合应用。（3）掌握热释电红外传感控制器的电路调试方式。2、工作原理：本装置电路主要由红外传感器 BH、放大器、窗口比较器、开机延时器、输出定 时器及控制输出等电路组成。红外传感器 BH 能在较远的距离探测到由人体移动所发出 的微弱红外线，当 BH 检测到人体移动所发出的 714m 的红外信号后，BH 中的 s 脚 便输出极微弱的信号直接送到 IC1a 放大器的同相输入端，IC1a 对信号放大约2200 倍后，再由电容 C1 藕合到 IC1b 作进一步放大。IC1C、IC1d 构成窗口式电压比较器，当 IC1d 输 出电压幅度在 UA 和 UB 之间时（小于 UA，大与 UB），IC1c、IC1d 的输出端均无电平输出；当 IC1b 输出电压幅度大于 UA 或小于 UB 时，IC1C、IC1d 的输出端分别都会有高电平输出，经二极管 VD1、VD2 相互隔离和“或”的作用从 P 点输出控制脉冲信号。RW 用于设定 窗口的閾值电平，调节 RW 可调节检测器的灵敏度。IC2a 和 IC2C 等原件是作开机延时电 路（刚开机时，电路各工作点尚还未被建立，P 点电压处于不稳定状态）。由于电容 C3 的二端电压不能突变，IC2C 的正输入端瞬间为 1，故它的输出也为 1，通过二极管 VD4 向 电容 C4 充电，则 IC2a 负端也为高电平，输出为低电平，故 P 点电平就被箝在低电平上，保证了输出为低电平。之后随着电容 C4 通过 R4、R3 的放电，IC2a 的负输入端电位变低（小于 1/2VCC），则输出为高电平，二极管 VD2 被截止，此时 P 点电平就成了稳定状 态。IC2b 为 P 点电压输出比较器。IC2d 等器件构成输出控制电路的积分延时器。改变电 容 C5 的容量，则就可改变输出延时的时间。3 安装与调试：在制作热释红外线传感器中，可以边安装边调试，当然也可以全部安装完毕后再作 总调。总之，首先要掌握它的工作原理，然后就能迎刃而解。刚开始可以先不装菲涅耳 透镜进行调试，把手在 BH 上作来回移动，IC1b 输出否有较大电平变化，因为IC1a 和 IC1b 是该电路前置放大器，增益过高信号会产生漂移，过低会使增益下降，被测距离变近。所以在调试中一定要二者兼顾，缺一不可。然后再调节 Rw，使检测反应最为灵敏。开 机延时时间应略大于 P 点电压的稳定时间。输出工作时间的长短要根据实际控制需要 而定。最后加上菲涅耳透镜再作进一步的调整。对红外传感来说不加透镜探测半径较近，配上透镜后，其探测距离将十倍的增加。4 学习与思考：（1）在热释电红外传感器中，为什么要加窗口式电压比较器电路？（2）热释电红外线传感器可应用在什么地方？5 资料与介绍：热释电型红外传感器件。热释电型红外传感器件是根据某些强介电质材料的热释电效应而制成的一种新颖 传感器，所谓热释电效应是强介电质材料的表面温度发生变化时，这些材料的表面就会 产生电荷的变化。这钟现象在钛酸钡等强介电质材料上表现尤为显著，通常在这类晶体 的上下表面设置电极，并在上表面加以黑色膜，如有红外线间隙地照射，使其表面温度 发生变化，其晶体内部的原子排列也随发生变化，因而引发极化电荷，电极间就有相应 电压输出。器件简介：适用制作热释电型红外传感器的光敏材料很多，使用最多的有：陶瓷氧化物（PbTiO3）钽酸锂（LiTaO3）、硫酸三甘肽（LATGS）及钛锆酸铅（PZT）等。热释电型红外传感器的结构示意见图（a）所示。传感器的敏感元件是 PZT（或其 他材料），在它的上下两面做上电极，并在表面加以一层黑色氧化膜以提高其转换效率。它的等效电路是一个在负载电阻 Rg 上并联一个电容的电压发生器，它的输出阻抗极高 而且输出电压也很微弱，故在器件内附有一个场效应管（FET）加以放大，并达到阻抗 变换的目的，见图（b）常见热释电型红外传感器的外形见图（c）所示，TO-5 封装的透光镜设在管壳顶部，树 脂封装的透光镜则设在侧面。根据不同使用需要，热释电型红外传感器的透光窗口使用不同的窗口材料，通常 它们在 0.220m 的光谱范围内其敏感度是相当平坦的，且不受可见光的影响。表 1 是几种常见透光材料的用途。不同透光材料的用途 根据热释电红外传感器敏感元件的个数可分为单元件型和双元件两种，双元件型传 感器中有两个反相串联的敏感元件，见图（d）所示。只有一个敏感元件的则称为单元 件型。双元件型热释电红外传感器具有如下特征：（1）当入射的能量顺序地到两个元件时，由于两个元件反相 串联，故输出比单元件型要高 2 倍；（2）由于两个敏感元件相连接，因此对于同时输出的能量会 互相抵消。由于上述特征，所以双元件型传感器具有下述优点；1)可以防止因太阳光等非控制红外线所引起的误差或误动作；2)PZT 元件同时又具有压电效应，所以双元件可消除因振动而引起的误差；3)可以防止因周围环境温度变化而引起的误差。菲涅耳透镜：为了提高热释电型红外传感器的接收灵敏度，通常备需要在传感器上加装菲涅耳透 镜。实验表明，传感器如不装菲涅耳透镜当检测人体走时，检测距离仅 2m 左右，而加 菲涅耳透镜后，其检测距离可增加到 10m 以上，甚至更远。菲涅耳透镜的工作原理是将移动物体或人体发射的红外线进入透镜，产生一个交替 的“盲区”和“高灵敏度区”，这样就产生光脉冲。透镜有很多盲区和高灵敏度区组成，则物体或人体的移动就会产生一系列的光脉冲而进入传感器，从而提高接收灵敏度。物 体或人体移动的速度愈快，灵敏度愈高。目前配上透镜可检测 10m 左右，采用新设计 的双重反射型，其检测距离可达 20m 以上。图（e）是涅耳透镜的正面外形图，使用时应将菲涅耳透镜的交点对准传感器敏感元件 的中心如图（f）所示。