基于PIR325雙元件熱釋電傳感器實(shí)現(xiàn)移動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在鄰居家的私人車道上、在超市中，或越來(lái)越多地，在家庭和工作單位之間的高速公路上，幾乎無(wú)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(dòng)檢測(cè)器。從門(mén)邊的保安燈到自動(dòng)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(shí)也節(jié)省了我們的金錢(qián)。那么，如何用被動(dòng)式紅外（PIR）傳感器來(lái)簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)移動(dòng)檢測(cè)呢？在設(shè)計(jì)這樣的系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該記住兩個(gè)目標(biāo)：一是低功率，二是低成本。兩者都是在設(shè)計(jì)移動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)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(jì)選擇的傳感器是Glolab公司的PIR325雙元件熱釋電傳感器。從單元件到4元件，市場(chǎng)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(qiáng)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(gè)變化可以被集成在傳感器中的靈敏的FET測(cè)量出來(lái)。

圖1給出了該傳感器的原理圖和當(dāng)檢測(cè)到紅外輻射發(fā)生變化時(shí)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(cè)到的輻射限制在人體輻射的波長(zhǎng)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(cè)到的模擬輸出脈沖。該輸出信號(hào)（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(jì)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(jì)使用3V電池，所產(chǎn)生的輸出偏移不超過(guò)500mV。

顯然，需要把該信號(hào)放大到可用的范圍，而增加一個(gè)放大級(jí)來(lái)完成這項(xiàng)工作無(wú)疑是可行的方案。這樣的放大級(jí)的增益依賴于后端處理所需要的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法。通?？珊?jiǎn)單地使用比較器來(lái)充當(dāng)AD轉(zhuǎn)換器，其輸出可用于驅(qū)動(dòng)繼電器或觸發(fā)微控制器進(jìn)而采取一些動(dòng)作，這種方案的轉(zhuǎn)換結(jié)果只能是高或低。對(duì)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(jìn)行先進(jìn)的信號(hào)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(dòng)檢測(cè)方案更小、更便宜，也更易于設(shè)計(jì)和控制。這個(gè)MCU集成了一個(gè)16比特AD轉(zhuǎn)換器，可以提供更高的測(cè)量分辨率并可以降低對(duì)傳感起的增益要求。該MCU的一個(gè)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(hào)是完全差動(dòng)的。這些特性使我們更易于處理較大的信號(hào)偏移并更易于使傳感器的小信號(hào)輸出與AD轉(zhuǎn)換器動(dòng)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(dòng)的。對(duì)該傳感器的輸出信號(hào)加入直流偏置并把偏置后的信號(hào)加到反相PGA輸入端可以解決這個(gè)問(wèn)題。圖2顯示了從傳感器到MCU的連接電路和模擬信號(hào)鏈的細(xì)節(jié)。

在這個(gè)配置中，傳感器輸出S通過(guò)一個(gè)時(shí)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(hào)傳送到PGA的同相輸入端。另外，我們也使用該輸出來(lái)建立該差動(dòng)對(duì)的A（-）輸入端所需要的直流偏置-通過(guò)在A（-）輸入端加入一個(gè)時(shí)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(hào)濾掉，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)隨VCC自動(dòng)調(diào)整直流電平。

該電路的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需額外增加電路就可以建立一個(gè)獨(dú)立的偏置電壓。使用這個(gè)配置，AD轉(zhuǎn)換器輸出的每個(gè)LSB相當(dāng)于大約60 ？V。這個(gè)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(jì)算得到的：VLSB = ［（1.2/2）/16］/（216-1）。雖然許多移動(dòng)/存在檢測(cè)系統(tǒng)可能要求靈敏度達(dá)到1微伏/1LSB的水平（這樣的高分辨率系統(tǒng)需進(jìn)一步放大傳感器輸出），但使用圖2所示的電路可以開(kāi)發(fā)出檢測(cè)范圍達(dá)幾十米的通用系統(tǒng)。

4．開(kāi)發(fā)軟件

現(xiàn)在，我們已經(jīng)定義了模擬接口，下一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)任務(wù)是設(shè)計(jì)控制該系統(tǒng)的軟件。

再次強(qiáng)調(diào)，兩個(gè)主要的目標(biāo)是低成本和低功耗。為滿足這兩個(gè)目標(biāo)，我們?cè)谶x擇硬件時(shí)無(wú)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?yàn)榧尚推骷子谶M(jìn)行電源管理，功耗也更低。當(dāng)然，為切實(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，開(kāi)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(gè)系統(tǒng)由中斷驅(qū)動(dòng)。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(jī)模式并等待兩個(gè)事件之一：定時(shí)器中斷（表明將開(kāi)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(duì)值與用戶定義的設(shè)定點(diǎn)比較，如果超過(guò)則表明存在移動(dòng)?？偟膩?lái)說(shuō)，這個(gè)簡(jiǎn)單的流程可通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器非常靈活地定義采樣速率，而且在處理轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)不使用標(biāo)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(shí)間運(yùn)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(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(shí)器的時(shí)鐘，每340ms開(kāi)始一次新的轉(zhuǎn)換。大約每秒3次采樣的采樣速率聽(tīng)起來(lái)似乎很慢，但由于在人類交感應(yīng)用中傳感器輸出信號(hào)的變化速度非常慢，這樣的低采樣速率已足以實(shí)現(xiàn)可靠的移動(dòng)檢測(cè)。使用可快速啟動(dòng)的高頻內(nèi)部時(shí)鐘源（頻率設(shè)定為1MHz）來(lái)驅(qū)動(dòng)該AD轉(zhuǎn)換器可使每次采樣的轉(zhuǎn)換時(shí)間為1.024 ms。從低功耗角度來(lái)看，保持轉(zhuǎn)換時(shí)間盡可能短是重要的，因?yàn)閮?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(duì)該系統(tǒng)的耗流情況有更清晰的印象，下表詳細(xì)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?yàn)镻IR325傳感器的接通調(diào)整時(shí)間（幾秒或更長(zhǎng)）較長(zhǎng)，不能采用對(duì)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(jì)和軟件流程，可以實(shí)現(xiàn)總平均電流低于10 ？A的通用移動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。如果使用標(biāo)準(zhǔn)的3V CR2032電池，工作時(shí)間可超過(guò)兩年。

本文小結(jié)

到此，我們已經(jīng)介紹了使用標(biāo)準(zhǔn)PIR傳感器設(shè)計(jì)的一個(gè)簡(jiǎn)單的移動(dòng)檢測(cè)器。硬件是簡(jiǎn)明的，而軟件是一個(gè)簡(jiǎn)單的中斷驅(qū)動(dòng)型程序。向這個(gè)設(shè)計(jì)中增加一個(gè)菲涅耳光學(xué)鏡片來(lái)提高傳感器的方向性，增加一個(gè)簡(jiǎn)單的繼電器來(lái)驅(qū)動(dòng)泛光燈或到宿主處理器的通訊通道（對(duì)保安系統(tǒng)），則可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的末端應(yīng)用系統(tǒng)。移動(dòng)檢測(cè)不過(guò)是正確選擇MCU和傳感器的說(shuō)法看來(lái)并不準(zhǔn)確。

責(zé)任編輯：gt