在开发安防系统和无线医疗监测设备等应用时，设计的成功与否取决于诸多因素。然而，对于这类电池供电的联网应用，设计复杂性和电源效率可能是其中最为重要的因素。这是因为，如需延长终端应用所需的电池寿命，就必须降低平均功耗。为了打造可靠且寿命更长的设计，同时更好地满足这类应用的功耗要求，设计人员应首先考虑使用外形小巧，内置智能、复杂的特性和功能，同时具有节能效果的单片机（MCU）。此类MCU能够处理应用所需的大多数任务，因此有助于降低传感器节点设计对外部无源元件的需求，同时具有低功耗和其他内置特性，能够提高灵活性和简便性。
例如，在设计家庭安防系统等应用的电池供电传感器节点时，通常会在住宅内外使用无源红外（PIR）传感器检测可疑的运动。PIR传感器可检测传感器元件所感知的红外辐射量的变化，这种变化会因传感器检测范围内物体的温度和表面特性而有所不同。当有人经过传感器检测范围时，传感器会检测到环境温度变为人体体温，然后再恢复至环境温度。它会将人进入时所引起的红外辐射量变化转换为输出电压（VPIR(t)）的变化。对于与环境温度相同但表面特性不同的其他物体，传感器也会检测到不同的辐射模式，如图1所示。
图1.PIR传感器运动检测原理
PIR传感器的输出信号电平通常非常低，不足1 mV。若要检测到运动同时避免误检，需要先将模拟信号放大再由模数转换器（ADC）进行采样。在典型的PIR解决方案中，信号放大使用高增益多级运算放大器（Op Amp）实现，而这会提高设计的复杂性、增加元件数量、降低电源效率和增加成本等。请继续阅读下文，了解小巧又节能的MCU如何帮助降低这些不利影响。
设计复杂性
若PIR传感器节点设计基于具有所需功能集（如12位差分ADC和可编程增益放大器（PGA））的小型MCU，则可降低对外部元件的需求，并可节省电路板空间和物料清单（BOM）成本。因此，可以考虑使用MickroE的PIR click传感器。它是一块印刷电路板（PCB)，其中包含了形成正常工作的PIR传感器节点所需的所有无源元件。该click板基于运放解决方案，ADC、电阻和电容均已包括在内，因此可开箱即用，便于轻松进行原型设计和评估。为便于轻松进行原型设计，可以采用的典型设置为，将PIR click板与Microchip适用于Click boards™的Curiosity Nano基板和Curiosity Nano评估工具包搭配使用。如果使用Microchip Technology具有12位差分ADC和PGA的ATtiny1627等MCU，PIR传感器节点解决方案可以获得优势。由于无需使用外部运放放大信号，可显著减少外部元件的数量。再加上无需外部ADC，因此还可以省去电阻和电容等其他多种无源元件。
因此，使用此类MCU，可显著减少PIR click的PCB布线工作。图2展示了可以省去的元件（X）以及新的连接方式（蓝色线条）。
注：图中展示了在PIR click的基础上进行修改的示例，因为这种修改比设计新的PCB并获取所需元件更为方便。修改后的解决方案与click板的用途并不冲突。
图2.PIR click修改示例和原理图
经过上述修改后，即可利用内置的12位差分ADC和PGA。选择适合的MCU后，可大大减少所需的外部元件，如图3所示。
图3.修改后的PIR click和原理图
电源效率
对无线传感器节点而言，功耗是一项重要考量因素。这是因为电池的使用寿命越长，传感器节点的使用寿命就越长，因此整个传感器网络系统的使用寿命也就越长。这一点对所有无线传感器系统都适用。如果已安装数十、数百甚至数千个传感器来实现不同的监测功能，当节点关闭时，则该节点将被视为死亡或功能异常。对于较大型的传感器系统，更换电池或节点本身意味着为最终用户带来额外成本，并且在节点处于关闭状态时，系统将会失效或无法充分发挥作用，因此在发生意外事件时可能不会发出通知。因此，电池的使用寿命越长越好。
由于MCU具有休眠模式并且可快速唤醒，每个传感器节点的功耗都可以达到非常低的水平。节点可以休眠，当在传感器检测范围内出现温度变化并由此检测到运动时，节点就会快速唤醒，并在完成信号处理后返回休眠模式。因此，能够延长每个电池供电节点的工作时间，而无需更换电池。请参见图4，了解使用休眠模式和快速唤醒时CPU的运行方式。功耗取决于具体应用，并且会根据PIR传感器的配置、采样时间和滤波参数而有所不同，这些因素也会影响传感器的检测范围和/或灵敏度。若应用需要达到更低的功耗，可以对这些参数进行调整，进一步降低功耗。
图4. 固件时序图
ATtiny1627等MCU外形小巧且功能强大，并且内置有智能、复杂的特性和功能，可改进电流消耗和功耗效率，从而延长电池供电联网应用的使用寿命，同时降低设计复杂性、削减系统总成本和缩短上市时间。如需了解有关如何设计低功耗和经济实用的PIR运动检测应用的详细信息，请访问www.microchip.com。
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