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2016年8月4日 星期四

關於感測電路應用設計


元件

感應元件通常是利用半導體材料特性,對自然界的物理訊號 , 如光、聲音、壓力、溫度轉換成電氣訊號,而電氣訊號可能是電流、電阻、電壓的訊號。

感測元件例如硫化鎘(CdS)或光敏電阻器(LDR),其阻抗隨光落在它表面的總量而有不同; 焦電式紅外線感知器為因為吸收紅外線而產生AC電壓變化。能將位移、壓力、速度等機械量轉換成為電子訊號的元件稱為機電轉換器(electromechanical transducer),如陀螺儀(Gyroscope)與加速度計(Accelerometer)、E-compass 電子邏盤。透過光的入射與感測材料相互作用來進行工作稱為光感測器。量測人體訊號的稱為生醫感測器

微機電(MEMS)技術的快速發展,使得感測器的尺寸與功耗持續縮小,並讓各式各樣的感測器廣泛的應用在日常生活。

感應元件的特性:
  • 轉換後的電氣訊號都是很微弱的, 如電壓只會有mV (毫伏)
  • 輸出的電氣訊號含有一定的雜訊

感測電路應用設計即利用感測器所進行的電路設計


感測電路設計即利用感測元件的電氣訊號變化來設計"適當"的電路,以輸出如電壓、頻率、派衝等訊號,並滿足訊息傳輸、處理、記錄、顯示、控制的要求。其中, 由於感應元件通常產生的電氣訊號(不論是電壓或電流)都很微小,所以大多數感測電路都會用到OP Amp, 將訊號加以放大。

不論感應元件是屬電流、電壓或電阻的元件,最終經由我們所設計的感測電路都必須是電壓輸出,因為MCU/ SoC 嵌入式系統的輸入端都是看電壓 (為何只看電壓, 而不看電流或電阻, 理由何在?? )。MCU會針對電壓的類比訊號,經由ADC元件轉成數值,即可進行後續運算/演算法處理。





感測電路設計的一個例子:

目標:設計一個能自動點灯的照明設備

功能需求:

  • 可以調整感應距離 (即靈敏度) 
  • 每次觸發的延時時間
  • 感應距離最遠 7 公尺
  • 範圍可達 110 度角
  • 偵測到有人活動時,輸出電壓值 3.3V~5V; 否則輸出 0V
工程師要開始思考, 如何做到這些功能?

1) 有什麼樣感測器以偵測到人?

 PIR (Passive Infrared Sensor )紅外線人體感測器,它主要的感測方法為利用溫度之變化,來感應人之移動。PIR內部焦電元件是強導電體。紅外線照射到強導電體元件上,元件會吸收紅外線產生熱及溫度變化。因溫升會使元件表面產生電荷 (此為焦電效應),後續再經電路進行感測處理後就能產生On/Off信號。
在自然界,任何高於絕對溫度(-273℃)時物體都將產生紅外光譜,不同溫度的物體,其釋放的紅外能量的波長是不一樣的,因此紅外波長與溫度的高低是相關的。人體體溫約在 37 度,所以會發出特定波長 10 微米左右的紅外線。


焦電型紅外線感測器

2) 如何對找到的這個感測器進行功能設計(即感測電路設計)?


http://www.ittraining.com.tw/ittraining/index.php/course/hardware/ec





另外,可以增加一些功能,

  • 如具有調整觸發模式的Jumper :單次觸發,中間偵測有人在移動, 不會延長timer。重複觸發,若偵測仍有人在移動, 會延長timer時間。
  • 使用兩個可變電阻, 一個用來調整感應距離 (即靈敏度) ,另一個用來調整每次觸發的延時時間。


3) PIR模組 ? 

一般常見市售的PIR模組

PIR 模組正面有一個 PE (聚乙烯) 做的平凸透鏡外罩, 用來聚焦紅外線,以增加感測範圍
中間為焦電型紅外線感應器 




PIR 模組的背面,兩個可變電阻可以調整參數
                              
                           

參考資料: 

  1. 焦電型紅外線感應器 規格書下載
  2. 生醫感測器
  3. 更多資訊:: http://www.ittraining.com.tw/ittraining/index.php/course/hardware/ec





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