Lichtjäger Infrarot-Bewegungsmelder
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Lichtjäger Infrarot-Bewegungsmelder Von (Geethesh N.S., PsoC Consultant, Cypress Semiconductor Corp. And Martin Cornish, Field Application Engineer, Cypress Semiconductor Corp.) Zusammenfassung Die Bewegung von Objekten lässt sich auf verschiedene Weise erkennen. Von der Radartechnik her ist das Prinzip bekannt, Strahlen auf das Objekt zu richten und ihre Reflexion auszuwerten. Ebenso kann die von dem Objekt ausgehende natürliche Strahlung verwendet werden. Thema dieses Artikels ist die Bewegungserkennung durch die vom jeweiligen Objekt erzeugte Infrarotstrahlung. Die Bewegung von Objekten lässt sich auf verschiedene Weise erkennen. Von der Radartechnik her ist das Prinzip bekannt, Strahlen auf das Objekt zu richten und ihre Reflexion auszuwerten. Ebenso kann die von dem Objekt ausgehende natürliche Strahlung verwendet werden. Thema dieses Artikels ist die Bewegungserkennung durch die vom jeweiligen Objekt erzeugte Infrarotstrahlung. Infrarotstrahlung ist eine elektromagnetische Strahlung, deren Wellenlänge größer ist als die des sichtbaren Lichts. Obwohl für das menschliche Auge unsichtbar, lässt sich Infrarot-‚Licht’ mit Hilfe geeigneter Detektoren erkennen. Alle Objekte, von denen Wärme ausgeht, erzeugen auch infrarote Strahlung. Neben Tieren gehört dazu auch der menschliche Körper, dessen Strahlungsmaximum bei einer Wellenlänge von 9,4 µm liegt. Zum Erfassen dieses Signals benötigt man einen Sensor. Dieser verwandelt die Infrarotstrahlung in ein Signal, das mit konventionellen Schaltungen weiterverarbeitet werden kann. Aufbau von pyroelektrischen Sensoren Ein pyroelektrischer Sensor besteht aus einem kristallinen Werkstoff, der an seiner Oberfläche eine elektrische Ladung erzeugt, wenn er Wärme in Form infraroter Strahlung ausgesetzt wird. Ändert sich die Intensität der auf den Kristall treffenden Strahlung, so verändert sich auch die Ladungsmenge, was sich mit Hilfe eines in den Sensor eingebauten, empfindlichen FET messen lässt (Bild 1). Bild 1. Prinzipieller Aufbau des pyroelektrischen Sensors Da die Sensorelemente auf Strahlung mit einem weiten Wellenlängenspektrum ansprechen, wird das TO-5-Gehäuse mit einem filternden Fenster versehen, um die eintreffende Strahlung auf den Bereich von 8 bis 14 µm zu begrenzen, in den der Großteil der vom menschlichen Körper ausgehenden Infrarotstrahlung fällt. Lichtjäger Published in Mechatronik F&M (http://www.mechatronik.info) Page 1 of 5 May 2007 Bild 2. Schaltung zum Erzeugen eines Spannungsssignals am Ausgang Bild 2 verdeutlicht, wie der Strom, den der FET mit Hilfe einer externen Spannungsquelle erzeugt, durch einen externen Widerstand (R) in eine Spannung verwandelt werden kann. An den Drain-Anschluss des FET sollte eine gut gefilterte Spannungsquelle von 3 bis 15 V angeschlossen werden. Die Ausgangsspannung ist eine Funktion der Intensität der auf den Sensor treffenden Infrarotstrahlung. Nachteilig ist, dass auch Vibrationen, Funkstörungen und Sonnenlicht Auswirkungen auf das Ausgangssignal haben. Zur Lösung dieses Problems werden zwei Sensorelemente verwendet, die in einer Voltage-Bucking-Konfiguration verschaltet sind. Durch Vibration, Funkstörungen und Sonnenlicht entstehende Signale werden hierdurch aufgehoben. Hierbei nutzt man die Tatsache aus, dass ein menschlicher Körper, der den Sensor passiert, zuerst den einen und anschließend den anderen Sensor aktiviert, während alle störenden Einflüsse auf beide Sensoren gleichzeitig einwirken und sich deshalb aufheben. Die Strahlungsquelle muss sich allerdings in horizontaler Richtung am Sensor vorbeibewegen, wenn die Pins 1 und 2 des Sensors ebenfalls horizontal ausgerichtet sind, denn nur so werden die beiden Sensorelemente nacheinander aktiviert. Bild 3. Ausrichtung des Sensors mit Angabe der maximalen Richtungsempfindlichkeit Lichtjäger Published in Mechatronik F&M (http://www.mechatronik.info) Page 2 of 5 May 2007 Fresnellinse vor dem PIR-Detektor Wie Da die Oberfläche der Sensorelemente 1,143 mm von der Vorderseite des Filterfensters entfernt ist, wird eine Linse benötigt, wenn Objekte in deutlich mehr als 1 m Entfernung erkannt werden sollen. In Bild 4 ist eine Fresnellinse vor dem PIRDetektor angeordnet. Eine Frensellinse besteht aus mehreren ringförmigen Bereichen mit jeweils unterschiedlichen Winkeln zwischen den beiden Oberflächen. Damit gelingt die Herstellung von Linsen, die trotz kurzer Brennweite nur eine geringe Dicke und folglich auch reduzierte Absorptionsverluste aufweisen. Hergestellt wird die Fresnellinse aus einem infrarotdurchlässigen Material mit einem