Алексей Пантелейчук (Texas Instruments)
«Кнопки коснется рукой – сам зажигается свет», – фантазировали участники петербургского «Цеха поэтов» в 20-е годы прошлого века в коллективной пародии на античные переводы. Технический прогресс и требования экономии электроэнергии привели к распространению датчиков движения – отныне, чтобы свет зажигался, достаточно было войти в комнату. В статье рассматриваются принципы построения датчика движения/присутствия с использованием микроконтроллеров семейства MSP430G2xx компании Texas Instruments. Такой датчик отличается низкой ценой и энергопотреблением, в результате чего может быть использован в системах освещения и безопасности вместо решений на базе дискретных компонентов. При этом увеличивается функциональность и интеллектуальность системы.
В настоящее время мы наблюдаем тенденции сокращения энергопотребления во многих сферах жизнедеятельности. Вопросы экономии энергии все чаще поднимаются на уровне правительства и нередко решаются путем наложения санкций на энергозатратные устройства и принятием законов, обязывающих использовать системы учета энергии ресурсов. Таким образом, при выборе элементной базы для разрабатываемого устройства энергоэкономичность все чаще становится определяющим фактором. Все это как нельзя лучше проявляется в системах освещения.
Снизить затраты на освещение можно различными способами. Первое, что как раз сейчас у всех на слуху - переход на летнее/зимнее время. К моменту выхода этой статьи в России стрелки часов в последний раз будут переведены на час вперед. Об эффективности таких переходов с точки зрения энергопотребления и здоровья населения в этой статье мы распространяться не будем. Второй способ - переход на светодиодное освещение. То, что светодиоды значительно экономичнее по энергопотреблению и безопаснее для окружающей среды, ни для кого не секрет. Но массовый переход пока сдерживает фактор стоимости, несмотря на то, что вложения в конечном итоге себя оправдают. Снижать затраты на освещение можно также административно. Например, выкрутив в офисе каждую вторую лампочку. Некоторое время назад автор сам побывал в такой ситуации. Несмотря на то, что такой подход позволяет очень быстро и без особых усилий снизить затраты вдвое, актуальным становится вопрос здоровья и лояльности сотрудников. Третий способ - воспитание культурных качеств человека за счет расклеивания рядом с выключателями бумажек с призывами погасить свет при выходе из помещения. Опять же, мы часто можем увидеть горящий свет в пустом помещении с такими предупреждениями. Как быть? Идеальным решением было бы использование таких интеллектуальных систем освещения, которые были бы построены на энергоэффективных компонентах, регулировали бы свою яркость в зависимости от внешней освещенности, включались бы только при необходимости и при всем этом имели бы низкую стоимость. С развитием технологий производства светодиодов, увеличением объемов их производства, а также за счет интеграции микроконтроллеров в системы освещения, все это становится реальным.
В статье мы рассмотрим пример построения датчика движения/присутствия для систем освещения с использованием микроконтроллеров семейства MSP430G2xx. О самом семействе MSP430G2xx, отличительных особенностях его представителей, уникальности средств разработки можно узнать из других статей этого номера. Здесь же следует отметить, что за счет очень низкой цены, но при этом - высокой функциональности и экономичности, эти микроконтроллеры позволяют заменить решения на основе дискретных компонентов, что интересно не только для систем освещения, но и других приложении с использованием датчиков движения, например, для систем безопасности.
Датчик движения/присутствия может строиться на различных принципах. Самое простое - определять присутствие человека (либо другого живого существа) по звуку. Для этого используется микрофон, выходной сигнал которого сравнивается с заданным уровнем, при превышении которого принимается решение о наличии человека в помещении. На этом принципе работает большинство датчиков присутствия систем освещения ЖКХ, которые мы уже часто можем увидеть на лестничных площадках новых домов. За счет того, что звук, переотражаясь от стен, легко достигает датчика, такие решения не критичны к месту установки и их монтаж не требует высокой квалификации персонала. Но для офисных светильников, а также для коридоров гостиниц, где пол обит ковролином, «звуковой» датчик присутствия - не самый лучший выбор. Чтобы не вынуждать присутствующих в этом случае специально шуметь перед лампой, дабы она включилась, для таких систем освещения целесообразно использовать датчик движения, основанный на другом принципе - пироэлектрическом.
