侦测物体移动的方式很多，例如雷达就是利用刺激来侦测物体反射动作，或是直接感测物体本身所释放出来的自然讯号，这些都能达到侦测的目的。本篇文章即在探讨如何藉由感测物体本身所发出的红外线来侦测其移动情形。

存在于电磁波频谱上的红外线波长比一般可见光还要长。红外线虽然看不到，但仍可被侦测的到，包括动物与人体等会产生热能的物体，也会同时产生红外线辐射，而辐射波长以9.4 μm的波长是最强的。要侦测这样的讯号，则需要一组能量转换器（transducer）将红外线讯号转换成用一般电路就可感测到的讯号型式。

Pyroelectric感测器

Pyroelectric感测器是由结晶物质所组成，当此物质暴露在红外线辐射形式的热能时，会产生表面电荷。当晶体表面受到许多辐射照射而改变时，其所带电荷也会随之改变，而且可以利用感测器内高灵敏度的场效电晶体（FET）元件来进行量测，如(图一)所示。由于感测器元件可接受相当大的辐射范围，因此在感测器的封装（TO5）里会加上一个滤波器（filter window），将接收辐射波长范围限制在8到14μm之间，而这也是对人体最敏感的辐射范围。(图二)则显示外接电阻器“R”如何连结至从FET电流转换为电压值的辐射源。而FET的汲极（drain）将会连结至3到15伏特的干净电源。

《图一 传感器的封装（TO5）里加上一个滤波器》

《图二 外接电阻器R链接至从FET电流转换为电压值的辐射源》

输出电压应该与输入端所感测的红外线辐射量呈某一函数关系。但输出电压通常还会受到晃动、电波干扰与日照等因素所影响，为了解决这个问题，感测器本身通常有两组感测元件连结至一组逆电压（voltage-bucking）组态，如(图三)所示）。这样的配置可消除因晃动、温差及日照所产生的讯号干扰。当人体经过感测器前，这两个感测元件会先后产生反应，而同时影响感测器的其他因素，却会被消除。因此，若感测器针脚1与2的排列方式为水平方向时，感测源的移动就必须也是水平，才会使得这两组感测元件依序曝露在红外线辐射源之下。

《图三 传感器上有两组感测组件链接至一组逆电压组态》

感测元件前端与滤波器前端之间的距离约为0.045英吋（1.143 mm），因此需要一组透镜以侦测数呎外的物体移动。 (图四)显示将一组菲涅耳透镜（Fresnel lens）置于Pyroelectric红外线（PIR）感测器前方的情形。菲涅耳透镜是一种由多个同心圆环形透镜所构成的平凸透镜（Plano Convex lens），因此可维持其原有的光学特性，但厚度却可大幅降低，以减少吸收损耗（absorption losses） 。

菲涅耳透镜的制作材质可让8到14μm的红外线通过，并特别设计让有沟槽的一侧朝向红外线感测元件，而另一侧负责接收感测源的平滑面则通常是在感测器封装的外侧。

《图四 将一组菲涅耳透镜置于Pyroelectric红外线传感器前方的情形》

感测器实际应用

在介绍Pyroelectric红外线（PIR）感测器后，接着将介绍如何利用感测器的讯号来侦测人体移动。

(图五)显示场效电晶体（FET）的源极（source terminal）经由下拉电阻（pull down resistor）而连结至接地面，之后再馈入内含讯号调节（signal conditioning）电路的双级放大器。该放大器频宽一般限制在10Hz以下，以阻绝高频杂讯，之后再利用一个比较器（window comparator）来反应出感测器输出的正向与反向讯号之转换情形。

《图五 双级放大器》

为了利用独立式元件建置上述电路，可能会需要四个运算放大器（op-amps），其中两个用于放大器级围，另外两个则用于比较器级围。用于比较器级围中的运算放大器是为了要反应感测器输出的正向与反向讯号转换情形。

若要利用微控制器建置上述应用电路的话，如何减少外部元件（主要为主动元件）的数量便是设计人员会面临到的问题。解决方法之一就是采用专为这类工作所开发出来的产品，例如Cypress混合讯号阵列PSoC系列产品。

(图六)显示如何利用一个微处理器建置电路的应用方块图。途中可以看出其中的讯号调节线路仅由R与C组成。

《图六 利用一个微处理器建置电路的应用方块图》 - BigPic:945x151

图六中Pyroelectric红外线（PIR）感测器的源极连接了一个100-kΩ的电阻器；而0.15μF的电容器则以平行方式连接至电阻器。两组元件构成10Hz的低通滤波器。而0.16Hz的高通滤波器则是由1μF的电容器与1MΩ的电阻器所构成。 Amplifier-1提供16倍的讯号增益，其后经过缓冲器与高通耦合再输入同样具有16倍增益的Amplifier-2，以达到256倍的总增益。之后，讯号则传输至一个13位元的ADC，以转换成每秒240个取样的数位讯号。ADC的数位值则利用软体与两端的临界值进行比较；来启动指示器侦测人体的移动。

设计人员如采用Cypress PSoC元件来进行Pyroelectric红外线（PIR）感测器的设计，就无须额外增加各种外部主动元件来缓冲、放大、及侦测移动中的红外线讯号源。

（作者Geethesh N.S.为Cypress赛普拉斯半导体PSoC产品顾问；Martin Cornish为产品应用工程师）