智能的運動(dòng)檢測器設計

這種解決方案既不十分復雜，價(jià)格也不昂貴，幾乎無(wú)處不在，如鄰居的私人車(chē)道、超市，而在住宅和工作場(chǎng)所的走廊上更是應用得越來(lái)越多。它就是運動(dòng)檢測器，本文將探討如何使用無(wú)源紅外 (PIR) 傳感器實(shí)現簡(jiǎn)單的運動(dòng)檢測器。

        我們首先討論硬件。針對本設計選定的傳感器是PIR325雙元件熱釋傳感器。從單元件到四元件，市面上有多種PIR傳感器可供選擇。每種產(chǎn)品的基本原理相同：晶體材料在紅外線(xiàn)的輻射下產(chǎn)生電荷，輻射情況的變化（即熱量的變化）會(huì )導致電荷的變化，而集成了高靈敏度FET元件的傳感器可以感知到這些變化。

        圖1 顯示了傳感器檢測到紅外輻射出現變化時(shí)的輸出特性。傳感器具有一個(gè)內置的光學(xué)濾波器，能夠將檢測到的輻射限制在人體輻射（8～14μm）波長(cháng)的范圍內。
 

圖1  PIR325的信號輸出

        可將輻射變化進(jìn)行內部放大，并在外部進(jìn)行模擬輸出脈沖的測量。VCC信號輸出仍然很小，因此要特別注意設計方案必須能檢測到幾毫伏甚至幾十微伏這樣細微的峰至峰變化，但這要取決于傳感器與輻射體之間的距離以及輻射體的大小。此外，輸出偏移電壓由VCC決定。在此實(shí)例中，我們選擇3V電池供電，輸出偏移電壓為500mV。

        要將信號放大至可以使用的范圍，使用額外的放大器級來(lái)實(shí)施是一種切實(shí)可行的解決方案。放大器級的增益取決于用于后端處理的、最終的模數轉換方法。設計中通常針對A/D轉換采用簡(jiǎn)單比較器，其輸出可驅動(dòng)繼電器或者觸發(fā)微控制器以執行某些功能。在這種情況下，僅存在兩種可能的結果：高電平或低電平。對于穩定性更高的實(shí)施方案而言，可以用高準確度A/D轉換器替代比較器，向MCU提供更多的信息以執行高級信號處理。無(wú)論是比較器還是低成本的高精度A/D轉換器，一般要求其增益級放大1 000倍或以上。

        為了降低成本和功耗，我們選用了單芯片 MCU，它集成了所有必需的元件，這使解決方案具有更小的體積、更低的成本、更易于設計和控制。我們選定的MCU集成有16位A/D轉換器，從而使測量精度更高，而且對傳感器的增益需求較低。MCU較重要的特性很可能是將集成可編程增益放大器(PGA)嵌入到A/D轉換器中，以便直接進(jìn)行傳感器連接。要使模擬連接更簡(jiǎn)單直接，PGA及A/D轉換器的輸入應為全差動(dòng)，這不僅有助于處理信號的較大偏移，而且還能使傳感器的小信號輸出與A/D轉換器動(dòng)態(tài)范圍的匹配最大化。

        當然，傳感器自身的輸出并不是差動(dòng)信號。使用傳感器自身的輸出信號來(lái)針對反相PGA輸入創(chuàng )建DC偏置可以解決這一問(wèn)題。圖2給出了傳感器與 MCU及模擬信號鏈相連的詳細圖示。
 

圖2  模擬輸入配置

        在該案例的配置中，可用傳感器的源極輸出S經(jīng)由小型抗混淆信號RC濾波器(R1/C1)向PGA的非反相輸入端提供所需的輸出信號。另外，可將該輸出信號用于為差分對的A輸入端創(chuàng )建所需的DC偏壓，這可通過(guò)在A(yíng)輸入端使用較大型RC低通濾波器(R2/C2)來(lái)完成。RC濾波器足夠大時(shí)，不僅能夠過(guò)濾信號的噪聲，而且還能過(guò)濾相關(guān)的信息信號，從而創(chuàng )建可根據VCC進(jìn)行自動(dòng)調整的DC電平。其優(yōu)勢在于，無(wú)需附加電路便可創(chuàng )建獨立的偏移電壓。該配置的A/D轉換器輸出約為60μV/LSB，這一結果是基于如下條件計算得出：

VLSB=[(1.2/2)/16]/[216-1]    (1)

