人體外氣測試電路的研究與設(shè)計(jì)

賈強(qiáng)

摘要：紅外線傳感器實(shí)際上屬于光敏傳感器的范疇，它的應(yīng)用范圍是非常廣泛的。紅外線傳感器分為熱釋電紅外線傳感器和量子型紅外線傳感器兩大類。前者主要檢測物體自身溫度下所產(chǎn)生的紅外線，后者的靈敏度高、響應(yīng)速度快，但其靈敏度主要與波長有關(guān)。紅外線傳感器廣泛應(yīng)用于自動(dòng)檢測、自動(dòng)計(jì)數(shù)、家用電器無線遙控、防盜報(bào)警等領(lǐng)域。本文基于紅外線傳感器進(jìn)行了外氣測試電路的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：紅外線傳感器 PT2288 LM3914

1 概述

隨著社會(huì)的發(fā)展和時(shí)代的進(jìn)步，人們的養(yǎng)生和健身意識越來越強(qiáng)。在工作之余，更多的人們紛紛投入到形式多樣的體育健身活動(dòng)中去，從而達(dá)到強(qiáng)身健體、延年益壽的目的，這其中合理科學(xué)的鍛煉方法顯得尤為重要。那么，如何隨時(shí)掌握自己的運(yùn)動(dòng)量和運(yùn)動(dòng)時(shí)間呢？紅外線“外氣”測試電路就是針對這個(gè)問題而設(shè)計(jì)出來的。外氣測試電路是用來測試練功者或者體育鍛煉者的鍛煉效果，鍛煉后的運(yùn)動(dòng)員只要手心對準(zhǔn)該測試電路，根據(jù)發(fā)光二極管點(diǎn)亮的個(gè)數(shù)就可以大致知道自己的運(yùn)動(dòng)量了。一般來說，運(yùn)動(dòng)量和運(yùn)動(dòng)時(shí)間越長，人體所發(fā)出的體熱就會(huì)越大，點(diǎn)亮的LED的個(gè)數(shù)相應(yīng)也就越多。

2 元器件的選擇

2.1 P2288

熱釋電紅外線傳感器P2288主要是由鋯鈦酸鉛系陶瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等高熱電系數(shù)的材料，按照2*1mm制成探測元件。將一個(gè)或兩個(gè)探測元件裝入到每個(gè)探測器內(nèi)，同時(shí)反極性串聯(lián)兩個(gè)探測元件，進(jìn)而在一定程度上抑制由自身溫度升高而產(chǎn)生的干擾。將探測接收到的紅外輻射由探測元件轉(zhuǎn)變成微弱的電壓信號，經(jīng)裝在探頭內(nèi)的場效應(yīng)管放大后向外輸出。為了增大探測距離，需要提高探測器的探測靈敏度，需要在測器的前方設(shè)置一個(gè)菲涅爾透鏡，該透鏡采用透明塑料制成，并將透鏡的上、下兩部分各分成若干等份，將其制成具有特殊光學(xué)系統(tǒng)的透鏡，它和放大電路相配合，通常情況下，可以將信號放大70分貝以上，這樣就可以測出20米范圍內(nèi)人的行動(dòng)。

2.2 菲涅爾透鏡

菲涅爾透鏡又稱階梯鏡，“階梯”由一系列同心圓環(huán)狀帶區(qū)構(gòu)成，所以又稱環(huán)帶透鏡。通過菲涅爾透鏡對遠(yuǎn)處的物體進(jìn)行觀察，則物體呈現(xiàn)倒立的像，而對近處的物體進(jìn)行觀察，通常會(huì)產(chǎn)生放大的效果。對于菲涅爾透鏡來說，其作用主要表現(xiàn)為：一是聚焦作用，將熱釋紅外信號反射或折射到PIR上；二是將探測區(qū)域內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，對于進(jìn)入探測區(qū)域的移動(dòng)物體來說，在PIR上能以溫度變化的形式產(chǎn)生變化的熱釋紅外信號。

