物聯網開發中強大的運動檢測器不一定要成為移動目標

2021-02-26

智能家居和建筑正在受益于智能技術，這些技術使它們變得更加便捷，安全和節能。圖1顯示了適用于房屋和建筑物的各種產品。消費者可以在家中和建筑物管理人員對這些產品進行自動監視和控制。

結合了便利性，安全性和節能性的一種產品是紅外運動探測器。紅外運動探測器可感測某個區域的占用情況，然后可以激活照明，HVAC系統或警報。如果運動探測器提供安全功能，則它需要每周7天，每天24小時可靠運行。 

圖1.智能設備，可在房屋和建筑物中實現安全性，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結合，無源紅外技術是運動感測的領先技術。市場正在經歷超過13％的健康復合年增長率，并有望在2025年超過$ 3.5 B 1。推動增長的因素包括： 

住宅對使用監控的安全性的需求

通過無線連接和物聯網網絡降低安裝成本

公共和商業部門正在采用的政府節能措施

不斷增長的市場為新的創新設計提供了機會

保護，控制和傳感組件 

由于無源紅外運動檢測器用于內部監視或室外監視，因此這些產品必須對環境干擾具有魯棒性。如果檢測器由交流電源線供電，則它們必須能夠承受可能在交流電源線上傳播的電流過載和電壓瞬變。除了電路保護外，高效控制和可靠的傳感性能對于擁有優質產品也至關重要。

圖2顯示了一個示例紅外運動檢測器，并指出了推薦的保護，控制和傳感組件，這些組件可增強產品的可靠性和性能。 

圖2.一個示例被動紅外運動檢測器，顯示推薦的保護，控制和感測組件

在圖3中，我們顯示了無源紅外運動檢測器的框圖，并顯示了應在其中推薦的保護，感測和控制組件放置哪些電路。我們將討論推薦組件的每個模塊。

圖3.無源紅外運動檢測器的框圖，顯示了推薦組件所在的電路

AC / DC功率級

AC / DC功率級為其他電路塊提供DC功率。該電路與交流電源線連接，并且容易受到過電流浪涌和過電壓瞬變的影響。雷擊，電機開啟和關閉引起的感應尖峰以及電源線電壓變化引起的瞬變可能會導致過電壓瞬變和電流浪涌。

針對這些潛在的干擾，我們建議使用金屬氧化物壓敏電阻（MOV）作為AC / DC功率級板的第一道防線。將MOV放置在盡可能靠近電路AC電壓入口的位置，以最小化電路板上AC線路瞬變的傳播路徑。選擇具有以下特征的MOV：

安全吸收高達10 kA的峰值浪涌電流或150 J的脈沖能量，以保護下游電路免受雷擊

低鉗位電壓，不會損壞下游電路

確保組件在檢測器的指定環境范圍內可正常工作的工作溫度范圍（帶有酚醛涂層的MOV的版本可在高達125°C的溫度下安全運行）

UL或IEC認可，可減少國家認可的標準實驗室的鑒定時間

建議在AC / DC功率級的輸出端使用瞬態抑制器（TVS）二極管來進一步保護電源上的所有負載電路。TVS二極管將最大程度地減小各種負載電路中功率組件的瞬態應力。TVS二極管在電路保護方面具有以下優勢：

吸收高達600 W的峰值脈沖功率或100 A的峰值浪涌電流 

通過空中打擊或直接接觸可提供高達30 kV的ESD保護 

在1 ps以下的超快速響應

鉗位電壓低至10 V的版本

UL或IEC組件識別

如圖4所示，TVS二極管可以是封裝中的雙向兩個串聯二極管，也可以是一個單向雙向二極管。除了具有保護功能外，TVS二極管還消耗少量功率。在正常，無干擾的操作中，該組件消耗的電流低于1 μA。最后，可采用表面貼裝版本的TVS二極管來節省印刷電路板的面積。

