基于PIR的運動檢測傳感器解決方案

這種解決方案既不十分復(fù)雜，價格也不昂貴，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。它就是運動檢測器，本文將探討如何使用無源紅外（PIR）傳感器實現(xiàn)簡單的運動檢測器。

我們首先討論硬件。針對本設(shè)計選定的傳感器是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)變化時的輸出特性。傳感器具有一個內(nèi)置的光學(xué)濾波器，能夠?qū)z測到的輻射限制在人體輻射（8～14μm）波長的范圍內(nèi)。

圖1PIR325的信號輸出

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。V_CC信號輸出仍然很小，因此要特別注意設(shè)計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V_CC決定。在此實例中，我們選擇3V電池供電，輸出偏移電壓為500mV。

要將信號放大至可以使用的范圍，使用額外的放大器級來實施是一種切實可行的解決方案。放大器級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)計中通常針對A/D轉(zhuǎn)換采用簡單比較器，其輸出可驅(qū)動繼電器或者觸發(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。對于穩(wěn)定性更高的實施方案而言，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)行高級信號處理。無論是比較器還是低成本的高精度A/D轉(zhuǎn)換器，一般要求其增益級放大1000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，這不僅有助于處理信號的較大偏移，而且還能使傳感器的小信號輸出與A/D轉(zhuǎn)換器動態(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信號。使用傳感器自身的輸出信號來針對反相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RC濾波器（R1/C1）向PGA的非反相輸入端提供所需的輸出信號。另外，可將該輸出信號用于為差分對的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，不僅能夠過濾信號的噪聲，而且還能過濾相關(guān)的信息信號，從而創(chuàng)建可根據(jù)V_CC進(jìn)行自動調(diào)整的DC電平。其優(yōu)勢在于，無需附加電路便可創(chuàng)建獨立的偏移電壓。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算得出：

V_LSB=[（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。

盡管許多運動／現(xiàn)場檢測系統(tǒng)可能需要單數(shù)字位有毫伏級的靈敏度，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。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)計當(dāng)屬第二大重要因素。請謹(jǐn)記，低成本和低功耗是設(shè)計人員需要實現(xiàn)的兩個主要目標(biāo)。所選擇的硬件想要滿足以上目標(biāo)的確尚需時日，因為硬件不僅要通過模擬和數(shù)字集成來實現(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3MCU軟件流程圖

圖3是系統(tǒng)的高級軟件流程圖。軟件的主要作用是保證整個系統(tǒng)由中斷驅(qū)動。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處于低功耗待機模式，等待下面兩個事件之一的發(fā)生：一是新的A/D轉(zhuǎn)換開始時的計時器中斷，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)行對比，差值絕對值再與用戶定義的設(shè)定值進(jìn)行比對，超過此設(shè)定值則表示有物體運動發(fā)生。這個簡單的流程非常靈活，能夠通過內(nèi)部計時器定義采樣速率，處理轉(zhuǎn)換結(jié)果時不用標(biāo)志位輪詢且不會發(fā)生軟件延遲等情況。

在大多數(shù)情況下，MSP430F2003MCU可以在低于1μA的低功耗模式下工作，可以延長單個CR20323V鈕扣電池的使用壽命。使用嵌入式內(nèi)部低頻振蕩器為計時器提供時鐘信號，新的轉(zhuǎn)換過程每隔340Ms啟動一次。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應(yīng)用中的輸出信號頻率極低，這樣的采樣速率足以保證可靠的運動檢測。該器件還可以使用快速開啟、1MHz的高頻內(nèi)部時鐘源，使A/D轉(zhuǎn)換器每隔1.024ms對每個采樣進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換。出于降低功耗的考慮，保證轉(zhuǎn)換時間盡可能短非常重要，因為內(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)計及軟件流程為例，一般目的的運動檢測系統(tǒng)的總體平均電流可以低于10μA。采用標(biāo)準(zhǔn)3VCR2032系統(tǒng)，電池的壽命可以超過兩年。

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