2012年10月4日 星期四

基於 PIR 的運動檢測

http://www.ti.com.cn/general/cn/docs/gencontent.tsp?contentId=50740
基於 PIR 的運動檢測 (感測器解決方案)   作者:Zack Albus (MSP430 應用 )

Keyword : PIR 運動檢測 焦電型 人體紅外線感測器 無源紅外線 (PIR) 感測器

      這種解決方案幾乎無處不在,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。相關解決方案既不十分複雜,價格也不昂貴,而其應用範圍已經深入到我們日常生活的方方面面。這就是運動檢測器。無論是安裝在隔壁的安防燈,還是自動光控智慧器件,運動檢測都是一種非常有用的技術,其在為我們帶來更高安全性的同時還能幫助我們節約成本。本文將探討如何使用無源紅外線 (PIR) 感測器實現簡單的運動檢測器。在系統設計過程中,設計人員必須確保實現兩個目標:即低功耗和低成本,二者都是設計運動檢測器時必需考慮的關鍵要素。 

       我們首先討論硬體。我們針對本設計選定的感測器是 Glolab (www.glolab.com) PIR325 對偶元素熱釋感測器 (dual element pyroelectric sensor)。從單元素 (single element) 到四元素,市面上有多種 PIR 感測器可供選擇。每種產品的基本原理相同:晶體物質 (crystalline material) 在紅外線的輻射下產生電荷,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 元件的感測器可以感知到這些變化。


       下圖 1 顯示了感測器檢測到紅外輻射出現變化時的輸出特性。傳感器具有一個內置的光學濾波器,能夠將檢測到的輻射限制在人體輻射 8 14um 波長的範圍內。 


1. PIR325 與信號輸出 

可將輻射變化進行內部放大,並在外部進行模擬輸出脈衝的測量。VCC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,但這要取決於感測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 VCC 決定。在此實例中,我們選擇 3V 電池供電,輸出偏移電壓為 500m V 

條件是必須將信號放大至可以使用的範圍,毋庸置疑,使用額外的放大器級 (amplifier stage) 來實施放大工作是一種切實可行的解決方案。放大器級的增益取決於用於後端處理的、最終的模數 (A/D) 轉換方法。設計中通常針對 A/D 轉換採用簡單比較器,其輸出可驅動繼電器或者觸發微控制器 (MCU) 以執行某些功能。在這種情況下,僅存在兩種可能的結果:高電平或低電平。對於穩定性更高的實施方案而言,可以用高準確度 A/D 轉換器替代比較器,向 MCU 提供更多的資訊以執行高級信號處理 (advanced signal processing)。無論是比較器還是低成本的高精度 A/D 轉換器,一般要求其增益級放大1,000 倍或以上。 

針對該設計案例,我們採用了一種獨特的方案。為了降低成本和功耗,我們選用了單晶片 MCU,其在同一晶片上集成了所有必需的元件,這使該解決方案具有更小的體積、更低的成本、更易於設計和控制。我們選定的 MCU 集成有 16 A/D 轉換器,從而 使測量精度更高,而且對感測器的增益需求較低。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 轉換器中,以便直接進行感測器連接。要使模擬連接更簡單直接,PGA A/D 轉換器的輸入應為全差動,這不僅有助於處理信號的較大偏移,而且還能使感測器的小信號輸出與 A/D 轉換器動態範圍的匹配最大化。 

當然,感測器自身的輸出並不是差動信號。使用感測器自身的輸出信號來針對反相 PGA 輸入創建 DC 偏置可以解決這一問題。圖 2 給出了感測器與 MCU 及類比信號鏈相連的詳細圖示。


