智能的運(yùn)動(dòng)檢測器設(shè)計(jì)

智能的運(yùn)動(dòng)檢測器設(shè)計(jì)

這種解決方案既不十分復(fù)雜，價(jià)格也不昂貴，幾乎無處不在，如鄰居的私人車道、超市，而在住宅和工作場所的走廊上更是應(yīng)用得越來越多。它就是運(yùn)動(dòng)檢測器，本文將探討如何使用無源紅外 (PIR) 傳感器實(shí)現(xiàn)簡單的運(yùn)動(dòng)檢測器。

        我們首先討論硬件。針對(duì)本設(shè)計(jì)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(dǎo)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(xiàn)變化時(shí)的輸出特性。傳感器具有一個(gè)內(nèi)置的光學(xué)濾波器，能夠?qū)�檢測到的輻射限制在人體輻射（8～14μm）波長的范圍內(nèi)。
 

圖1  PIR325的信號(hào)輸出

        可將輻射變化進(jìn)行內(nèi)部放大，并在外部進(jìn)行模擬輸出脈沖的測量。VCC信號(hào)輸出仍然很小，因此要特別注意設(shè)計(jì)方案必須能檢測到幾毫伏甚至幾十微伏這樣細(xì)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(hào)放大至可以使用的范圍，使用額外的放大器級(jí)來實(shí)施是一種切實(shí)可行的解決方案。放大器級(jí)的增益取決于用于后端處理的、最終的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法。設(shè)計(jì)中通常針對(duì)A/D轉(zhuǎn)換采用簡單比較器，其輸出可驅(qū)動(dòng)繼電器或者觸發(fā)微控制器以執(zhí)行某些功能。在這種情況下，僅存在兩種可能的結(jié)果：高電平或低電平。對(duì)于穩(wěn)定性更高的實(shí)施方案而言，可以用高準(zhǔn)確度A/D轉(zhuǎn)換器替代比較器，向MCU提供更多的信息以執(zhí)行高級(jí)信號(hào)處理。無論是比較器還是低成本的高精度A/D轉(zhuǎn)換器，一般要求其增益級(jí)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(shè)計(jì)和控制。我們選定的MCU集成有16位A/D轉(zhuǎn)換器，從而使測量精度更高，而且對(duì)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(zhuǎn)換器中，以便直接進(jìn)行傳感器連接。要使模擬連接更簡單直接，PGA及A/D轉(zhuǎn)換器的輸入應(yīng)為全差動(dòng)，這不僅有助于處理信號(hào)的較大偏移，而且還能使傳感器的小信號(hào)輸出與A/D轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)范圍的匹配最大化。

        當(dāng)然，傳感器自身的輸出并不是差動(dòng)信號(hào)。使用傳感器自身的輸出信號(hào)來針對(duì)反相PGA輸入創(chuàng)建DC偏置可以解決這一問題。圖2給出了傳感器與 MCU及模擬信號(hào)鏈相連的詳細(xì)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(hào)RC濾波器(R1/C1)向PGA的非反相輸入端提供所需的輸出信號(hào)。另外，可將該輸出信號(hào)用于為差分對(duì)的A輸入端創(chuàng)建所需的DC偏壓，這可通過在A輸入端使用較大型RC低通濾波器(R2/C2)來完成。RC濾波器足夠大時(shí)，不僅能夠過濾信號(hào)的噪聲，而且還能過濾相關(guān)的信息信號(hào)，從而創(chuàng)建可根據(jù)VCC進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整的DC電平。其優(yōu)勢(shì)在于，無需附加電路便可創(chuàng)建獨(dú)立的偏移電壓。該配置的A/D轉(zhuǎn)換器輸出約為60μV/LSB，這一結(jié)果是基于如下條件計(jì)算得出：

VLSB=[(1.2/2)/16]/[216-1]    (1)

       其中，內(nèi)部參考電壓為1.2V、PGA增益為16倍。

         盡管許多運(yùn)動(dòng)／現(xiàn)場檢測系統(tǒng)可能需要單數(shù)字位有毫伏級(jí)的靈敏度，但檢測范圍為幾十米的通用系統(tǒng)也可采用圖2所示的設(shè)計(jì)。由于這些系統(tǒng)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(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)當(dāng)屬第二大重要因素。請(qǐng)謹(jǐn)記，低成本和低功耗是設(shè)計(jì)人員需要實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)主要目標(biāo)。所選擇的硬件想要滿足以上目標(biāo)的確尚需時(shí)日，因?yàn)橛布�不僅要通過模擬和數(shù)字集成來實(shí)現(xiàn)低成本，而且還要使集成組件的電源管理簡便易行，以實(shí)現(xiàn)低功耗。但是，高效率的軟件開發(fā)是達(dá)到上述目標(biāo)的關(guān)鍵。
 

圖3  MCU 軟件流程圖

        圖3是系統(tǒng)的高級(jí)軟件流程圖。軟件的主要作用是保證整個(gè)系統(tǒng)由中斷驅(qū)動(dòng)。這意味著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(jī)模式，等待下面兩個(gè)事件之一的發(fā)生：一是新的 A/D 轉(zhuǎn)換開始時(shí)的計(jì)時(shí)器中斷，二是表示結(jié)果就緒的A/D中斷。

        結(jié)果就緒后將與最后的采樣進(jìn)行對(duì)比，差值絕對(duì)值再與用戶定義的設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)，超過此設(shè)定值則表示有物體運(yùn)動(dòng)發(fā)生。這個(gè)簡單的流程非常靈活，能夠通過內(nèi)部計(jì)時(shí)器定義采樣速率，處理轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)不用標(biāo)志位輪詢且不會(huì)發(fā)生軟件延遲等情況。

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

                 表1詳細(xì)列出了該應(yīng)用的工作電流及平均電流，借此可以清楚了解系統(tǒng)的電流消耗。

        通過上表可以清楚看到，工作電流的消耗主要來自 A/D 轉(zhuǎn)換參考及轉(zhuǎn)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的開啟穩(wěn)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啟狀態(tài)，其電流消耗卻很小，就本設(shè)計(jì)及軟件流程為例，一般目的的運(yùn)動(dòng)檢測系統(tǒng)的總體平均電流可以低于10μA。采用標(biāo)準(zhǔn)3V CR2032系統(tǒng)，電池的壽命可以超過兩年。壓力表 | 密度計(jì) | 轉(zhuǎn)速計(jì) | 沼氣檢測儀 | 熱像儀 | 煙氣分析儀 | 露點(diǎn)儀 | 測試器 | 壓線鉗 | 測距儀 | 金屬探測器 | PH計(jì) | 記錄儀

         這就是使用標(biāo)準(zhǔn)PIR傳感器的簡單的運(yùn)動(dòng)檢測設(shè)計(jì)，其硬件比較簡單，軟件為中斷驅(qū)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驅(qū)動(dòng)泛光燈，也可以為安防系統(tǒng)的主機(jī)處理器增加通信通道，這樣，一個(gè)完整的終端應(yīng)用就完成了。誰說運(yùn)動(dòng)檢測應(yīng)用不是簡單到只需選擇合適的MCU及傳感器呢？