应用领域：工业电子

方案类型：芯片级方案

主控芯片：TI

方案概述

运动检测器或占位检测器在楼宇自动化系统中有多项应用。它们可感应某一房间或区域中人的移动和存在，常用作构建安防或照明控制系统的输入器件。无论用作哪种应用，它们都面临着一些影响运动检测器系统的共同设计挑战。

TI 设计展示了针对低功耗设计实现长电池寿命的方法，例如，我们的设计展示了如何使单节纽扣电池实现长达 10 年以上的寿命

TI 设计展示了如何实现运动检测器的低功耗无线通信

TI 广泛的无线通信器件包括 Wi-Fi®、蓝牙、Zigbee 以及其他 2.4GHz 和低于 1GHz 标准，可帮助您针对物联网 (IoT) 进行设计

TI 拥有广泛的运算放大器和比较器产品系列，用于实现各种运动检测方法，包括 PIR 传感器和超声波传感器

特性

• 通过使用纳米级功率模拟实现超低功耗设计，从而

依靠单节 CR2032 纽扣电池实现长达 10 年的电池寿

命

• 2.16μA 的低关断电流(PIR 传感器在关断模式下保

持工作状态)

• 由于处理器工作电流和无线电传输电流较低，因此

可实现超低的工作状态电流

(1.57mA，持续 56.66ms)

• 针对运动情况的中断驱动型蓝牙 无线通信，可节省

更多电量

• 移动灵敏度高达 30 英尺

应用

• 楼宇自动化

• 入侵检测

• 占位检测

• 运动检测

• 室内监视器

• 电池供电系统

1 系统概述

1.1 系统 说明

许多工业和楼宇自动化系统都使用运动检测器检测是否有人从而控制不同的功能(例如照明)，通过在不需要时关闭这些功能来提高效率。此外，这些系统还需要增加无线传感器节点的数量，通过消除接线来降低安装成本，并使系统在未来扩展时更加灵活。然而，大型无线网络的其中一大限制条件是电源。由于这些系统通过电池供电，定期更换电池产生的维护成本十分高昂。根据功耗和电池配置，典型的由电池供电的 PIR 运动检测器可在任意位置运行四到七年，之后需要更换电池。适用于成本优化型系统的超低功耗无线 PIR 运动检测器 TI 设计使用德州仪器 (TI) 的纳米级功率放大器和SimpleLink 超低功耗无线 MCU 平台，展示了一款无需接线，同时又可最大限度延长电池寿命的运动检测器电路的解决方案。

从高层级看，此 TI 设计包含一个 CR2032 纽扣电池、采用单个封装的四个纳米级功率运算放大器、一个超低功耗无线 MCU 和一个带模拟信号输出的 PIR 传感器。两个运算放大器构成一个输入阻抗较高的放大带通滤波器，因此可直接连接到传感器，而无需带负载。其他两个运算放大器构成一个窗口比较器，用于将放大的传感器输出与固定参考阈值进行比较，以便将运动信号与噪声区分开来。窗口比较器的两个输出随后用作无线 MCU 的中断，以使 MCU 能够在未检测到任何运动时以功耗最低的休眠模式工作，并且仅在检测到运动时唤醒，将消息发送回远程主机。由于模拟信号链组件的工作电流为纳安级，此 TI 设计能够使用单个CR2032 纽扣电池实现长达 10 年的电池寿命。

本设计指南介绍了该 TI 参考设计系统的组件选择、设计理论和测试结果。本设计指南旨在引导系统工程师抢先了解集成 TI 毫微功耗模拟组件和 SimpleLink 超低功耗无线 MCU 平台的相关信息。

后续子章节介绍该 TI 设计系统中的各模块以及实现最佳相应功能的最关键特性。

1.1.1 运算放大器

在本 TI 参考设计中，需要对 PIR 传感器输出端的信号进行放大和滤波，使进入信号链后续各级的信号的幅值足以提供有用的信息。还需要将经过放大和滤波的传感器输出转换为可用作 MCU 输入的数字信号。为此，我们使用了一个窗口比较器电路。