圖4.雙向和單向TVS二極管可防止ESD和其他電氣瞬變

運動傳感器和MCU

無源紅外探測器的主要元件是紅外輻射傳感器和微控制器單元。請注意，有完整的軟件包可供使用，包括傳感器，鏡頭和微控制器單元（請參見圖5）。完整的軟件包提供：

由于傳感器直接連接到微控制器芯片，因此減少了設計的材料清單。 

一個微控制器，包含用于檢測和處理電子器件的完整設計所需的所有電路。微控制器包含CPU，RAM，計時器，比較器，A / D轉換器，通信接口和傳感器固件。 

兩元件或四元件傳感器與鏡頭結合使用，可以為不同的視野提供多種選擇。 

與通常使用的電解電容器相比，該設計允許使用更低的成本和更小的陶瓷電容器，而電解電容器通常具有更高的泄漏量和更短的產品壽命

先進的運動探測器算法，可提供靈敏度，范圍和探測管理范圍

微控制器的靈活性允許實現用戶定義的應用程序功能

為了節省功率，請在未檢測到運動時尋找具有低功率模式的組件。圖6顯示了一個示例紅外運動檢測器套件。集成組件，更少組件和不帶電解電容器的組合提高了整體產品可靠性，節省了印刷電路板空間，并降低了成本。 

圖5.組合鏡頭，傳感器和微控制器組件的框圖

圖6.示例鏡頭-傳感器-微控制器紅外運動檢測器組件。該程序集來自Zilog。鏡頭和傳感器在電路板上。微控制器在傳感器下方。 

警報 

當紅外傳感器檢測到適當的運動量時，警報電路將激活。該電路通常將驅動閃爍的LED燈或LED燈和揚聲器的組合。警報電路將需要一個控制組件來使外部設備通電?？紤]一下簧片繼電器或固態繼電器，這兩種繼電器都將提供高功率驅動器與低功率邏輯電路的電流隔離。固態繼電器可延長輸出驅動觸點的使用壽命，而簧片繼電器則可降低功耗。 

簧片繼電器采用緊湊的單列直插式封裝。您還可以獲得帶有內置反電動勢抑制二極管的磁簧繼電器，以保護線圈驅動電路，并具有磁屏蔽選件，以防止線圈EMI進入控制電路。另外，簧片繼電器觸點比傳統的機電繼電器具有更長的壽命，并且相對不受大范圍環境溫度的影響。 

固態繼電器在輸入LED和輸出光電探測器晶體管之間進行光耦合控制。固態繼電器在輸入和輸出之間可以具有高達1500 Vrms的隔離度。許多器件旨在通過在零電壓交叉點啟動開關的邏輯來消除EMI / RF產生。固態繼電器的版本可以具有低于1 μA的低斷態輸出泄漏電流，以最大程度地降低功耗。它們采用節省空間的表面貼裝封裝。

您對驅動器組件的選擇取決于確保觸點或輸出對將要使用的輸出類型具有足夠的驅動器容量。尺寸，功耗和成本將是您在選擇驅動器組件時要考慮的其他因素。  

被動紅外運動探測器的安全標準

表1列出了您的設計需要遵循的關鍵標準，以便可以對其進行認證并獲得市場認可。在開發項目中遵守這些標準將減少認證成本并減少認證時間。符合IEC標準將允許您的產品在全球所有地區銷售。 

表1.規范無源紅外運動探測器安全性和最低操作要求的標準

健壯，可靠的設計可以減少組件數量，降低開發成本

對于紅外探測器設計，堅固的設計僅需要幾個保護組件。您可以利用鏡頭/傳感器/微控制器封裝來減少零件數量并最大化產品可靠性。確保將標準合規性作為開發項目的重要內容，以節省認證時間和成本。我們建議您利用制造商的應用專業知識來幫助節省選擇保護和控制組件的時間，并節省大量的設計時間。制造商還可以提供有關將哪些標準應用于設計的指南，并提供有關如何確保合規性的指南。這些建議將幫助您實現可靠，可靠的設計，從而減少現場故障，并獲得更具成本效益和利潤的產品。