2.3 LM358

LM358是雙運(yùn)算放大器，其內(nèi)部主要包括兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，在電源電壓范圍很寬的單電源中，這種放大器得到廣泛使用，同時(shí)也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作模式下，電源電壓無不會(huì)對電源電流產(chǎn)生影響。通常情況下，它的使用范圍主要包括：傳感放大器、直流增益模塊等。

2.4 LM3914

LM3914是點(diǎn)/條顯示驅(qū)動(dòng)集成電路，通常情況下，其內(nèi)部主要包含輸入緩沖器、10級精密電壓比較等。對于10級電壓比較器來說，需要將其同相輸入端與電阻分壓器進(jìn)行連接。其中，10只1kΩ精密電阻通過串聯(lián)的方式組成電阻分壓器，各級比較器在加權(quán)值方面相等，進(jìn)一步構(gòu)成10級線性顯示驅(qū)動(dòng)器，這種驅(qū)動(dòng)器適用于LED電平表的線性標(biāo)度器件。其工作電壓為3V～25V，輸出電流為2～30mA，其中輸出電流具備一定的可調(diào)性，輸出端承壓能力為±35V，最大輸出控制在30mA。在設(shè)置輸入緩沖器的過程中，需要結(jié)合跟隨器形式的實(shí)際情況，進(jìn)而提高了輸入阻抗，以及測量精度。LM3914內(nèi)部設(shè)有遲滯電路，顯示不是從一個(gè)LED立刻跳到另一個(gè)LED，在這種情況下，可以消除噪聲和干擾，改善輸入信號快速變化時(shí)引起的閃爍現(xiàn)象。

2.5 LM3915

LM3915是單片集成電路，該電路包含一個(gè)可調(diào)電壓基準(zhǔn)和一個(gè)準(zhǔn)確的10步分壓器。高阻抗輸入緩沖區(qū)接收0～1.5V的信號，輸入緩沖器驅(qū)動(dòng)10個(gè)獨(dú)立的比較器，精度通常大于1dB。

3 人體外氣測試電路設(shè)計(jì)（圖1）

4 人體外氣測試電路工作過程分析

外氣測試電路如圖1所示，采用熱釋電紅外線傳感器P2288、配菲涅爾透鏡和電子鐘電動(dòng)機(jī)，構(gòu)成主動(dòng)式熱釋紅外線檢測電路。V、VD為1.5V的電源電路，給電子鐘電動(dòng)機(jī)提供電源，用電子鐘電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來模擬人體的運(yùn)動(dòng)。因此，當(dāng)人的手心接近紅外線傳感器和菲涅爾透鏡時(shí)，無論人手是否揮動(dòng)（運(yùn)動(dòng)），傳感器都把它視為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而輸出信號，信號經(jīng)過兩級運(yùn)算放大器A1、A2放大后送點(diǎn)/線圖形顯示驅(qū)動(dòng)器IC2。

LM3914、LM3915為檢測模擬電平，驅(qū)動(dòng)10位放光二極管進(jìn)行線性模擬顯示的單片集成電路，模擬信號從5腳輸入，緩沖后與內(nèi)部的10個(gè)電壓比較器的反相輸入（-）端電位進(jìn)行比較。而同相輸入（+）端的電位由4和6腳之間的電壓決定，即基準(zhǔn)比較電位。7、8腳為1.25基準(zhǔn)電壓源，產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓7腳總比8腳高1.25V。因8腳為0（接地），則7腳為1.25V。內(nèi)部電阻分壓網(wǎng)絡(luò)把1.25V分成10等分，每等分為1.25/10=0.125V。這樣只要5腳輸入電壓每增加0.125V，內(nèi)部的比較器就多一個(gè)輸出低電平，也就多一個(gè)LED點(diǎn)亮。9腳為：“點(diǎn)”、“線”顯示方式選擇。開路時(shí)為“點(diǎn)”顯示，接+V時(shí)為“線”顯示。

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