基于PIR的移動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　在鄰居家的私人車道上、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(fù)雜也不很昂貴，但在我們的日常生活中有廣泛的應(yīng)用，它就是移動(dòng)檢測(cè)器。從門邊的保安燈到自動(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(jié)省了我們的金錢。那么，如何用被動(dòng)式紅外(PIR)傳感器來(lái)簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)移動(dòng)檢測(cè)呢？在設(shè)計(jì)這樣的系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該記住兩個(gè)目標(biāo)：一是低功率，二是低成本。兩者都是在設(shè)計(jì)移動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)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(shè)計(jì)選擇的傳感器是Glolab公司的(www.glolab.com)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(jié)構(gòu)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(qiáng)度不同(即熱量發(fā)生變化)導(dǎo)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(cè)量出來(lái)。

　　圖1給出了該傳感器的原理圖和當(dāng)檢測(cè)到紅外輻射發(fā)生變化時(shí)的輸出特性。該傳感器帶有內(nèi)置的光學(xué)濾波器，可以把檢測(cè)到的輻射限制在人體輻射的波長(zhǎng)范圍(8-14μm)內(nèi)。 輻射的變化經(jīng)傳感器內(nèi)部放大后產(chǎn)生可從外部測(cè)到的模擬輸出脈沖。該輸出信號(hào)(在幾微伏到數(shù)十微伏之間，具體數(shù)值依賴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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(hào)放大到可用的范圍，而增加一個(gè)放大級(jí)來(lái)完成這項(xiàng)工作無(wú)疑是可行的方案。這樣的放大級(jí)的增益依賴于后端處理所需要的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法。通?？珊?jiǎn)單地使用比較器來(lái)充當(dāng)AD轉(zhuǎn)換器，其輸出可用于驅(qū)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(zhuǎn)換結(jié)果只能是高或低。對(duì)于要求更高的系統(tǒng)，可以用真正的AD轉(zhuǎn)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(hào)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(cè)方案更小、更便宜，也更易于設(shè)計(jì)和控制。這個(gè)MCU集成了一個(gè)16比特AD轉(zhuǎn)換器，可以提供更高的測(cè)量分辨率并可以降低對(duì)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AD轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的信號(hào)是完全差動(dòng)的。這些特性使我們更易于處理較大的信號(hào)偏移并更易于使傳感器的小信號(hào)輸出與AD轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)范圍相匹配。

3．接口到傳感器和MCU

　　當(dāng)然，傳感器輸出本身不是差動(dòng)的。對(duì)該傳感器的輸出信號(hào)加入直流偏置并把偏置后的信號(hào)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(hào)鏈的細(xì)節(jié)。

　　在這個(gè)配置中，傳感器輸出S通過(guò)一個(gè)時(shí)間常數(shù)較小的反混疊RC濾波器(R1/C1)把感興趣的輸出信號(hào)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(duì)的A(-)輸入端所需要的直流偏置-通過(guò)在A(-)輸入端加入一個(gè)時(shí)間常數(shù)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(hào)濾掉，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)隨VCC自動(dòng)調(diào)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(dú)立的偏置電壓。使用這個(gè)配置，AD轉(zhuǎn)換器輸出的每個(gè)LSB相當(dāng)于大約60 ?V。這個(gè)結(jié)果是假設(shè)內(nèi)部參考電壓為1.2V和PGA增益為16倍計(jì)算得到的：VLSB = [(1.2/2)/16]/(216-1)。雖然許多移動(dòng)/存在檢測(cè)系統(tǒng)可能要求靈敏度達(dá)到1微伏/1LSB的水平(這樣的高分辨率系統(tǒng)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(cè)范圍達(dá)幾十米的通用系統(tǒng)。