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智能的运动检测器设计

2010-07-26 17:24
默菲
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        这种解决方案既不十分复杂,价格也不昂贵,几乎无处不在,如邻居的私人车道、超市,而在住宅和工作场所的走廊上更是应用得越来越多。它就是运动检测器,本文将探讨如何使用无源红外 (PIR) 传感器实现简单的运动检测器。

        我们首先讨论硬件。针对本设计选定的传感器是PIR325双元件热释传感器。从单元件到四元件,市面上有多种PIR传感器可供选择。每种产品的基本原理相同:晶体材料在红外线的辐射下产生电荷,辐射情况的变化(即热量的变化)会导致电荷的变化,而集成了高灵敏度FET元件的传感器可以感知到这些变化。

        图1 显示了传感器检测到红外辐射出现变化时的输出特性。传感器具有一个内置的光学滤波器,能够将检测到的辐射限制在人体辐射(8~14μm)波长的范围内。
 


图1  PIR325的信号输出


        可将辐射变化进行内部放大,并在外部进行模拟输出脉冲的测量。VCC信号输出仍然很小,因此要特别注意设计方案必须能检测到几毫伏甚至几十微伏这样细微的峰至峰变化,但这要取决于传感器与辐射体之间的距离以及辐射体的大小。此外,输出偏移电压由VCC决定。在此实例中,我们选择3V电池供电,输出偏移电压为500mV。

        要将信号放大至可以使用的范围,使用额外的放大器级来实施是一种切实可行的解决方案。放大器级的增益取决于用于后端处理的、最终的模数转换方法。设计中通常针对A/D转换采用简单比较器,其输出可驱动继电器或者触发微控制器以执行某些功能。在这种情况下,仅存在两种可能的结果:高电平或低电平。对于稳定性更高的实施方案而言,可以用高准确度A/D转换器替代比较器,向MCU提供更多的信息以执行高级信号处理。无论是比较器还是低成本的高精度A/D转换器,一般要求其增益级放大1 000倍或以上。

        为了降低成本和功耗,我们选用了单芯片 MCU,它集成了所有必需的元件,这使解决方案具有更小的体积、更低的成本、更易于设计和控制。我们选定的MCU集成有16位A/D转换器,从而使测量精度更高,而且对传感器的增益需求较低。MCU较重要的特性很可能是将集成可编程增益放大器(PGA)嵌入到A/D转换器中,以便直接进行传感器连接。要使模拟连接更简单直接,PGA及A/D转换器的输入应为全差动,这不仅有助于处理信号的较大偏移,而且还能使传感器的小信号输出与A/D转换器动态范围的匹配最大化。

        当然,传感器自身的输出并不是差动信号。使用传感器自身的输出信号来针对反相PGA输入创建DC偏置可以解决这一问题。图2给出了传感器与 MCU及模拟信号链相连的详细图示。
 


图2  模拟输入配置


        在该案例的配置中,可用传感器的源极输出S经由小型抗混淆信号RC滤波器(R1/C1)向PGA的非反相输入端提供所需的输出信号。另外,可将该输出信号用于为差分对的A输入端创建所需的DC偏压,这可通过在A输入端使用较大型RC低通滤波器(R2/C2)来完成。RC滤波器足够大时,不仅能够过滤信号的噪声,而且还能过滤相关的信息信号,从而创建可根据VCC进行自动调整的DC电平。其优势在于,无需附加电路便可创建独立的偏移电压。该配置的A/D转换器输出约为60μV/LSB,这一结果是基于如下条件计算得出:

VLSB=[(1.2/2)/16]/[216-1]    (1)

       其中,内部参考电压为1.2V、PGA增益为16倍。

 

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