作者: Zack Albus，德州儀器
在鄰居家的私人車道上、在超市中，或越來越多地，在家庭和工作單位之間的高速公路上，幾乎無論走到哪里，你都能找到它。它既不太復(fù)雜也不很昂貴，但在我們的日常生活中有廣泛的應(yīng)用，它就是移動檢測器。從門邊的保安燈到自動照明控制背后的智能電路，我們到處都能看到它的身影，它在讓我們感到更安全同時也節(jié)省了我們的金錢。那么，如何用被動式紅外(PIR)傳感器來簡單地實現(xiàn)移動檢測呢？在設(shè)計這樣的系統(tǒng)時，應(yīng)該記住兩個目標：一是低功率，二是低成本。兩者都是在設(shè)計移動檢測系統(tǒng)時需要考慮的關(guān)鍵因素。
1．選擇傳感器
首先討論硬件。我們?yōu)楸驹O(shè)計選擇的傳感器是Glolab公司的(www.glolab.com)PIR325雙元件熱釋電傳感器。從單元件到4元件，市場上有許多不同結(jié)構(gòu)的PIR傳感器。它們都基于相同的基本原理：物體發(fā)出的紅外輻射使某種晶體材料產(chǎn)生電荷。輻射強度不同(即熱量發(fā)生變化)導(dǎo)致產(chǎn)生的電荷量發(fā)生變化，這個變化可以被集成在傳感器中的靈敏的FET測量出來。
圖1給出了該傳感器的原理圖和當(dāng)檢測到紅外輻射發(fā)生變化時的輸出特性。該傳感器帶有內(nèi)置的光學(xué)濾波器，可以把檢測到的輻射限制在人體輻射的波長范圍(8-14?m)內(nèi)。 輻射的變化經(jīng)傳感器內(nèi)部放大后產(chǎn)生可從外部測到的模擬輸出脈沖。該輸出信號(在幾微伏到數(shù)十微伏之間，具體數(shù)值依賴于在傳感器和輻射體之間的距離及輻射體的尺寸)與VCC相比仍非常小。要感知的這樣小的峰峰變化需要特殊的設(shè)計考慮。另外，該輸出隨VCC的不同而發(fā)生幅度不同的偏移。該設(shè)計使用3V電池，所產(chǎn)生的輸出偏移不超過500mV。
顯然，需要把該信號放大到可用的范圍，而增加一個放大級來完成這項工作無疑是可行的方案。這樣的放大級的增益依賴于后端處理所需要的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法。通常可簡單地使用比較器來充當(dāng)AD轉(zhuǎn)換器，其輸出可用于驅(qū)動繼電器或觸發(fā)微控制器進而采取一些動作，這種方案的轉(zhuǎn)換結(jié)果只能是高或低。對于要求更高的系統(tǒng)，可以用真正的AD轉(zhuǎn)換器替代比較器，從而向MCU提供更多的信息并可以進行先進的信號處理。
2．選擇MCU
為了降低成本和功率，我們選擇了TI公司的MSP430F2003 MCU，該器件把所有所要求的元件集成在單一芯片上，使我們的移動檢測方案更小、更便宜，也更易于設(shè)計和控制。這個MCU集成了一個16比特AD轉(zhuǎn)換器，可以提供更高的測量分辨率并可以降低對傳感起的增益要求。該MCU的一個更重要的特性或許是包含在AD轉(zhuǎn)換器中并可直接與傳感器相連接的可編程增益放大器(PGA)。為使模擬連接更為直接，輸入到PGA和AD轉(zhuǎn)換器的信號是完全差動的。這些特性使我們更易于處理較大的信號偏移并更易于使傳感器的小信號輸出與AD轉(zhuǎn)換器動態(tài)范圍相匹配。
3．接口到傳感器和MCU
當(dāng)然，傳感器輸出本身不是差動的。對該傳感器的輸出信號加入直流偏置并把偏置后的信號加到反相PGA輸入端可以解決這個問題。圖2顯示了從傳感器到MCU的連接電路和模擬信號鏈的細節(jié)。
在這個配置中，傳感器輸出S通過一個時間常數(shù)較小的反混疊RC濾波器(R1/C1)把感興趣的輸出信號傳送到PGA的同相輸入端。另外，我們也使用該輸出來建立該差動對的A(-)輸入端所需要的直流偏置-通過在A(-)輸入端加入一個時間常數(shù)很大的RC低通濾波器(R2/C2)。足夠大的RC不僅將濾掉噪聲，也將把感興趣的信號濾掉，進而產(chǎn)生一個隨VCC自動調(diào)整直流電平。