对于远处物体的运动而言，PIR 传感器输出端的典型信号电平为微伏级，因此需要进行放大。首先，需要通过滤波功能在输入到达窗口比较器之前限制系统的噪声带宽。其次，滤波功能还可设置系统能够检测到的运动所对应的最小和最大速度限值。

为了在成本优化型系统中实现极长的电池寿命，此 TI 设计采用四路运算放大器 TLV8544，因为每个放大器的电流消耗都较低，为 500nA(典型值)。TLV8544 非常适合此 TI 设计的其他因素包括其输入电压偏移和输入偏置电流均较低，因此可在输入和输出端使用高值电阻器，并实现轨至轨运行。此外，TLV8544 还集成了 EMI 保护以降低对无用射频 (RF) 信号的敏感度，这对于采用高阻抗节点的低功耗设计十分有用。

TLV8544 的前两个放大器级可实现有源滤波器功能。TLV8544 的其余放大器用于构建窗口比较器。

1.1.2 超低功耗无线 MCU

在本 TI 参考设计中，需要将传感器信息传送到某中央位置进行处理。不过，由于功耗始终是电池供电 应用需要关注的问题，因此无线电和处理器必须是低功耗的。此外，终端设备系统所需的无线协议是选择无线电设备的重要考虑因素。

TI 的 SimpleLink 超低功耗无线 MCU 平台兼具低功耗特点与无线电和 MCU 功能，可极大延长传感器终端节点的电池寿命。此外，CC2650 是一款支持多种标准的器件，并且具有 Bluetooth®、 ZigBee®、6LoWPAN 和 ZigBee RF4CE 软件栈支持。此 TI 设计选择了蓝牙协议，但最终硬件也支持其他协议。

1.1.3 纽扣电池

该参考设计采用 CR2032 锂离子纽扣电池作为电源。选择 CR2032 纽扣电池作为电源是因为这类电池普遍适用，尤其在小外形尺寸系统(如传感器终端节点)中的使用更为普遍。锂离子 CR2032 纽扣电池的电压特性也非常理想。输出电压在整个放电周期内保持相对平稳，直到电池基本耗尽。电池电量耗尽时，输出电压下降相对较快。

锂离子电池的温度特性同样优于碱性电池，尤其在低温条件下的优势明显。这种优势是由于锂离子电池中的非水电解质导电性能优于碱性电池中常见的水电解质。不过，CR2032 纽扣电池仍然是工作温度范围的限制因素;所有集成电路和其他电子元件都比电池的额定工作温度范围更宽。因此，本 TI 参考设计系统指定的工作温度范围为 -30°C 至 60°C。只要采用合适的防风雨外壳，该 TI 参考设计系统对室内外环境均适用。

电池后紧跟的是 低RDS_ON P 沟道 MOSFET 和大容量电容。P 沟道 MOSFET 可防止从后面插入纽扣电池时损坏硬件，同时能够最大程度地减小正常工作时的正向压降。选择的大容量电容规格可防止压降过大，尤其在为实现无线电传输而切换到 MCU 开启状态期间更是如此。

1.1.4 PIR 传感器

此 TI 设计选用的传感器是 Murata®IRS-B210ST01 PIR 传感器。选择此传感器的原因在于它采用表面贴装的封装形式并且可提供模拟输出，因此本 TI 参考设计中的低功耗电路可以节省占用面积。

尽管本 TI 参考设计收集的测试结果都是针对特定部件编号的 PIR 传感器，但在采用本 TI 参考设计中演示的技术和电路设计时，使用任何适用的类似 PIR 传感器都有望得出相似的结果。最后，对于任何 PIR 传感器，都需要在传感器之前使用一个透镜来将红外能量集中于传感器元件上，从而扩展检测范围。使用菲涅耳透镜时，可将观察区域的红外图像传送给所有传感器元件。因此，透镜的形状和尺寸决定最大检测角和观察区域。对于本 TI 参考设计，使用 Murata IML-0669 透镜，以便能够演示最大视野和检测范围。归根结底，选择哪种透镜是由应用所需的视野角度和检测范围决定的。

