Сигнальное кондиционирование для пироэлектрических пассивных инфракрасных (PIR) датчиков
Введение в пироэлектрические пассивные инфракрасные датчики
В повседневной жизни часто используются пироэлектрические пассивные инфракрасные (ПИР) датчики. Они являются ключевым компонентом обнаружения движения и могут использоваться для систем безопасности, автоматических дверей или автоматического освещения. Общим приложением является обнаружение человека. Например, когда кто-то обнаружен в определенной области, эти датчики могут использоваться для запуска тревоги или включения освещения.
Активные датчики излучают энергию, такую как ультразвук, свет или микроволны, и определяют, что произошли изменения, когда отраженный излучаемый сигнал нарушен. Пассивные датчики не излучают сигналы, а скорее обнаруживают изменения уровня ИК-излучения. Эти датчики потребляют меньше энергии, чем активные.
Как работает датчик PIR "img / news / 794 / signal-Conditioning.jpg" target = "_ blank">
Image
Рисунок 1: Принцип ПИР-датчика
Площадь двух прямоугольников с ИК-чувствительностью небольшая (≈2 мм² для каждого прямоугольника). Таким образом, видение этого датчика должно быть улучшено. Поэтому настоятельно рекомендуется использовать линзу Френеля. Это увеличит диапазон обнаружения.
Кондиционирование сигналов датчиков
Когда тело с температурой, отличной от уровня окружающей среды, перемещается по полю обнаружения, датчик PIR излучает небольшой сигнал переменного тока в диапазоне 1 мВpp. Кроме того, это небольшое напряжение находится вокруг сигнала постоянного тока, который может значительно отличаться от одного датчика к другому.
Таким образом, необходимо отменить постоянную часть сигнала и усилить только часть переменного тока.
Поскольку этот сигнал будет нарушен средой, фильтрация шума также будет полезна. Операционные усилители ST (операционные усилители) помогут нам выполнить все эти функции.
Если мы хотим обнаружить движение человека, мы должны учитывать частоты от 0, 5 до 5 Гц. TSU102, двухканальный операционный усилитель, используется для усиления и фильтрации этого частотного диапазона. На рисунке 2 показана схема:
Image
Рисунок 2: Схемы PIR
Сигнал переменного тока, генерируемый датчиком PIR, усиливается на 69 дБ: 35 дБ на первом этапе и 34 дБ на втором.
STU TS210 прекрасно отвечает потребностям приложений. Фактически, продукт с полосой пропускания (GBP) должен быть больше 2, 7 кГц (fmax x gain x 10 = 5x53x10 = 2, 7 кГц). Фактор 10 был принят во внимание, чтобы иметь некоторый запас и быть уверенным, что он не будет ограничен GBP. Почти все усилители GBP будут соответствовать этому требованию GBP. Кроме того, поскольку DC отменяется для обнаружения движения, VIO не имеет значения.
Наконец, если мы имеем дело с портативными приложениями, потребление является ключевым фактором. Схема предназначена для оптимизации потребления, поэтому мы используем TSU102, который потребляет всего 1, 2 мкА.
Здесь основное потребление связано с датчиком. Он потребляет 19 мкА.
Остальная часть приложения потребляет 3, 6 мкА:
1, 2 мкА операционным усилителем TSU102
2, 4 мкА с помощью разделительного моста, состоящего из R6 и R7
Потребление делительного моста может быть уменьшено путем умножения значений резисторов, но за счет надежности. Когда импедансы высоки, воздействие пыли или влаги выше. Эти возмущения могут создавать паразитные импедансы.
Как насчет цифрового выхода?
В зависимости от вашей конфигурации может быть интересно не иметь аналоговый выход, а цифровой выход, чтобы облегчить реализацию на стороне микроконтроллера.
Таким образом, последний этап может быть добавлен для выполнения компаратора окон. Когда источник тепла обнаружен, выход U3 или U4 будет находиться в низком состоянии.
