基于ATtiny1627 MCU的運動感應(yīng)器

我有一位管理系內(nèi)電子實驗室的實驗室工程師朋友。他解決的問題之一是計算房間內(nèi)的學生人數(shù)，以便量化實驗室的使用情況。有很多方法可以解決這個問題——視覺攝像頭、雷達傳感器、門開關(guān)等……但是，該解決方案還必須符合有關(guān)隱私的法律，并且可以在不損壞實驗室空間的情況下進行安裝——這意味著一些解決方案，例如視覺相機，幾乎立即離開了桌子。

雖然他已經(jīng)退休，但這個問題仍然是一個有趣的練習。解決此問題的一種可能方法是使用無源紅外 (PIR) 傳感器。PIR 傳感器被動地吸收傳感器視場中的紅外輻射。當環(huán)境中的紅外線量發(fā)生變化時，傳感器的輸出也會發(fā)生變化。這表現(xiàn)為大直流偏置上的小交流信號。通過監(jiān)測抵消直流偏移的差分電壓，可以檢測到環(huán)境的變化。

所述微控制器ATtiny1627家族包含帶有可編程增益放大器（PGA）差動模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC） ，其可提供此傳感器敏感的模擬接口。ATtiny1627 系列中的 ADC 通過過采樣可以達到 17 位的最大分辨率，但它通常用于 12 位分辨率。

模擬傳感器調(diào)節(jié)和接口
標準單端 ADC 無法直接可靠地測量 PIR 傳感器。交流信號（當存在時）非常小，直流偏置非常大。對此的一種解決方案是將 PIR 傳感器輸出視為差分信號，而不是相對于地面測量的信號。

在信號進入ATtiny1627進行差分放大和測量之前，兩個 RC 低通濾波器（以不同的滾降頻率）用于創(chuàng)建差分信號的“正”和“負”分量。

正側(cè) RC 濾波器由一個 470kΩ 歐姆電阻器和一個 100nF 電容器構(gòu)成，截止頻率為 3.38Hz。該濾波器讓來自 PIR 傳感器的交流信號和直流偏置一起通過，同時阻止高頻噪聲。

負側(cè) RC 濾波器由一個 470kΩ 電阻器和一個 2.2μF 電容器構(gòu)成，截止頻率為 0.154Hz。該濾波器旨在通過直流偏置，同時拒絕來自被動紅外傳感器的交流信號。

兩個低通濾波器創(chuàng)建了一個有效的帶通濾波器——低于兩個濾波器截止頻率的頻率出現(xiàn)在兩個輸入端（減去濾波器的任何損耗）。由于 ADC 是差分的，因此這些信號被減去。高于兩個截止頻率的信號會被 RC 濾波器嚴重衰減，從而最大限度地減少它們的影響。最后，被一個濾波器衰減并被另一個濾波器通過的信號將是最強的輸入信號。下圖顯示了MPLAB? Mindi? 模擬仿真器中濾波器響應(yīng)的仿真。

軟件操作
啟動時，ATtiny1627 會初始化正在使用的外設(shè)：

• 帶 PGA 的差分 ADC
• 周期性中斷定時器 (PIT)
• 事件系統(tǒng) (EVSYS)
• USART（用于串行通信，如果啟用）

然后微控制器進入預(yù)熱階段，在該階段初始化設(shè)備上的 2 個數(shù)字濾波器——一個短期平均濾波器和一個長期平均濾波器。這些過濾器用于檢測隨時間的運動。在預(yù)熱期間，LED 以 1Hz 的頻率閃爍。

初始化外圍設(shè)備和數(shù)字濾波器后，微控制器進入睡眠狀態(tài)。在睡眠狀態(tài)下，微控制器的功耗非常低，從而延長了電池壽命（有關(guān)各種設(shè)置下功耗的更多信息，請參閱應(yīng)用說明）。通過事件系統(tǒng)中連接的 PIT 信號定期觸發(fā) ADC，而不會喚醒微控制器。

執(zhí)行轉(zhuǎn)換后，ADC 通過觸發(fā)中斷喚醒微控制器。微控制器使用來自 ADC 的值更新數(shù)字濾波器。為了確定是否發(fā)生了運動，微控制器會比較長期和短期濾波器之間的差異，以查看是否超過了閾值。如果超過閾值，則檢測到運動，并且 LED I/O 線連接到來自 PIT 的 4 Hz 信號。

