物(wù)联网开发中强大的运动检测器不一定要成為(wèi)移动目标

2021-02-26

智能(néng)家居和建筑正在受益于智能(néng)技术，这些技术使它们变得更加便捷，安全和节能(néng)。图1显示了适用(yòng)于房屋和建筑物(wù)的各种产品。消费者可(kě)以在家中和建筑物(wù)管理(lǐ)人员对这些产品进行自动监视和控制。

结合了便利性，安全性和节能(néng)性的一种产品是红外运动探测器。红外运动探测器可(kě)感测某个區(qū)域的占用(yòng)情况，然后可(kě)以激活照明，HVAC系统或警报。如果运动探测器提供安全功能(néng)，则它需要每周7天，每天24小(xiǎo)时可(kě)靠运行。 

图1.智能(néng)设备，可(kě)在房屋和建筑物(wù)中实现安全性，便利性，安全性和高效的能(néng)源管理(lǐ)

由于可(kě)靠的性能(néng)和低成本的结合，无源红外技术是运动感测的领先技术。市场正在经历超过13％的健康复合年增長(cháng)率，并有(yǒu)望在2025年超过$ 3.5 B 1。推动增長(cháng)的因素包括： 

住宅对使用(yòng)监控的安全性的需求

通过无線(xiàn)连接和物(wù)联网网络降低安装成本

公共和商(shāng)业部门正在采用(yòng)的政府节能(néng)措施

不断增長(cháng)的市场為(wèi)新(xīn)的创新(xīn)设计提供了机会

保护，控制和传感组件 

由于无源红外运动检测器用(yòng)于内部监视或室外监视，因此这些产品必须对环境干扰具有(yǒu)鲁棒性。如果检测器由交流電(diàn)源線(xiàn)供電(diàn)，则它们必须能(néng)够承受可(kě)能(néng)在交流電(diàn)源線(xiàn)上传播的電(diàn)流过载和電(diàn)压瞬变。除了電(diàn)路保护外，高效控制和可(kě)靠的传感性能(néng)对于拥有(yǒu)优质产品也至关重要。

图2显示了一个示例红外运动检测器，并指出了推荐的保护，控制和传感组件，这些组件可(kě)增强产品的可(kě)靠性和性能(néng)。 

图2.一个示例被动红外运动检测器，显示推荐的保护，控制和感测组件

在图3中，我们显示了无源红外运动检测器的框图，并显示了应在其中推荐的保护，感测和控制组件放置哪些電(diàn)路。我们将讨论推荐组件的每个模块。

图3.无源红外运动检测器的框图，显示了推荐组件所在的電(diàn)路

AC / DC功率级

AC / DC功率级為(wèi)其他(tā)電(diàn)路块提供DC功率。该電(diàn)路与交流電(diàn)源線(xiàn)连接，并且容易受到过電(diàn)流浪涌和过電(diàn)压瞬变的影响。雷击，電(diàn)机开启和关闭引起的感应尖峰以及電(diàn)源線(xiàn)電(diàn)压变化引起的瞬变可(kě)能(néng)会导致过電(diàn)压瞬变和電(diàn)流浪涌。

针对这些潜在的干扰，我们建议使用(yòng)金属氧化物(wù)压敏電(diàn)阻（MOV）作為(wèi)AC / DC功率级板的第一道防線(xiàn)。将MOV放置在尽可(kě)能(néng)靠近電(diàn)路AC電(diàn)压入口的位置，以最小(xiǎo)化電(diàn)路板上AC線(xiàn)路瞬变的传播路径。选择具有(yǒu)以下特征的MOV：

安全吸收高达10 kA的峰值浪涌電(diàn)流或150 J的脉冲能(néng)量，以保护下游電(diàn)路免受雷击

低钳位電(diàn)压，不会损坏下游電(diàn)路

确保组件在检测器的指定环境范围内可(kě)正常工作的工作温度范围（带有(yǒu)酚醛涂层的MOV的版本可(kě)在高达125°C的温度下安全运行）

UL或IEC认可(kě)，可(kě)减少國(guó)家认可(kě)的标准实验室的鉴定时间

建议在AC / DC功率级的输出端使用(yòng)瞬态抑制器（TVS）二极管来进一步保护電(diàn)源上的所有(yǒu)负载電(diàn)路。TVS二极管将最大程度地减小(xiǎo)各种负载電(diàn)路中功率组件的瞬态应力。TVS二极管在電(diàn)路保护方面具有(yǒu)以下优势：

吸收高达600 W的峰值脉冲功率或100 A的峰值浪涌電(diàn)流 

通过空中打击或直接接触可(kě)提供高达30 kV的ESD保护 

在1 ps以下的超快速响应

钳位電(diàn)压低至10 V的版本

UL或IEC组件识别

如图4所示，TVS二极管可(kě)以是封装中的双向两个串联二极管，也可(kě)以是一个单向双向二极管。除了具有(yǒu)保护功能(néng)外，TVS二极管还消耗少量功率。在正常，无干扰的操作中，该组件消耗的電(diàn)流低于1 µA。最后，可(kě)采用(yòng)表面贴装版本的TVS二极管来节省印刷電(diàn)路板的面积。

