基于PIR傳感器的移動(dòng)檢測系統的實(shí)現研究

　　在鄰居家的私人車(chē)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。它既不太復雜也不很昂貴，但在我們的日常生活中有廣泛的應用，它就是移動(dòng)檢測器。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)現移動(dòng)檢測呢？在設計這樣的系統時(shí)，應該記住兩個(gè)目標：一是低功率，二是低成本。兩者都是在設計移動(dòng)檢測系統時(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計選擇的傳感器是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)上有許多不同結構的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測量出來(lái)。

　　圖1給出了該傳感器的原理圖和當檢測到紅外輻射發(fā)生變化時(shí)的輸出特性。該傳感器帶有內置的光學(xué)濾波器，可以把檢測到的輻射限制在人體輻射的波長(cháng)范圍(8-14?m)內。 輻射的變化經(jīng)傳感器內部放大后產(chǎn)生可從外部測到的模擬輸出脈沖。該輸出信號(在幾微伏到數十微伏之間，具體數值依賴(lài)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。該設計使用3V電池，所產(chǎn)生的輸出偏移不超過(guò)500mV。

　　顯然，需要把該信號放大到可用的范圍，而增加一個(gè)放大級來(lái)完成這項工作無(wú)疑是可行的方案。這樣的放大級的增益依賴(lài)于后端處理所需要的模數轉換方法。通?？珊?jiǎn)單地使用比較器來(lái)充當AD轉換器，其輸出可用于驅動(dòng)繼電器或觸發(fā)微控制器進(jìn)而采取一些動(dòng)作，這種方案的轉換結果只能是高或低。對于要求更高的系統，可以用真正的AD轉換器替代比較器，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)檢測方案更小、更便宜，也更易于設計和控制。這個(gè)MCU集成了一個(gè)16比特AD轉換器，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(gè)更重要的特性或許是包含在A(yíng)D轉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轉換器的信號是完全差動(dòng)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轉換器動(dòng)態(tài)范圍相匹配。

　　3．接口到傳感器和MCU

　　當然，傳感器輸出本身不是差動(dòng)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(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鏈的細節。

　　在這個(gè)配置中，傳感器輸出S通過(guò)一個(gè)時(shí)間常數較小的反混疊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(lái)建立該差動(dòng)對的A(-)輸入端所需要的直流偏置-通過(guò)在A(yíng)(-)輸入端加入一個(gè)時(shí)間常數很大的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(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)隨VCC自動(dòng)調整直流電平。

　　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)獨立的偏置電壓。使用這個(gè)配置，AD轉換器輸出的每個(gè)LSB相當于大約60 ?V。這個(gè)結果是假設內部參考電壓為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(dòng)/存在檢測系統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)出檢測范圍達幾十米的通用系統。

　　4．開(kāi)發(fā)軟件

　　現在，我們已經(jīng)定義了模擬接口，下一個(gè)關(guān)鍵的設計任務(wù)是設計控制該系統的軟件。

　　再次強調，兩個(gè)主要的目標是低成本和低功耗。為滿(mǎn)足這兩個(gè)目標，我們在選擇硬件時(shí)無(wú)疑用了很多心思。這種硬件不僅因模擬/數字混合集成而使成本更低，而且因為集成型器件更易于進(jìn)行電源管理，功耗也更低。當然，為切實(shí)實(shí)現設計目標，開(kāi)發(fā)高效的軟件也是非常關(guān)鍵的。圖3顯示了該系統的軟件總體流程。

　　該軟件的關(guān)鍵是使整個(gè)系統由中斷驅動(dòng)。這意味著(zhù)除非有事要做CPU不執行任何指令。在這種情況下，CPU處于低功耗待機模式并等待兩個(gè)事件之一：定時(shí)器中斷(表明將開(kāi)始一次新的AD轉換)或AD轉換器中斷(表明已得到轉換結果)。

　　一旦得到了轉換結果，則把它與上次采樣相比較。把差值的絕對值與用戶(hù)定義的設定點(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)內部定時(shí)器非常靈活地定義采樣速率，而且在處理轉換結果時(shí)不使用標志輪詢(xún)或軟件延遲。

　　5．確定功率需求

　　在該系統的工作壽命內，MSP430F2003 MCU大部分時(shí)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(shí)現長(cháng)期供電。該系統使用內置的內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(lèi)交感應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(shí)現可靠的移動(dòng)檢測。使用可快速啟動(dòng)的高頻內部時(shí)鐘源(頻率設定為1MHz)來(lái)驅動(dòng)該AD轉換器可使每次采樣的轉換時(shí)間為1.024 ms。從低功耗角度來(lái)看，保持轉換時(shí)間盡可能短是重要的，因為內部參考電壓和AD轉換器的耗流量占總耗流量的70%以上。

　　為對該系統的耗流情況有更清晰的印象，下表詳細列出了該系統各部分的工作電流和平均電流。

　　系統總電流將取決于系統的最終方案。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傳感器的接通調整時(shí)間(幾秒或更長(cháng))較長(cháng)，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接通，但電流消耗仍然很低。采用這里給出的硬件設計和軟件流程，可以實(shí)現總平均電流低于10 ?A的通用移動(dòng)檢測系統。如果使用標準的3V CR2032電池，工作時(shí)間可超過(guò)兩年。

　　本文小結

　　到此，我們已經(jīng)介紹了使用標準PIR傳感器設計的一個(gè)簡(jiǎn)單的移動(dòng)檢測器。硬件是簡(jiǎn)明的，而軟件是一個(gè)簡(jiǎn)單的中斷驅動(dòng)型程序。向這個(gè)設計中增加一個(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)驅動(dòng)泛光燈或到宿主處理器的通訊通道(對保安系統)，則可以實(shí)現一個(gè)完整的末端應用系統。移動(dòng)檢測不過(guò)是正確選擇MCU和傳感器的說(shuō)法看來(lái)并不準確。