這種解決方案既不十分復雜，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)。 可將輻射變化進行內(nèi)部放大，并在外部進行模擬輸出脈沖的測量。V[sub]CC[/sub]信號輸出仍然很小，因此要特別注意設計方案必須能檢測到幾毫伏甚至幾十微伏這樣細微的峰至峰變化，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[sub]CC[/sub]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圖示。 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，而且還能過濾相關的信息信號，從而創(chuàng)建可根據(jù)V[sub]CC[/sub]進行自動調(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，這一結果是基于如下條件計算得出： V[sub]LSB[/sub]=[（1.2/2）/16]/[2[sup]16[/sup]-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)的軟件設計當屬第二大重要因素。請謹記，低成本和低功耗是設計人員需要實現(xiàn)的兩個主要目標。所選擇的硬件 想要滿足以上目標的確尚需時日，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)是達到上述目標的關鍵。 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，二是表示結果就緒的A/D中斷。 結果就緒后將與最后的采樣進行對比，差值絕對值再與用戶定義的設定值進行比對，超過此設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)換結果時不用標志位輪詢且不會發(fā)生軟件延遲等情況。 在大多數(shù)情況下，MSP430F2003 MCU可以在低于1μA的低功耗模式下工作，可以延長單個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詳細列出了該應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。采用標準3V CR2032系統(tǒng)，電池的壽命可以超過兩年。 這就是使用標準PIR傳感器的簡單的運動檢測設計，其硬件比較簡單，軟件為中斷驅(qū)動程序。增加Fresnel光學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，一個完整的終端應用就完成了。誰說運動檢測應用不是簡單到只需選擇合適的MCU及傳感器呢？