基于ATtiny1627 MCU的運(yùn)動(dòng)感應(yīng)器

我有一位管理系內(nèi)電子實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)室工程師朋友。他解決的問(wèn)題之一是計(jì)算房間內(nèi)的學(xué)生人數(shù)，以便量化實(shí)驗(yàn)室的使用情況。有很多方法可以解決這個(gè)問(wèn)題——視覺(jué)攝像頭、雷達(dá)傳感器、門(mén)開(kāi)關(guān)等……但是，該解決方案還必須符合有關(guān)隱私的法律，并且可以在不損壞實(shí)驗(yàn)室空間的情況下進(jìn)行安裝——這意味著一些解決方案，例如視覺(jué)相機(jī)，幾乎立即離開(kāi)了桌子。

雖然他已經(jīng)退休，但這個(gè)問(wèn)題仍然是一個(gè)有趣的練習(xí)。解決此問(wèn)題的一種可能方法是使用無(wú)源紅外 (PIR) 傳感器。PIR 傳感器被動(dòng)地吸收傳感器視場(chǎng)中的紅外輻射。當(dāng)環(huán)境中的紅外線量發(fā)生變化時(shí)，傳感器的輸出也會(huì)發(fā)生變化。這表現(xiàn)為大直流偏置上的小交流信號(hào)。通過(guò)監(jiān)測(cè)抵消直流偏移的差分電壓，可以檢測(cè)到環(huán)境的變化。

所述微控制器ATtiny1627家族包含帶有可編程增益放大器（PGA）差動(dòng)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC） ，其可提供此傳感器敏感的模擬接口。ATtiny1627 系列中的 ADC 通過(guò)過(guò)采樣可以達(dá)到 17 位的最大分辨率，但它通常用于 12 位分辨率。

模擬傳感器調(diào)節(jié)和接口
標(biāo)準(zhǔn)單端 ADC 無(wú)法直接可靠地測(cè)量 PIR 傳感器。交流信號(hào)（當(dāng)存在時(shí)）非常小，直流偏置非常大。對(duì)此的一種解決方案是將 PIR 傳感器輸出視為差分信號(hào)，而不是相對(duì)于地面測(cè)量的信號(hào)。

在信號(hào)進(jìn)入ATtiny1627進(jìn)行差分放大和測(cè)量之前，兩個(gè) RC 低通濾波器（以不同的滾降頻率）用于創(chuàng)建差分信號(hào)的“正”和“負(fù)”分量。

正側(cè) RC 濾波器由一個(gè) 470kΩ 歐姆電阻器和一個(gè) 100nF 電容器構(gòu)成，截止頻率為 3.38Hz。該濾波器讓來(lái)自 PIR 傳感器的交流信號(hào)和直流偏置一起通過(guò)，同時(shí)阻止高頻噪聲。

負(fù)側(cè) RC 濾波器由一個(gè) 470kΩ 電阻器和一個(gè) 2.2μF 電容器構(gòu)成，截止頻率為 0.154Hz。該濾波器旨在通過(guò)直流偏置，同時(shí)拒絕來(lái)自被動(dòng)紅外傳感器的交流信號(hào)。

兩個(gè)低通濾波器創(chuàng)建了一個(gè)有效的帶通濾波器——低于兩個(gè)濾波器截止頻率的頻率出現(xiàn)在兩個(gè)輸入端（減去濾波器的任何損耗）。由于 ADC 是差分的，因此這些信號(hào)被減去。高于兩個(gè)截止頻率的信號(hào)會(huì)被 RC 濾波器嚴(yán)重衰減，從而最大限度地減少它們的影響。最后，被一個(gè)濾波器衰減并被另一個(gè)濾波器通過(guò)的信號(hào)將是最強(qiáng)的輸入信號(hào)。下圖顯示了MPLAB? Mindi? 模擬仿真器中濾波器響應(yīng)的仿真。

軟件操作
啟動(dòng)時(shí)，ATtiny1627 會(huì)初始化正在使用的外設(shè)：

• 帶 PGA 的差分 ADC
• 周期性中斷定時(shí)器 (PIT)
• 事件系統(tǒng) (EVSYS)
• USART（用于串行通信，如果啟用）

然后微控制器進(jìn)入預(yù)熱階段，在該階段初始化設(shè)備上的 2 個(gè)數(shù)字濾波器——一個(gè)短期平均濾波器和一個(gè)長(zhǎng)期平均濾波器。這些過(guò)濾器用于檢測(cè)隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)。在預(yù)熱期間，LED 以 1Hz 的頻率閃爍。

初始化外圍設(shè)備和數(shù)字濾波器后，微控制器進(jìn)入睡眠狀態(tài)。在睡眠狀態(tài)下，微控制器的功耗非常低，從而延長(zhǎng)了電池壽命（有關(guān)各種設(shè)置下功耗的更多信息，請(qǐng)參閱應(yīng)用說(shuō)明）。通過(guò)事件系統(tǒng)中連接的 PIT 信號(hào)定期觸發(fā) ADC，而不會(huì)喚醒微控制器。

執(zhí)行轉(zhuǎn)換后，ADC 通過(guò)觸發(fā)中斷喚醒微控制器。微控制器使用來(lái)自 ADC 的值更新數(shù)字濾波器。為了確定是否發(fā)生了運(yùn)動(dòng)，微控制器會(huì)比較長(zhǎng)期和短期濾波器之間的差異，以查看是否超過(guò)了閾值。如果超過(guò)閾值，則檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)，并且 LED I/O 線連接到來(lái)自 PIT 的 4 Hz 信號(hào)。