該電路的優(yōu)點是無需額外增加電路就可以建立一個獨立的偏置電壓。使用這個配置，AD轉(zhuǎn)換器輸出的每個LSB相當(dāng)于大約60 ?V。這個結(jié)果是假設(shè)內(nèi)部參考電壓為1.2V和PGA增益為16倍計算得到的：VLSB = [(1.2/2)/16]/(216-1)。雖然許多移動/存在檢測系統(tǒng)可能要求靈敏度達到1微伏/1LSB的水平(這樣的高分辨率系統(tǒng)需進一步放大傳感器輸出)，但使用圖2所示的電路可以開發(fā)出檢測范圍達幾十米的通用系統(tǒng)。
4．開發(fā)軟件
現(xiàn)在，我們已經(jīng)定義了模擬接口，下一個關(guān)鍵的設(shè)計任務(wù)是設(shè)計控制該系統(tǒng)的軟件。
再次強調(diào)，兩個主要的目標是低成本和低功耗。為滿足這兩個目標，我們在選擇硬件時無疑用了很多心思。這種硬件不僅因模擬/數(shù)字混合集成而使成本更低，而且因為集成型器件更易于進行電源管理，功耗也更低。當(dāng)然，為切實實現(xiàn)設(shè)計目標，開發(fā)高效的軟件也是非常關(guān)鍵的。圖3顯示了該系統(tǒng)的軟件總體流程。
該軟件的關(guān)鍵是使整個系統(tǒng)由中斷驅(qū)動。這意味著除非有事要做CPU不執(zhí)行任何指令。在這種情況下，CPU處于低功耗待機模式并等待兩個事件之一：定時器中斷(表明將開始一次新的AD轉(zhuǎn)換)或AD轉(zhuǎn)換器中斷(表明已得到轉(zhuǎn)換結(jié)果)。
一旦得到了轉(zhuǎn)換結(jié)果，則把它與上次采樣相比較。把差值的絕對值與用戶定義的設(shè)定點比較，如果超過則表明存在移動。總的來說，這個簡單的流程可通過內(nèi)部定時器非常靈活地定義采樣速率，而且在處理轉(zhuǎn)換結(jié)果時不使用標志輪詢或軟件延遲。
5．確定功率需求
在該系統(tǒng)的工作壽命內(nèi)，MSP430F2003 MCU大部分時間運行在低于1 ?A的低功耗模式，只需單一的CR2032 3V紐扣電池就可實現(xiàn)長期供電。該系統(tǒng)使用內(nèi)置的內(nèi)部低頻振蕩器作為定時器的時鐘，每340ms開始一次新的轉(zhuǎn)換。大約每秒3次采樣的采樣速率聽起來似乎很慢，但由于在人類交感應(yīng)用中傳感器輸出信號的變化速度非常慢，這樣的低采樣速率已足以實現(xiàn)可靠的移動檢測。使用可快速啟動的高頻內(nèi)部時鐘源(頻率設(shè)定為1MHz)來驅(qū)動該AD轉(zhuǎn)換器可使每次采樣的轉(zhuǎn)換時間為1.024 ms。從低功耗角度來看，保持轉(zhuǎn)換時間盡可能短是重要的，因為內(nèi)部參考電壓和AD轉(zhuǎn)換器的耗流量占總耗流量的70%以上。
為對該系統(tǒng)的耗流情況有更清晰的印象，下表詳細列出了該系統(tǒng)各部分的工作電流和平均電流。
系統(tǒng)總電流將取決于系統(tǒng)的最終方案。從該表可以看到，工作狀態(tài)的耗流量主要取決于參考電壓和AD轉(zhuǎn)換的電流，而平均耗流量主要取決于傳感器電流。因為PIR325傳感器的接通調(diào)整時間(幾秒或更長)較長，不能采用對傳感器采用周期式通電(power cycling)的方式。盡管該傳感器必須保持連續(xù)接通，但電流消耗仍然很低。采用這里給出的硬件設(shè)計和軟件流程，可以實現(xiàn)總平均電流低于10 ?A的通用移動檢測系統(tǒng)。如果使用標準的3V CR2032電池，工作時間可超過兩年。
本文小結(jié)
到此，我們已經(jīng)介紹了使用標準PIR傳感器設(shè)計的一個簡單的移動檢測器。硬件是簡明的，而軟件是一個簡單的中斷驅(qū)動型程序。向這個設(shè)計中增加一個菲涅耳光學(xué)鏡片來提高傳感器的方向性，增加一個簡單的繼電器來驅(qū)動泛光燈或到宿主處理器的通訊通道(對保安系統(tǒng))，則可以實現(xiàn)一個完整的末端應(yīng)用系統(tǒng)。移動檢測不過是正確選擇MCU和傳感器的說法看來并不準確。