2. 類比輸入配置 

在該案例的配置中,可用感測器的源極輸出 S 經由小型抗混淆信號 RC 濾波器 (R1/C1) PGA 的非反相輸入端提供所需的輸出信號。另外,可將該輸出信號用於為差分對的 A 輸入端創建所需的 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雜訊,而且還能過濾相關的資訊信號,從而創建可根據 VCC 進行自動調整的 DC 電平。其優勢在於,無需附加電路便可創建獨立的偏移電壓。該配置的 A/D 轉換器輸出約為 60uV/LSB,這一結果是基於如下條件計算得出:1.2V 內部參考電壓、PGA 增益為 16 倍(VLSB = [(1.2/2)/16]/[216-1])。 

儘管許多運動/現場檢測系統 (presence detection system) 可能需要單位數 (single digit) 毫伏級的靈敏度,但檢測範圍為幾十米的通用系統也可採用圖 2 所示的設計。由於這些系統具有極高的解析度,因而需要額外放大感測器的輸出。 

既然定義了類比介面,那麼控制系統的軟體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的兩個主要目標。所選擇的硬體想要滿足以上目標的確尚需時日,因為硬體不僅要通過類比和數位集成來實現低成本,而且還要使集成元件的電源管理簡便易行,以實現低功耗。但是,高效率的軟體發展是達到上述目標的關鍵。圖 3 顯示了系統的高級軟體流程圖。


3. MCU 軟體流程圖 

軟體的主要作用是保證整個系統由中斷驅動。這意味著除非需要完成某些操作,否則不產生CPU 指令。本例中,CPU 處於低功耗待機模式,等待下面兩個事件之一的發生:一是新的 A/D 轉換開始時的計時器中斷,二是表示結果就緒的 A/D 中斷。 

結果就緒後將與最後的採樣進行對比,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生。這個簡單的流程非常靈活,能夠通過內部計時器定義採樣速率,處理轉換結果時不用標誌位元輪詢且不會發生軟體延遲等情況。 

在大多數情況下MSP 430F 2003 M CU可以在低於 1uA 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。使用嵌入式內部低頻振盪器為計時器提供時鐘信號,新的轉換過程每隔 340 兆秒啟動一次。大約 3SPS 的採樣速率聽起來可能很慢,但考慮到感測器在人體互動應用中的輸出信號頻率極低,這樣的採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的高頻內部時鐘源,使 A/D 轉換器每隔 1.024毫秒對每個採樣進行一次轉換。出於降低功耗的考慮,保證轉換時間盡可能短非常重要,因為內部參考電路及 A/D 轉換器所消耗的電流占總數的 70%

1 詳細列出了該應用的工作電流及平均電流,借此可以清楚瞭解系統的電流消耗。 

1. 系統電流錶


功能


開啟時間長度


工作電流(典型值)


平均電流


PIR325 感測器


一直開啟


6uA


6uA


參考電路及 A/D 轉換器


每秒開啟3毫秒


1mA


3uA


CPU 處於工作狀態


每秒開啟300 微秒


300uA


0.9nA


低功耗待機


999.7毫秒


0.6uA


0.599uA








總計


~9.6uA


根據最終解決方案的不同系統消耗的總電流也不同。通過上表可以清楚看到,工作電流的消耗主要來自 A/D 轉換參考及轉換。但是平均電流主要由感測器消耗,原因是 PIR325 感測器需要幾秒或更長的開啟穩定時間,不能讓感測器電源週期性工作。儘管感測器必須保持開啟狀態,其電流消耗卻很小,就本設計及軟體流程為例,一般目的的運動檢測系統的總體平均電流可以低於10uA。採用標準 3V CR2032 系統, 電池的壽命可以超過兩年。 

這就是使用標準PIR 感測器的簡單的運動檢測設計,其硬體比較簡單,軟體為中斷驅動程式。增加 Fresnel 光學鏡頭提高感測器方向性,增加基本的繼電器來驅動泛光燈,也可以為安防系統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 及感測器呢? 