Durchlassbereich von 8 bis 14 µm. Die für Fresnellinsen typischen konzentrischen Rillen sind hier dem IR-Sensor zugewandt, damit die glatte Oberfläche der Linse, die in der Regel Teil des Sensorsgehäuses ist, nach außen weist. Bild 4. Schema das Infrarotsensors mit Fresnellinse Nach dieser Beschreibung des PIR-Sensors soll nun darauf eingegangen werden, wie das Ausgangssignal des Sensors aufbereitet wird, um die Bewegung menschlicher Körper zu erkennen. Bild 5 zeigt, wie der Source-Anschluss des FET über einen Pull-down-Widerstand mit der Masse verbunden ist und einen zur Signalaufbereitung dienenden zweistufigen Verstärker ansteuert. Der Verstärker ist in seiner Bandbreite in der Regel auf unter 10 Hz begrenzt, um hochfrequente Störungen zu unterdrücken. An ihn schließt sich ein Fensterkomparator an, der auf positive und negative Ausschläge des Sensor-Ausgangssignals anspricht. Bild 5. Bewegungssensor mit Mikrocontroller Lichtjäger Published in Mechatronik F&M (http://www.mechatronik.info) Page 3 of 5 May 2007 Für den Aufbau der obigen Schaltung mit diskreten Bauelementen können insgesamt vier Operationsverstärker erforderlich sein: zwei für die Verstärkerstufe und zwei weitere für den Komparator. Für den Komparator sind zwei OpAmps nötig, damit sowohl positive als auch negative Ausschläge des Sensorsignals registriert werden können. Wie wäre es stattdessen, die Applikation mit einem Mikrocontroller zu implementieren? Dabei stellt sich die Frage, auf welche Weise damit die Zahl der externen Bauelemente, und zwar hauptsächlich der aktiven, verringert werden kann. Die Lösung besteht im Einsatz eines Mixed-Signal-Arrays der PSoC-Familie von Cypress Semiconductor. Bild 6 gibt das Blockschaltbild einer Applikation auf Basis eines Mikrocontrollers wieder. Dabei fällt auf, dass die Signalaufbereitungs-Schaltung auf einem einfachen RC-Glied beruht. Mit dem Source-Anschluss des PIR-Detektors ist ein 100-k-Widerstand verbunden, der gemeinsam mit einem parallelgeschalteten 0,15-µF-Kondensator einen 10-Hz-Tiefpass ergibt. Zusätzlich wird mit einem 1-µF-Kondensator und einem 1-M-Widerstand ein 0,16-Hz-Hochpass gebildet. Verstärker 1 verstärkt das Signal um den Faktor 16. Sein Ausgang wird einem Puffer zugeführt, der über einen weiteren Hochpass Verstärker 2 ansteuert, der ebenfalls einen Verstärkungsfaktor von 16 aufweist, sodass das Signal insgesamt um den Faktor 256 verstärkt wird. Das Signal gelangt nun an einen 13-Bit A/DWandler, der es mit 240 Abtastungen pro Sekunde digitalisiert. Die vom ADC gelieferten digitalen Werte werden per Software auf das Über- bzw. Unterschreiten der vorgegebenen Grenzwerte untersucht. Den Abschluss bildet ein Indikator, der die Bewegung eines menschlichen Körpers meldet. Wird für diese Applikation ein PSoC verwendet, sind keine externen aktiven Bauelemente nötig, um das Signal zu puffern und zu verstärken und damit eine bewegliche Infrarotquelle zu identifizieren. Lichtjäger Published in Mechatronik F&M (http://www.mechatronik.info) Page 4 of 5 May 2007 Cypress Semiconductor 198 Champion Court San Jose, CA 95134-1709 Phone: 408-943-2600 Fax: 408-943-4730 http://www.cypress.com © Cypress Semiconductor Corporation, 2007. The information contained herein is subject to change without notice. Cypress Semiconductor Corporation assumes no responsibility for the use of any circuitry other than circuitry embodied in a Cypress product. Nor does it convey or imply any license under patent or other rights. Cypress products are not warranted nor intended to be used for medical, life support, life saving, critical control or safety applications, unless pursuant to an express written agreement with Cypress. Furthermore, Cypress does not authorize its products for use as critical components in life-support systems where a malfunction or failure may reasonably be expected to result in significant injury to the user. The inclusion of Cypress products in life-support systems application implies that the manufacturer assumes all risk of such use and in doing so indemnifies Cypress against all charges. PSoC Designer™, Programmable System-on-Chip™, and PSoC Express™ are trademarks and PSoC® is a registered trademark of Cypress Semiconductor Corp. All other trademarks or registered trademarks referenced herein are property of the respective corporations. This Source Code (software and/or firmware) is owned by Cypress Semiconductor Corporation (Cypress) and is protected by and subject to worldwide patent protection (United States and foreign), United States copyright laws and international treaty provisions. 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