       其中，內部參考電壓為1.2V、PGA增益為16倍。

         盡管許多運動(dòng)／現場(chǎng)檢測系統可能需要單數字位有毫伏級的靈敏度，但檢測范圍為幾十米的通用系統也可采用圖2所示的設計。由于這些系統具有極高的分辨率，因而需要額外放大傳感器的輸出。

        既然定義了模擬接口，那么控制系統的軟件設計當屬第二大重要因素。請謹記，低成本和低功耗是設計人員需要實(shí)現的兩個(gè)主要目標。所選擇的硬件想要滿(mǎn)足以上目標的確尚需時(shí)日，因為硬件不僅要通過(guò)模擬和數字集成來(lái)實(shí)現低成本，而且還要使集成組件的電源管理簡(jiǎn)便易行，以實(shí)現低功耗。但是，高效率的軟件開(kāi)發(fā)是達到上述目標的關(guān)鍵。
 

圖3  MCU 軟件流程圖

        圖3是系統的高級軟件流程圖。軟件的主要作用是保證整個(gè)系統由中斷驅動(dòng)。這意味著(zhù)除非需要完成某些操作，否則不產(chǎn)生CPU指令。本例中，CPU 處于低功耗待機模式，等待下面兩個(gè)事件之一的發(fā)生：一是新的 A/D 轉換開(kāi)始時(shí)的計時(shí)器中斷，二是表示結果就緒的A/D中斷。

        結果就緒后將與最后的采樣進(jìn)行對比，差值絕對值再與用戶(hù)定義的設定值進(jìn)行比對，超過(guò)此設定值則表示有物體運動(dòng)發(fā)生。這個(gè)簡(jiǎn)單的流程非常靈活，能夠通過(guò)內部計時(shí)器定義采樣速率，處理轉換結果時(shí)不用標志位輪詢(xún)且不會(huì )發(fā)生軟件延遲等情況。

        在大多數情況下，MSP430F2003 MCU可以在低于1μA的低功耗模式下工作，可以延長(cháng)單個(gè)CR2032 3V 鈕扣電池的使用壽命。使用嵌入式內部低頻振蕩器為計時(shí)器提供時(shí)鐘信號，新的轉換過(guò)程每隔340Ms啟動(dòng)一次。大約3S/S的采樣速率聽(tīng)起來(lái)可能很慢，但考慮到傳感器在人體互動(dòng)應用中的輸出信號頻率極低，這樣的采樣速率足以保證可靠的運動(dòng)檢測。該器件還可以使用快速開(kāi)啟、1MHz的高頻內部時(shí)鐘源，使A/D轉換器每隔1.024ms對每個(gè)采樣進(jìn)行一次轉換。出于降低功耗的考慮，保證轉換時(shí)間盡可能短非常重要，因為內部參考電路及A/D轉換器所消耗的電流占總數的70%。

                 表1詳細列出了該應用的工作電流及平均電流，借此可以清楚了解系統的電流消耗。

        通過(guò)上表可以清楚看到，工作電流的消耗主要來(lái)自 A/D 轉換參考及轉換。但是平均電流主要由傳感器消耗，原因是PIR325傳感器需要幾秒或更長(cháng)的開(kāi)啟穩定時(shí)間，不能讓傳感器電源周期性工作。盡管傳感器必須保持開(kāi)啟狀態(tài)，其電流消耗卻很小，就本設計及軟件流程為例，一般目的的運動(dòng)檢測系統的總體平均電流可以低于10μA。采用標準3V CR2032系統，電池的壽命可以超過(guò)兩年。壓力表 | 密度計 | 轉速計 | 沼氣檢測儀 | 熱像儀 | 煙氣分析儀 | 露點(diǎn)儀 | 測試器 | 壓線(xiàn)鉗 | 測距儀 | 金屬探測器 | PH計 | 記錄儀

         這就是使用標準PIR傳感器的簡(jiǎn)單的運動(dòng)檢測設計，其硬件比較簡(jiǎn)單，軟件為中斷驅動(dòng)程序。增加Fresnel光學(xué)鏡頭提高傳感器方向性，增加基本的繼電器來(lái)驅動(dòng)泛光燈，也可以為安防系統的主機處理器增加通信通道，這樣，一個(gè)完整的終端應用就完成了。誰(shuí)說(shuō)運動(dòng)檢測應用不是簡(jiǎn)單到只需選擇合適的MCU及傳感器呢？