Датчик движения/присутствия, основанный на пироэлектрическом принципе, отслеживает уровень инфракрасного излучения в поле зрения датчика. Сигнал на выходе пироэлектрического датчика зависит от уровня ИК-излучения. При появлении человека или другого объекта с температурой большей, чем температура фона, на выходе пироэлектрического датчика повышается напряжение. Для того чтобы определить, движется ли объект, в датчике используется линза Френеля, фокусирующая ИК-излучение на область чувствительности. При перемещении объекта, инфракрасное излучение от него улавливается и фокусируется разными сегментами линзы, что формирует несколько последовательных импульсов на выходе пироэлектрического датчика. Выходной сигнал пироэлектрического датчика имеет уровень нескольких милливольт, следовательно, для его последующей обработки потребуется микроконтроллер с АЦП высокой точности, либо использование предварительного каскада усиления. Микроконтроллер MSP430F2013, применение которого в датчике движения подробно описывается в документе SLAA273A (доступен на сайте Texas Instruments), имеет встроенный 16-битный сигма-дельта АЦП, что позволяет подключать пироэлектрический датчик непосредственно к микроконтроллеру, уменьшив тем самым габаритные размеры устройства. Однако, с точки зрения цены, для рассматриваемого приложения выгоднее использовать микроконтроллеры MSP430G2xx в паре с операционным усилителем. В таблице 1 приведены варианты микроконтроллеров MSP430 для использования в датчике движения/присутствия.
Таблица 1. Варианты микроконтроллеров MSP430 для датчика движения
|
Микроконтроллер
|
Flash
|
АЦП
|
Цена на сайте
|
|
1 КБайт
|
16 бит
|
от $1.50
|
|
|
1 КБайт
|
10 бит
|
от $0.70
|
|
|
0.5 КБайт
|
компаратор
|
от $0.45
|
Пироэлектрические датчики могут содержать сразу две чувствительные области, причем при воздействии на одну из областей напряжение на выходе датчика увеличивается, а при воздействии на вторую - уменьшается (рисунок 1).
Рис. 1. Принцип действия пироэлектрического датчика
Применение сдвоенного пироэлектрического датчика предоставляет возможность не только детектировать появление объекта инфракрасного излучения, но также и определять направление его движения. Кроме этого, при воздействии на обе области одновременно, выходной сигнал пироэлектрического датчика не меняется, то есть снижается вероятность ложных срабатываний (появление солнца из-за туч, изменение температуры в помещении). В свою очередь, применение датчика с одной чувствительной зоной позволяет по изменению среднего уровня выходного сигнала косвенно определить уровень освещенности в помещении, избавившись, таким образом, от дополнительного фотодиода или фоторезистора в приложении.
В этой статье в качестве примера мы рассмотрим применение сдвоенного пироэлектрического датчика, хотя схема может быть легко адаптирована под другой тип. Принципиальная схема подключения показана на рисунке 2.
Рис. 2. Принципиальная схема датчика движения
Выходной сигнал пироэлектрического датчика усиливается с помощью двух каскадов операционных усилителей. Для уменьшения стоимости и занимаемого места на плате лучше использовать сдвоенный усилитель, например, LM358, LM2904 или OPA2348 (таблица 2). При этом, если необходимо оптимизировать решение по цене, и энергопотребление не критично, преимущество имеют LM358 и LM2904. Но если датчик движения имеет батарейное питание, следует обратить внимание на OPA2348.
Таблица 2. Варианты операционных усилителей для пироэлектрического датчика движения
|
ОУ
|
Число
каналов |
Iq для одного канала,
мкА |
Напряжение питания,
В |
Цена на 1 тыс. штук,
USD |
|
LM358
|
2
|
600
|
от 3 до 32
|
от 0.13
|
|
LM2904
|
2
|
600
|
от 3 до 26
|
от 0.13
|
|
OPA2348
|
2
|
65
|
от 2.1 до 5.5
|
от 0.60
|
Пироэлектрический датчик долго стабилизируется (типичное значение - около 5 с), поэтому он остается включенным все время, в то время как на операционные усилители питание может быть подано (с вывода микроконтроллера) непосредственно перед запуском АЦП микроконтроллера.