【TLV8544】

适用于成本优化型系统的 500nA 四路 RRIO 纳瓦级功率运算放大器

描述

TLV854x 超低功耗运算放大器适用于无线和低功耗有线设备中的 成本优化型 传感应用。TLV854x 系列运算放大器可最大限度地减少极其注重电池使用寿命的运动检测安全系统(如微波和 PIR 运动传感系统)等设备的功耗。此类器件的互补金属氧化物半导体 (CMOS) 输入级经过精心设计，能够实现超低飞安级失调电流，从而降低 IBIAS 和 IOS 误差，否则会影响敏感 应用。这些方面的示例包括带有兆欧级反馈电阻器的跨阻放大器 (TIA) 配置以及高源阻抗传感 应用。此外，内置的 EMI 保护可降低器件对手机、WiFi、无线电发射器和标签阅读器等发出的无用射频信号的敏感度。

TLV854x 运算放大器采用低至 1.7V 的单电源电压供电，并且可在 –40°C 至 +125°C 的扩展温度范围内、在低电量情况下连续运行。所有版本的额定工作温度范围均为 –40°C 至 125°C。TLV8541(单通道版本)采用 5 引脚 SOT-23 封装，而 TLV8542(双通道版本)采用 8 引脚 SOIC 封装。四通道 TLV8544(四通道版本)采用行业标准 14 引脚 TSSOP 封装。

特性

对于成本优化型系统

纳瓦级功率电源电流：500nA/通道

失调电压：3.1mV(最大值)

TcVos：0.8µV/°C

增益带宽：8kHz

单位增益稳定

低输入失调电流：100fA

宽电源电压范围：1.7V 至 3.6V

轨至轨输入和输出 (RRIO)

温度范围：–40°C 至 +125°C

行业标准封装

四通道 14 引脚 TSSOP 和 SOIC 封装

双通道 8 引脚 SOIC 封装

单通道 5 引脚 SOT-23 封装

无引线封装

双通道 8 引脚 X2QFN 封装

【LPV802】

双通道 320nA 纳瓦级功率运算放大器

描述

LPV801(单通道)和 LPV802(双通道)组成了超低功耗运算放大器系列，适用于由电池供电的无线和低功耗有线设备 中的 感测应用。LPV80x 放大器的带宽为 8kHz，静态电流为 320nA，可最大限度降低运行电池寿命至关重要的设备(如 CO 检测器、烟雾检测器和 PIR 运动检测器)消耗的功率。

除超低功耗特性外，LPV80x 放大器还具有实现毫微微安偏置电流的 CMOS 输入级。LPV80x 放大器还特有一个负轨感测输入级和一个相对于电源轨的摆幅为毫伏级的轨到轨输出级，从而尽可能保持最宽的动态范围。LPV80x 设有电磁干扰 (EMI) 保护，可降低来自手机、WiFi、无线电发射器和标签阅读器的无用射频信号对系统造成的影响。

特性

毫微功耗电源电流：320nA/通道

偏移电压：3.5mV(最大值)

TcVos：1µV/°C

单位增益带宽：8kHz

宽电源电压范围：1.6V 至 5.5V

低输入偏置电流：0.1pA

单位增益稳定

轨到轨输出

无输出反转

EMI 保护

温度范围：–40℃ 至 125℃

行业标准封装：

5 引脚小外形尺寸晶体管 (SOT)-23 封装(单通道版本)

8 引脚超薄小外形尺寸 (VSSOP) 封装(双通道版本)

应用

气体检测器(CO 和 O2 传感器)

PIR 运动检测器

离子化烟雾报警器

温度调节装置

物联网 (IoT) 远程传感器

有效的射频识别 (RFID) 阅读器和标签

便携式医疗设备