图4.双向和单向TVS二极管可(kě)防止ESD和其他(tā)電(diàn)气瞬变

运动传感器和MCU

无源红外探测器的主要元件是红外辐射传感器和微控制器单元。请注意，有(yǒu)完整的软件包可(kě)供使用(yòng)，包括传感器，镜头和微控制器单元（请参见图5）。完整的软件包提供：

由于传感器直接连接到微控制器芯片，因此减少了设计的材料清单。 

一个微控制器，包含用(yòng)于检测和处理(lǐ)電(diàn)子器件的完整设计所需的所有(yǒu)電(diàn)路。微控制器包含CPU，RAM，计时器，比较器，A / D转换器，通信接口和传感器固件。 

两元件或四元件传感器与镜头结合使用(yòng)，可(kě)以為(wèi)不同的视野提供多(duō)种选择。 

与通常使用(yòng)的電(diàn)解電(diàn)容器相比，该设计允许使用(yòng)更低的成本和更小(xiǎo)的陶瓷電(diàn)容器，而電(diàn)解電(diàn)容器通常具有(yǒu)更高的泄漏量和更短的产品寿命

先进的运动探测器算法，可(kě)提供灵敏度，范围和探测管理(lǐ)范围

微控制器的灵活性允许实现用(yòng)户定义的应用(yòng)程序功能(néng)

為(wèi)了节省功率，请在未检测到运动时寻找具有(yǒu)低功率模式的组件。图6显示了一个示例红外运动检测器套件。集成组件，更少组件和不带電(diàn)解電(diàn)容器的组合提高了整體(tǐ)产品可(kě)靠性，节省了印刷電(diàn)路板空间，并降低了成本。 

图5.组合镜头，传感器和微控制器组件的框图

图6.示例镜头-传感器-微控制器红外运动检测器组件。该程序集来自Zilog。镜头和传感器在電(diàn)路板上。微控制器在传感器下方。 

警报 

当红外传感器检测到适当的运动量时，警报電(diàn)路将激活。该電(diàn)路通常将驱动闪烁的LED灯或LED灯和扬声器的组合。警报電(diàn)路将需要一个控制组件来使外部设备通電(diàn)。考虑一下簧片继電(diàn)器或固态继電(diàn)器，这两种继電(diàn)器都将提供高功率驱动器与低功率逻辑電(diàn)路的電(diàn)流隔离。固态继電(diàn)器可(kě)延長(cháng)输出驱动触点的使用(yòng)寿命，而簧片继電(diàn)器则可(kě)降低功耗。 

簧片继電(diàn)器采用(yòng)紧凑的单列直插式封装。您还可(kě)以获得带有(yǒu)内置反電(diàn)动势抑制二极管的磁簧继電(diàn)器，以保护線(xiàn)圈驱动電(diàn)路，并具有(yǒu)磁屏蔽选件，以防止線(xiàn)圈EMI进入控制電(diàn)路。另外，簧片继電(diàn)器触点比传统的机電(diàn)继電(diàn)器具有(yǒu)更長(cháng)的寿命，并且相对不受大范围环境温度的影响。 

固态继電(diàn)器在输入LED和输出光電(diàn)探测器晶體(tǐ)管之间进行光耦合控制。固态继電(diàn)器在输入和输出之间可(kě)以具有(yǒu)高达1500 Vrms的隔离度。许多(duō)器件旨在通过在零電(diàn)压交叉点启动开关的逻辑来消除EMI / RF产生。固态继電(diàn)器的版本可(kě)以具有(yǒu)低于1 µA的低断态输出泄漏電(diàn)流，以最大程度地降低功耗。它们采用(yòng)节省空间的表面贴装封装。

您对驱动器组件的选择取决于确保触点或输出对将要使用(yòng)的输出类型具有(yǒu)足够的驱动器容量。尺寸，功耗和成本将是您在选择驱动器组件时要考虑的其他(tā)因素。  

被动红外运动探测器的安全标准

表1列出了您的设计需要遵循的关键标准，以便可(kě)以对其进行认证并获得市场认可(kě)。在开发项目中遵守这些标准将减少认证成本并减少认证时间。符合IEC标准将允许您的产品在全球所有(yǒu)地區(qū)销售。 

表1.规范无源红外运动探测器安全性和最低操作要求的标准

健壮，可(kě)靠的设计可(kě)以减少组件数量，降低开发成本

对于红外探测器设计，坚固的设计仅需要几个保护组件。您可(kě)以利用(yòng)镜头/传感器/微控制器封装来减少零件数量并最大化产品可(kě)靠性。确保将标准合规性作為(wèi)开发项目的重要内容，以节省认证时间和成本。我们建议您利用(yòng)制造商(shāng)的应用(yòng)专业知识来帮助节省选择保护和控制组件的时间，并节省大量的设计时间。制造商(shāng)还可(kě)以提供有(yǒu)关将哪些标准应用(yòng)于设计的指南，并提供有(yǒu)关如何确保合规性的指南。这些建议将帮助您实现可(kě)靠，可(kě)靠的设计，从而减少现场故障，并获得更具成本效益和利润的产品。