物联网开发中强大的运动检测器不一定要成为移动目标

2021-02-26

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

结合了便利性，安全性和节能性的一种产品是红外运动探测器。红外运动探测器可感测某个区域的占用情况，然后可以激活照明，HVAC系统或警报。如果运动探测器提供安全功能，则它需要每周7天，每天24小时可靠运行。 

图1.智能设备，可在房屋和建筑物中实现安全性，便利性，安全性和高效的能源管理

由于可靠的性能和低成本的结合，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％的健康复合年增长率，并有望在2025年超过$ 3.5 B 1。推动增长的因素包括： 

住宅对使用监控的安全性的需求

通过无线连接和物联网网络降低安装成本

公共和商业部门正在采用的政府节能措施

不断增长的市场为新的创新设计提供了机会

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鲁棒性。如果检测器由交流电源线供电，则它们必须能够承受可能在交流电源线上传播的电流过载和电压瞬变。除了电路保护外，高效控制和可靠的传感性能对于拥有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，这些组件可增强产品的可靠性和性能。 

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电路。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电路

AC / DC功率级

AC / DC功率级为其他电路块提供DC功率。该电路与交流电源线连接，并且容易受到过电流浪涌和过电压瞬变的影响。雷击，电机开启和关闭引起的感应尖峰以及电源线电压变化引起的瞬变可能会导致过电压瞬变和电流浪涌。

针对这些潜在的干扰，我们建议使用金属氧化物压敏电阻（MOV）作为AC / DC功率级板的第一道防线。将MOV放置在尽可能靠近电路AC电压入口的位置，以最小化电路板上AC线路瞬变的传播路径。选择具有以下特征的MOV：

安全吸收高达10 kA的峰值浪涌电流或150 J的脉冲能量，以保护下游电路免受雷击

低钳位电压，不会损坏下游电路

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

UL或IEC认可，可减少国家认可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瞬态抑制器（TVS）二极管来进一步保护电源上的所有负载电路。TVS二极管将最大程度地减小各种负载电路中功率组件的瞬态应力。TVS二极管在电路保护方面具有以下优势：

吸收高达600 W的峰值脉冲功率或100 A的峰值浪涌电流 

通过空中打击或直接接触可提供高达30 kV的ESD保护 

在1 ps以下的超快速响应

钳位电压低至10 V的版本

UL或IEC组件识别

如图4所示，TVS二极管可以是封装中的双向两个串联二极管，也可以是一个单向双向二极管。除了具有保护功能外，TVS二极管还消耗少量功率。在正常，无干扰的操作中，该组件消耗的电流低于1 µA。最后，可采用表面贴装版本的TVS二极管来节省印刷电路板的面积。

图4.双向和单向TVS二极管可防止ESD和其他电气瞬变

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，有完整的软件包可供使用，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，包含用于检测和处理电子器件的完整设计所需的所有电路。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，可以为不同的视野提供多种选择。 

与通常使用的电解电容器相比，该设计允许使用更低的成本和更小的陶瓷电容器，而电解电容器通常具有更高的泄漏量和更短的产品寿命

先进的运动探测器算法，可提供灵敏度，范围和探测管理范围

微控制器的灵活性允许实现用户定义的应用程序功能

为了节省功率，请在未检测到运动时寻找具有低功率模式的组件。图6显示了一个示例红外运动检测器套件。集成组件，更少组件和不带电解电容器的组合提高了整体产品可靠性，节省了印刷电路板空间，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。镜头和传感器在电路板上。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，警报电路将激活。该电路通常将驱动闪烁的LED灯或LED灯和扬声器的组合。警报电路将需要一个控制组件来使外部设备通电。考虑一下簧片继电器或固态继电器，这两种继电器都将提供高功率驱动器与低功率逻辑电路的电流隔离。固态继电器可延长输出驱动触点的使用寿命，而簧片继电器则可降低功耗。 

簧片继电器采用紧凑的单列直插式封装。您还可以获得带有内置反电动势抑制二极管的磁簧继电器，以保护线圈驱动电路，并具有磁屏蔽选件，以防止线圈EMI进入控制电路。另外，簧片继电器触点比传统的机电继电器具有更长的寿命，并且相对不受大范围环境温度的影响。 

固态继电器在输入LED和输出光电探测器晶体管之间进行光耦合控制。固态继电器在输入和输出之间可以具有高达1500 Vrms的隔离度。许多器件旨在通过在零电压交叉点启动开关的逻辑来消除EMI / RF产生。固态继电器的版本可以具有低于1 µA的低断态输出泄漏电流，以最大程度地降低功耗。它们采用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的输出类型具有足够的驱动器容量。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，以便可以对其进行认证并获得市场认可。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地区销售。 

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，可靠的设计可以减少组件数量，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。您可以利用镜头/传感器/微控制器封装来减少零件数量并最大化产品可靠性。确保将标准合规性作为开发项目的重要内容，以节省认证时间和成本。我们建议您利用制造商的应用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。制造商还可以提供有关将哪些标准应用于设计的指南，并提供有关如何确保合规性的指南。这些建议将帮助您实现可靠，可靠的设计，从而减少现场故障，并获得更具成本效益和利润的产品。