基于PIR的移动检测系统的实现

作者: Zack Albus，德州仪器　　

在邻居家的私人车道上、在超市中，或越来越多地，在家庭和工作单位之间的高速公路上，几乎无论走到哪里，你都能找到它。它既不太复杂也不很昂贵，但在我们的日常生活中有广泛的应用，它就是移动检测器。从门边的保安灯到自动照明控制背后的智能电路，我们到处都能看到它的身影，它在让我们感到更安全同时也节省了我们的金钱。那么，如何用被动式红外(PIR)传感器来简单地实现移动检测呢？在设计这样的系统时，应该记住两个目标：一是低功率，二是低成本。两者都是在设计移动检测系统时需要考虑的关键因素。
　　1.选择传感器
　　首先讨论硬件。我们为本设计选择的传感器是Glolab公司的(www.glolab.com)PIR325双元件热释电传感器。从单元件到4元件，市场上有许多不同结构的PIR传感器。它们都基于相同的基本原理：物体发出的红外辐射使某种晶体材料产生电荷。辐射强度不同(即热量发生变化)导致产生的电荷量发生变化，这个变化可以被集成在传感器中的灵敏的FET测量出来。
　　图1给出了该传感器的原理图和当检测到红外辐射发生变化时的输出特性。该传感器带有内置的光学滤波器，可以把检测到的辐射限制在人体辐射的波长范围(8-14?m)内。 辐射的变化经传感器内部放大后产生可从外部测到的模拟输出脉冲。该输出信号(在几微伏到数十微伏之间，具体数值依赖于在传感器和辐射体之间的距离及辐射体的尺寸)与VCC相比仍非常小。要感知的这样小的峰峰变化需要特殊的设计考虑。另外，该输出随VCC的不同而发生幅度不同的偏移。该设计使用3V电池，所产生的输出偏移不超过500mV。

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显然，需要把该信号放大到可用的范围，而增加一个放大级来完成这项工作无疑是可行的方案。这样的放大级的增益依赖于后端处理所需要的模数转换方法。通常可简单地使用比较器来充当AD转换器，其输出可用于驱动继电器或触发微控制器进而采取一些动作，这种方案的转换结果只能是高或低。对于要求更高的系统，可以用真正的AD转换器替代比较器，从而向MCU提供更多的信息并可以进行先进的信号处理。
　　2.选择MCU
　　为了降低成本和功率，我们选择了TI公司的MSP430F2003 MCU，该器件把所有所要求的元件集成在单一芯片上，使我们的移动检测方案更小、更便宜，也更易于设计和控制。这个MCU集成了一个16比特AD转换器，可以提供更高的测量分辨率并可以降低对传感起的增益要求。该MCU的一个更重要的特性或许是包含在AD转换器中并可直接与传感器相连接的可编程增益放大器(PGA)。为使模拟连接更为直接，输入到PGA和AD转换器的信号是完全差动的。这些特性使我们更易于处理较大的信号偏移并更易于使传感器的小信号输出与AD转换器动态范围相匹配。
　　3.接口到传感器和MCU
　　当然，传感器输出本身不是差动的。对该传感器的输出信号加入直流偏置并把偏置后的信号加到反相PGA输入端可以解决这个问题。图2显示了从传感器到MCU的连接电路和模拟信号链的细节。

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在这个配置中，传感器输出S通过一个时间常数较小的反混叠RC滤波器(R1/C1)把感兴趣的输出信号传送到PGA的同相输入端。另外，我们也使用该输出来建立该差动对的A(-)输入端所需要的直流偏置-通过在A(-)输入端加入一个时间常数很大的RC低通滤波器(R2/C2)。足够大的RC不仅将滤掉噪声，也将把感兴趣的信号滤掉，进而产生一个随VCC自动调整直流电平。
　　该电路的优点是无需额外增加电路就可以建立一个独立的偏置电压。使用这个配置，AD转换器输出的每个LSB相当于大约60 ?V。这个结果是假设内部参考电压为1.2V和PGA增益为16倍计算得到的：VLSB = [(1.2/2)/16]/(216-1)。虽然许多移动/存在检测系统可能要求灵敏度达到1微伏/1LSB的水平(这样的高分辨率系统需进一步放大传感器输出)，但使用图2所示的电路可以开发出检测范围达几十米的通用系统。 
　　4.开发软件
　　现在，我们已经定义了模拟接口，下一个关键的设计任务是设计控制该系统的软件。
　　再次强调，两个主要的目标是低成本和低功耗。为满足这两个目标，我们在选择硬件时无疑用了很多心思。这种硬件不仅因模拟/数字混合集成而使成本更低，而且因为集成型器件更易于进行电源管理，功耗也更低。当然，为切实实现设计目标，开发高效的软件也是非常关键的。图3显示了该系统的软件总体流程。
　　该软件的关键是使整个系统由中断驱动。这意味着除非有事要做CPU不执行任何指令。在这种情况下，CPU处于低功耗待机模式并等待两个事件之一：定时器中断(表明将开始一次新的AD转换)或AD转换器中断(表明已得到转换结果)。
　　一旦得到了转换结果，则把它与上次采样相比较。把差值的绝对值与用户定义的设定点比较，如果超过则表明存在移动。总的来说，这个简单的流程可通过内部定时器非常灵活地定义采样速率，而且在处理转换结果时不使用标志轮询或软件延迟。

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　　5.确定功率需求
　　在该系统的工作寿命内，MSP430F2003 MCU大部分时间运行在低于1 ?A的低功耗模式，只需单一的CR2032 3V纽扣电池就可实现长期供电。该系统使用内置的内部低频振荡器作为定时器的时钟，每340ms开始一次新的转换。大约每秒3次采样的采样速率听起来似乎很慢，但由于在人类交感应用中传感器输出信号的变化速度非常慢，这样的低采样速率已足以实现可靠的移动检测。使用可快速启动的高频内部时钟源(频率设定为1MHz)来驱动该AD转换器可使每次采样的转换时间为1.024 ms。从低功耗角度来看，保持转换时间尽可能短是重要的，因为内部参考电压和AD转换器的耗流量占总耗流量的70%以上。
　　为对该系统的耗流情况有更清晰的印象，下表详细列出了该系统各部分的工作电流和平均电流。

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系统总电流将取决于系统的最终方案。从该表可以看到，工作状态的耗流量主要取决于参考电压和AD转换的电流，而平均耗流量主要取决于传感器电流。因为PIR325传感器的接通调整时间(几秒或更长)较长，不能采用对传感器采用周期式通电(power cycling)的方式。尽管该传感器必须保持连续接通，但电流消耗仍然很低。采用这里给出的硬件设计和软件流程，可以实现总平均电流低于10 ?A的通用移动检测系统。如果使用标准的3V CR2032电池，工作时间可超过两年。
　　本文小结
　　到此，我们已经介绍了使用标准PIR传感器设计的一个简单的移动检测器。硬件是简明的，而软件是一个简单的中断驱动型程序。向这个设计中增加一个菲涅耳光学镜片来提高传感器的方向性，增加一个简单的继电器来驱动泛光灯或到宿主处理器的通讯通道(对保安系统)，则可以实现一个完整的末端应用系统。移动检测不过是正确选择MCU和传感器的说法看来并不准确。