人体外气测试电路的研究与设计

贾强

摘要：红外线传感器实际上属于光敏传感器的范畴，它的应用范围是非常广泛的。红外线传感器分为热释电红外线传感器和量子型红外线传感器两大类。前者主要检测物体自身温度下所产生的红外线，后者的灵敏度高、响应速度快，但其灵敏度主要与波长有关。红外线传感器广泛应用于自动检测、自动计数、家用电器无线遥控、防盗报警等领域。本文基于红外线传感器进行了外气测试电路的设计。

关键词：红外线传感器 PT2288 LM3914

1 概述

随着社会的发展和时代的进步，人们的养生和健身意识越来越强。在工作之余，更多的人们纷纷投入到形式多样的体育健身活动中去，从而达到强身健体、延年益寿的目的，这其中合理科学的锻炼方法显得尤为重要。那么，如何随时掌握自己的运动量和运动时间呢？红外线“外气”测试电路就是针对这个问题而设计出来的。外气测试电路是用来测试练功者或者体育锻炼者的锻炼效果，锻炼后的运动员只要手心对准该测试电路，根据发光二极管点亮的个数就可以大致知道自己的运动量了。一般来说，运动量和运动时间越长，人体所发出的体热就会越大，点亮的LED的个数相应也就越多。

2 元器件的选择

2.1 P2288

热释电红外线传感器P2288主要是由锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等高热电系数的材料，按照2*1mm制成探测元件。将一个或两个探测元件装入到每个探测器内，同时反极性串联两个探测元件，进而在一定程度上抑制由自身温度升高而产生的干扰。将探测接收到的红外辐射由探测元件转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了增大探测距离，需要提高探测器的探测灵敏度，需要在测器的前方设置一个菲涅尔透镜，该透镜采用透明塑料制成，并将透镜的上、下两部分各分成若干等份，将其制成具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，通常情况下，可以将信号放大70分贝以上，这样就可以测出20米范围内人的行动。

2.2 菲涅尔透镜

菲涅尔透镜又称阶梯镜，“阶梯”由一系列同心圆环状带区构成，所以又称环带透镜。通过菲涅尔透镜对远处的物体进行观察，则物体呈现倒立的像，而对近处的物体进行观察，通常会产生放大的效果。对于菲涅尔透镜来说，其作用主要表现为：一是聚焦作用，将热释红外信号反射或折射到PIR上；二是将探测区域内分为若干个明区和暗区，对于进入探測区域的移动物体来说，在PIR上能以温度变化的形式产生变化的热释红外信号。

2.3 LM358

LM358是双运算放大器，其内部主要包括两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，在电源电压范围很宽的单电源中，这种放大器得到广泛使用，同时也适用于双电源工作模式，在推荐的工作模式下，电源电压无不会对电源电流产生影响。通常情况下，它的使用范围主要包括：传感放大器、直流增益模块等。

2.4 LM3914

LM3914是点/条显示驱动集成电路，通常情况下，其内部主要包含输入缓冲器、10级精密电压比较等。对于10级电压比较器来说，需要将其同相输入端与电阻分压器进行连接。其中，10只1kΩ精密电阻通过串联的方式组成电阻分压器，各级比较器在加权值方面相等，进一步构成10级线性显示驱动器，这种驱动器适用于LED电平表的线性标度器件。其工作电压为3V～25V，输出电流为2～30mA，其中输出电流具备一定的可调性，输出端承压能力为±35V，最大输出控制在30mA。在设置输入缓冲器的过程中，需要结合跟随器形式的实际情况，进而提高了输入阻抗，以及测量精度。LM3914内部设有迟滞电路，显示不是从一个LED立刻跳到另一个LED，在这种情况下，可以消除噪声和干扰，改善输入信号快速变化时引起的闪烁现象。

2.5 LM3915

LM3915是单片集成电路，该电路包含一个可调电压基准和一个准确的10步分压器。高阻抗输入缓冲区接收0～1.5V的信号，输入缓冲器驱动10个独立的比较器，精度通常大于1dB。

3 人体外气测试电路设计（图1）

4 人体外气测试电路工作过程分析

外气测试电路如图1所示，采用热释电红外线传感器P2288、配菲涅尔透镜和电子钟电动机，构成主动式热释红外线检测电路。V、VD为1.5V的电源电路，给电子钟电动机提供电源，用电子钟电动机的转动来模拟人体的运动。因此，当人的手心接近红外线传感器和菲涅尔透镜时，无论人手是否挥动（运动），传感器都把它视为运动状态，从而输出信号，信号经过两级运算放大器A1、A2放大后送点/线图形显示驱动器IC2。

LM3914、LM3915为检测模拟电平，驱动10位放光二极管进行线性模拟显示的单片集成电路，模拟信号从5脚输入，缓冲后与内部的10个电压比较器的反相输入（-）端电位进行比较。而同相输入（+）端的电位由4和6脚之间的电压决定，即基准比较电位。7、8脚为1.25基准电压源，产生的基准电压7脚总比8脚高1.25V。因8脚为0（接地），则7脚为1.25V。内部电阻分压网络把1.25V分成10等分，每等分为1.25/10=0.125V。这样只要5脚输入电压每增加0.125V，内部的比较器就多一个输出低电平，也就多一个LED点亮。9脚为：“点”、“线”显示方式选择。开路时为“点”显示，接+V时为“线”显示。

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