На рисунке 3 показаны схемы этого последнего этапа:
Image
Рисунок 3: Стадия компаратора окон
Делитель мост, состоящий из резисторов R6, R7, R8, R9 и используется для установки опорного напряжения устройств U3 и U4. Эти резисторы заменяют R6 и R7 на рисунке 2.
Так как TSU101 является управляющим усилителем ввода / вывода с рельсом к рельсу, нет ограничений на входное напряжение общего режима. Таким образом, хотя ссылки напряжения U3 и U4 находятся в пределах диапазона VCC, оконный компаратор будет работать.
В нашем случае U3 будет иметь опорный набор, равный 0, 84 * VCC
Image
Когда сигнал (Vout2) больше, чем эта ссылка, равная 2, 77 В, если VCC = 3, 3 В, выход U3 будет находиться в низком состоянии, близком к земле.
Аналогично U3, U4 используется для обнаружения, когда сигнал меньше его ссылки. В этом примере его опорный сигнал напряжения был установлен на 530 мВ благодаря делительному мосту, состоящему из R6, R7, R8 и R9.
справка расчет напряжения:
Image
Таким образом, когда сигнал (Vout2) меньше 0, 53 В, выходное напряжение U4 будет в низком состоянии.
Благодаря этим схемам мы можем видеть, что для этого приложения может использоваться один четырехканальный операционный усилитель: один канал для первого этапа, второй для второго этапа и два других для последнего. Это означает, что с помощью TSU104 вам нужен только один активный компонент для формирования сигнала.
Обратите внимание, что TSU104 не является компаратором, но использование ОУ для этой функции не является проблемой при такой низкой скорости.
Если вам нужен только один цифровой выход, вы можете использовать вентиль NAND, подключенный к выходам U3 и U4.
Измерения оборудования
В этом разделе рассматриваются основные моменты схем, которые позволяют формировать сигнал.
Прежде всего нам нужно знать поведение сигнала на выходе ПИР-датчика. На рисунке 4 показан этот сигнал. Здесь мы можем увидеть время запуска, но мы не можем понять, был ли обнаружен кто-то:
Image
Рисунок 4: Выходное напряжение ПИР-датчика
Однако на рисунке 5 мы можем наблюдать сигналы после усиления и стадии фильтрации. Мы можем отчетливо видеть обнаружение здесь, тогда как это невозможно без формирования сигнала:
Image
Рисунок 5: Формирование сигнала PIR
Когда движение обнаружено, выходные U3 или U4 идут низко, близко к земле. Таким образом, выход глобальной цепочки может быть напрямую подключен к входу микроконтроллера. Это можно использовать для запуска тревоги, включения света или того, что вы хотели бы сделать.
Обратите внимание, что для обнаружения движения источника тепла необходимо учитывать время инициализации. Это связано с временем прогрева датчика и зарядом конденсаторов. Вот почему на уровне микроконтроллера необходимо учитывать правильное время пробела.
Вывод
Пассивные инфракрасные датчики широко используются и требуют операционных усилителей для усиления и фильтрации сигнала, который они генерируют, который является шумным и имеет очень небольшую амплитуду. Операционные усилители также могут использоваться для сравнения усиленного сигнала с пороговыми напряжениями перед отправкой их на ввод-вывод микроконтроллера (нет необходимости в АЦП).
Благодаря TSU104 (четырехканальному операционному усилителю) вы можете проектировать приложение, совместимое с микроконтроллерами 3, 3 В. Целая аналоговая цепь потребляет всего 24 мкА, используя TSU104.
STMicroelectronics может предоставить вам nanopower операционные усилители и компараторы для ваших портативных приложений, как показано в этом примечании к применению. Кроме того, если вам нужна более высокая пропускная способность, более высокий выходной ток, более широкий диапазон VCC или даже операционные усилители, совместимые с автомобильным комплексом, широкий портфель ST удовлетворит ваши потребности.
Отраслевые статьи - это форма контента, которая позволяет отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits таким образом, что редакционный контент не очень подходит. Все отраслевые статьи подчиняются строгим редакционным правилам с целью предоставления читателям полезных новостей, технических знаний или историй. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, являются точками партнера, а не обязательно для All About Circuits или его авторов.