Блок-схема алгоритма работы микроконтроллера в датчике движения приведена на рисунке 3.
Рис. 3. Блок-схема алгоритма работы микроконтроллера в датчике движения
Микроконтроллер большую часть времени находится в режиме сниженного энергопотребления LPM3, время от времени «просыпаясь» для осуществления аналогово-цифрового преобразования выходного сигнала пироэлектрического датчика, вычисления разницы между текущим и предыдущим значением АЦП, принятия решения. Таймер, остающийся включенным в режиме LPM3, отмеряет интервал между включениями АЦП. Так как при этом высокой точности тактового сигнала не требуется, в качестве источника синхросигнала для таймера используется встроенный низкочастотный осциллятор VLO микроконтроллера. Номинальная частота осциллятора составляет 12 кГц, а потребление микроконтроллера MSP430G2131 в режиме LPM3 с включенным VLO находится в границах от 0,5 до 0,7 мкА. При переходе в активный режим включается встроенный высокочастотный осциллятор DCO, стабилизирующийся за 1 мкс. Энергопотребление в активном режиме возрастает до 220 мкА/МГц.
Микроконтроллер MSP430F2131 содержит 10-битный АЦП со скоростью преобразования 200 тысяч выборок в секунду. Этот АЦП, ADC10, имеет встроенный генератор опорного напряжения 1,5/2,5 В, но для того, чтобы снизить энергопотребление (потребляемый генератором ток составляет около 400 мкА), в нашем случае целесообразно в качестве опорного сигнала использовать напряжение питания микроконтроллера. Если же для приложения энергопотребление не критично, активировав генератор опорного напряжения, можно увеличить точность преобразования. АЦП микроконтроллера MSP430F2131 имеет десять мультиплексированных входных каналов, восемь из которых выведены наружу, два внутренних канала используются для подключения к встроенному температурному датчику и резистивному делителю напряжения питания. Таким образом, функциональности и производительности ADC10 достаточно для подключения, помимо пироэлектрического датчика, еще и микрофона, фотодиода или фоторезистора, чтобы получить комбинированное решение.
Таймер Timer_A микроконтроллера имеет 16-битный счетчик и два регистра захвата/сравнения для реализации различных режимов работы, таких как генерация ШИМ-сигнала (в том числе - с зоной неперекрытия), вычисление длительности внешних импульсов. В нашем примере таймер задействован для отсчета интервалов между включениями АЦП. В действительности, производительности и функциональности таймера достаточно для формирования управляющих сигналов для источника питания системы освещения (плавная регулировка светового потока). Кроме таймера Timer_A микроконтроллер MSP430F2131 содержит сторожевой таймер WDT+, поддерживающий работу в режиме интервального таймера. Таким образом, при реализации сложных ШИМ-алгоритмов на базе Timer_A, всю нагрузку по отсчету интервалов между включениями АЦП можно перевести на WDT+.
Ядро микроконтроллера задействуется только для вычисления разницы между полученным результатом АЦП и предыдущим значением (|new - old|), сравнения этой разницы с заданным порогом и принятия решения при превышении порога (threshold). Если порог превышен, микроконтроллер либо просто меняет состояние одного из выводов, к которому подключено реле, либо генерирует управляющий ШИМ-сигнал для источника питания светильника таким образом, чтобы светильник увеличил свою яркость до нужного уровня. Кроме этого, с помощью таймера микроконтроллера (либо сторожевого таймера) может быть организована задержка выключения освещения.
В настоящей статье мы рассмотрели только несколько основных принципов построения систем управления включением освещения. Некоторые вопросы были только озвучены, но не рассмотрены подробно, так как это невозможно осуществить в одной статье. В любом случае, использование микроконтроллера в таких приложениях увеличивает на порядок функциональность устройства, а выбор MSP430G2xx еще и сокращает цену и энергопотребление самих компонентов.
Литература
- MSP430x2xx Family User's Guide (SLAU144).
- MSP430G2131 Mixed Signal Microcontroller Data Sheet (SLAS694E).
- "Infrared Parts Manual: PIR325 & FL65", GLOLAB Corporation, http://www.glolab.com/.
- Pyroelectric Infrared Sensors Catalog, Murata Manufacturing Co., Ltd, http://www.murata.com/.
- http://www.wikipedia.org/.