補充說明: 

PIR325 人體紅外線感測器主要由是利用溫度變化產生電荷現象,故又名「焦電型」人體紅外線感測器。此人體紅外線感測器是以TGG(三甘氨酸硫酸鹽或)PZT(汰酸系壓電材料)等強介質所作成的光感測器,電源電壓為3~15VDC,使用溫度範圍在-10℃~+50℃,源極的輸出信號極小,僅有數mV 到數十mV,能接受所有熱體所輻射出來的紅外線(包括人體)。 

   PIR325人體紅外線感測器接腳圖及內部方塊圖如圖所示,其中Pin1(Drain)為輸出端,Pin2(Source)為電壓輸入,最大可至15V,Pin3(Ground)接電源負極。






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http://www.glolab.com/pirparts/infrared.html

How Infrared motion detector components work

Infrared Radiation_____________

Infrared radiation exists in the electromagnetic spectrum at a wavelength that is longer than visible light. It cannot be seen but it can be detected. Objects that generate heat also generate infrared radiation and those objects include animals and the human body whose radiation is strongest at a wavelength of 9.4um. Infrared in this range will not pass through many types of material that pass visible light such as ordinary window glass and plastic. However it will pass through, with some attenuation, material that is opaque to visible light such as germanium and silicon. An unprocessed silicon wafer makes a good IR window in a weatherproof enclosure for outdoor use. It also provides additional filtering for light in the visible range. 9.4um infrared will also pass through polyethylene which is usually used to make Fresnel lenses to focus the infarared onto  sensor elements.


 Pyroelectric Sensors_____________

The pyroelectric sensor is made of a crystalline material that generates a surface electric charge when exposed to heat in the form of infrared radiation. When the amount of radiation striking the crystal changes, the amount of charge also changes and can then be measured with a sensitive FET device built into the sensor. The sensor elements are sensitive to radiation over a wide range so a filter window is added to the TO5 package to limit detectable radiation to the 8 to 14mm range which is most sensitive to human body radiation.

Typically, the FET source terminal pin 2 connects through a pulldown resistor of about 100 K to ground and feeds into a two stage amplifier having signal conditioning circuits. The amplifier is typically bandwidth limited to below 10Hz to reject high frequency noise and is followed by a window comparator that responds to both the positive and negative transitions of the sensor output signal. A well filtered power source of from 3 to 15 volts should be connected to the FET drain terminal pin 1.


The PIR325 sensor has two sensing elements connected in a voltage bucking configuration. This arrangement cancels signals caused by vibration, temperature changes and sunlight. A body passing in front of the sensor will activate first one and then the other element whereas other sources will affect both elements simultaneously and be cancelled. The radiation source must pass across the sensor in a horizontal direction when sensor pins 1 and 2 are on a horizontal plane so that the elements are sequentially exposed to the IR source. A focusing device is usually used in front of the sensor



The figure below shows the PIR325 electrical specifications and layout in its TO5 package. Note the wide viewing angle without an external lens.



This is a typical application circuit that drives a relay. R10 and C6 adjust the amount of time that RY1 remains energized after motion is detected. Download PDF drawing.




















  Fresnel Lens_____________


A Fresnel lens (pronounced Frennel) is a Plano Convex lens that has been collapsed on itself to form a flat lens that retains its optical characteristics but is much smaller in thickness and therefore has less absorption losses.


Our FL65 Fresnel lens is made of an infrared transmitting material that has an IR transmission range of 8 to 14um which is most sensitive to human body radiation. It is designed to have its grooves facing the IR sensing element so that a smooth surface is presented to the subject side of the lens which is usually the outside of an enclosure that houses the sensor.

The lens element is round with a diameter of 1 inch and has a flange that is 1.5 inches square. This flange is used for mounting the lens in a suitable frame or enclosure. Mounting can best and most easily be done with strips of Scotch tape. Silicone rubber can also be used if it overlaps the edges to form a captive mount.

The FL65 has a focal length of 0.65 inches from the lens to the sensing element. It has been determined by experiment to have a field of view of approximately 10 degrees when used with a PIR325 Pyroelectric sensor.



This relatively inexpensive and easy to use Pyroelectric Sensor and Fresnel Lens can be used in a variety of science projects, robots and other useful devices.

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