修改 PIR 傳感器板
為了演示此應(yīng)用，使用 MikroE 的 PIR Click Board? 作為起點。該板對 PIR 傳感器的輸出進行過濾、放大和測量（通過內(nèi)置的 ADC）。但是，ATtiny1627 不需要這些部件中的大部分——2 個運算放大器、6 個電阻器和 4 個電容器可以通過使用帶有 PGA 的內(nèi)部差分 ADC 從該板的部件列表中刪除。（注意：這些說明還刪除了包含的 12 位 ADC 和相關(guān)組件。）

警告：修改開發(fā)板風險自負！

首先，從點擊板上移除以下部件：

• R2、R3、R4、R5、R7、R8、R9、R10、R11 和 R12 - （可選）也可以移除 R1 以節(jié)省電量
• U2和U3
• C1、C2、C3、C6 和 C7

然后，將以下部分添加到封裝中：

• R5 = 470kΩ 電阻
• R8 = 100nF 電容
• R11 = 470kΩ 電阻
• C1 = 2.2μF 電容

安裝完所有部件后，添加以下跳線和短褲（有關(guān)視覺指南，請參見下圖）：

• J1：將 R11 的右側(cè)連接到 C4 的頂部焊盤
• J2：將 R4 的頂部焊盤連接到接頭的右上方引腳（標記為 NC）
• J3：短接U3右側(cè)底部兩個焊盤
• J4：短接U3左側(cè)中間兩個焊盤
• J5：將 C1 的頂部焊盤連接到接頭的左上方引腳（標記為 AN）

設(shè)置演示
關(guān)閉電源，插入修改后的板子和 ATtiny1627 Curiosity Nano，如圖：

接下來，使用 USB 電纜將 Curiosity Nano 連接到您的 PC。

好奇心納米編程
首先，從 Github 獲取代碼示例的副本，然后解壓縮下載的文件夾。啟動 Microchip Studio（以前稱為 Atmel Studio）并打開項目。編譯和編程 ATtiny1627。如果一切順利，在傳感器前揮手或走動應(yīng)該會導致板上 LED 閃爍。

程序選項
在此程序中，可以啟用或調(diào)整一些設(shè)置以進行調(diào)試或與其他 PIR 傳感器連接：

• PIR_OVERSAMPLE_RATE – 設(shè)置喚醒前 ADC 收集的樣本數(shù)量。影響 ADC 的分辨率和噪聲抑制。
• PIR_SAMPLE_RATE_PER_SECOND – 設(shè)置喚醒 ADC 以收集樣本的次數(shù)。影響應(yīng)用程序的延遲。
• PIR_PGA_GAIN – 設(shè)置 ADC 內(nèi)部 PGA 的增益。更改此值將影響信號的比例。
• PIR_DETECTION_THRESHOLD – 設(shè)置檢測運動的閾值。如果傳感器檢測不到運動，或檢測到運動時沒有運動，則應(yīng)調(diào)整此值。
• PIR_WARMUP_TIME_MS – 如果需要，設(shè)置 PIR 傳感器預(yù)熱的延遲時間。
• PIR_LONG_TERM_FILTER_RANGE – 設(shè)置長期濾波器平均使用的樣本數(shù)。
• PIR_SHORT_TERM_FILTER_RANGE – 設(shè)置短期濾波器平均使用的樣本數(shù)。
• PIR_DEBUG_MESSAGES – 取消注釋時，此宏啟用到 PC 的 UART 調(diào)試消息。MPLAB Data Visualizer 可用于查看該數(shù)據(jù)（見下節(jié)）。
• 使用 MPLAB Data Visualizer 進行調(diào)試
• MPLAB Data Visualizer 是一個免費插件，可在終端窗口或圖形中顯示來自虛擬 COM 端口的數(shù)據(jù)。在此應(yīng)用中，啟用 PIR_DEBUG_MESSAGES 將導致 ATtiny1627 微控制器通過板載編程器向 PC 發(fā)送數(shù)據(jù)。

使用 MPLAB Data Visualizer 進行調(diào)試
MPLAB Data Visualizer 是一個免費插件，可在終端窗口或圖形中顯示來自虛擬 COM 端口的數(shù)據(jù)。在此應(yīng)用中，啟用 PIR_DEBUG_MESSAGES 將導致 ATtiny1627 微控制器通過板載編程器向 PC 發(fā)送數(shù)據(jù)。