修改 PIR 傳感器板
為了演示此應(yīng)用，使用 MikroE 的 PIR Click Board? 作為起點(diǎn)。該板對(duì) PIR 傳感器的輸出進(jìn)行過(guò)濾、放大和測(cè)量（通過(guò)內(nèi)置的 ADC）。但是，ATtiny1627 不需要這些部件中的大部分——2 個(gè)運(yùn)算放大器、6 個(gè)電阻器和 4 個(gè)電容器可以通過(guò)使用帶有 PGA 的內(nèi)部差分 ADC 從該板的部件列表中刪除。（注意：這些說(shuō)明還刪除了包含的 12 位 ADC 和相關(guān)組件。）

警告：修改開(kāi)發(fā)板風(fēng)險(xiǎn)自負(fù)！

首先，從點(diǎn)擊板上移除以下部件：

• R2、R3、R4、R5、R7、R8、R9、R10、R11 和 R12 - （可選）也可以移除 R1 以節(jié)省電量
• U2和U3
• C1、C2、C3、C6 和 C7

然后，將以下部分添加到封裝中：

• R5 = 470kΩ 電阻
• R8 = 100nF 電容
• R11 = 470kΩ 電阻
• C1 = 2.2μF 電容

安裝完所有部件后，添加以下跳線和短褲（有關(guān)視覺(jué)指南，請(qǐng)參見(jiàn)下圖）：

• J1：將 R11 的右側(cè)連接到 C4 的頂部焊盤(pán)
• J2：將 R4 的頂部焊盤(pán)連接到接頭的右上方引腳（標(biāo)記為 NC）
• J3：短接U3右側(cè)底部?jī)蓚€(gè)焊盤(pán)
• J4：短接U3左側(cè)中間兩個(gè)焊盤(pán)
• J5：將 C1 的頂部焊盤(pán)連接到接頭的左上方引腳（標(biāo)記為 AN）

設(shè)置演示
關(guān)閉電源，插入修改后的板子和 ATtiny1627 Curiosity Nano，如圖：

接下來(lái)，使用 USB 電纜將 Curiosity Nano 連接到您的 PC。

好奇心納米編程
首先，從 Github 獲取代碼示例的副本，然后解壓縮下載的文件夾。啟動(dòng) Microchip Studio（以前稱為 Atmel Studio）并打開(kāi)項(xiàng)目。編譯和編程 ATtiny1627。如果一切順利，在傳感器前揮手或走動(dòng)應(yīng)該會(huì)導(dǎo)致板上 LED 閃爍。

程序選項(xiàng)
在此程序中，可以啟用或調(diào)整一些設(shè)置以進(jìn)行調(diào)試或與其他 PIR 傳感器連接：

• PIR_OVERSAMPLE_RATE – 設(shè)置喚醒前 ADC 收集的樣本數(shù)量。影響 ADC 的分辨率和噪聲抑制。
• PIR_SAMPLE_RATE_PER_SECOND – 設(shè)置喚醒 ADC 以收集樣本的次數(shù)。影響應(yīng)用程序的延遲。
• PIR_PGA_GAIN – 設(shè)置 ADC 內(nèi)部 PGA 的增益。更改此值將影響信號(hào)的比例。
• PIR_DETECTION_THRESHOLD – 設(shè)置檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的閾值。如果傳感器檢測(cè)不到運(yùn)動(dòng)，或檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)時(shí)沒(méi)有運(yùn)動(dòng)，則應(yīng)調(diào)整此值。
• PIR_WARMUP_TIME_MS – 如果需要，設(shè)置 PIR 傳感器預(yù)熱的延遲時(shí)間。
• PIR_LONG_TERM_FILTER_RANGE – 設(shè)置長(zhǎng)期濾波器平均使用的樣本數(shù)。
• PIR_SHORT_TERM_FILTER_RANGE – 設(shè)置短期濾波器平均使用的樣本數(shù)。
• PIR_DEBUG_MESSAGES – 取消注釋時(shí)，此宏啟用到 PC 的 UART 調(diào)試消息。MPLAB Data Visualizer 可用于查看該數(shù)據(jù)（見(jiàn)下節(jié)）。
• 使用 MPLAB Data Visualizer 進(jìn)行調(diào)試
• MPLAB Data Visualizer 是一個(gè)免費(fèi)插件，可在終端窗口或圖形中顯示來(lái)自虛擬 COM 端口的數(shù)據(jù)。在此應(yīng)用中，啟用 PIR_DEBUG_MESSAGES 將導(dǎo)致 ATtiny1627 微控制器通過(guò)板載編程器向 PC 發(fā)送數(shù)據(jù)。

使用 MPLAB Data Visualizer 進(jìn)行調(diào)試
MPLAB Data Visualizer 是一個(gè)免費(fèi)插件，可在終端窗口或圖形中顯示來(lái)自虛擬 COM 端口的數(shù)據(jù)。在此應(yīng)用中，啟用 PIR_DEBUG_MESSAGES 將導(dǎo)致 ATtiny1627 微控制器通過(guò)板載編程器向 PC 發(fā)送數(shù)據(jù)。