二維旋轉(zhuǎn)熱釋電型紅外防盜報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)

摘 要：熱釋電紅外防盜報(bào)警器由于其隱蔽性好、使用不受時(shí)間限制，在生活中應(yīng)用廣泛。普通的熱釋電報(bào)警裝置只能檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)的物體且探測(cè)范圍小，基于此，設(shè)計(jì)了由光學(xué)系統(tǒng)部分、信號(hào)放大處理部分和機(jī)械執(zhí)行部分組成的二維旋轉(zhuǎn)紅外熱釋電防盜報(bào)警裝置，其不僅可以檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的生物，還能探測(cè)到靜止的生物，且探測(cè)范圍最大可達(dá)二維面的360°，具有硬件電路簡(jiǎn)單、小額成本等特點(diǎn)。經(jīng)測(cè)試表明，該報(bào)警器安全可靠，可以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：熱釋電紅外傳感器；報(bào)警器；旋轉(zhuǎn)；STC89C52

引言

在當(dāng)今社會(huì)，隨著人類(lèi)對(duì)安防要求的提高，它們被廣泛安置于住宅區(qū)、樓道等的周?chē)?，保護(hù)著人們的財(cái)產(chǎn)安全。目前國(guó)內(nèi)的防盜報(bào)警裝置多以紅外、微波、氣感探測(cè)器為主導(dǎo)。而紅外報(bào)警裝置有主動(dòng)式與被動(dòng)式：主動(dòng)紅外報(bào)警是發(fā)射機(jī)向接收機(jī)發(fā)送紅外線(xiàn)，當(dāng)紅外線(xiàn)碰到障礙物阻擋則產(chǎn)生報(bào)警；被動(dòng)紅外報(bào)警是在規(guī)定區(qū)域內(nèi)探測(cè)到紅外輻射后立即響應(yīng)。被動(dòng)紅外報(bào)警不需要紅外發(fā)射源、且探測(cè)范圍廣、靈敏度高，其在安防領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

被動(dòng)式紅外報(bào)警器大多使用熱釋電紅外傳感器，生物的橫向運(yùn)動(dòng)，使傳感器內(nèi)部產(chǎn)生的溫差信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，當(dāng)人體靜止或相對(duì)于報(bào)警器垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，探測(cè)不到溫度變化不會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)，且熱釋電紅外傳感器探測(cè)角度僅為95°左右，不法分子仍有機(jī)可乘。針對(duì)這種情況，文章提出了一種不僅可以檢測(cè)靜止生物，而且探測(cè)范圍廣的報(bào)警器，與現(xiàn)有報(bào)警器相比，靈活性更高。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以熱釋電紅外傳感器及BISS0001芯片為報(bào)警部分，結(jié)合STC89C52單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)探測(cè)及報(bào)警的功能。二維旋轉(zhuǎn)熱釋電紅外報(bào)警的工作過(guò)程：工作電壓下，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，帶動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)及熱釋電傳感器掃描探測(cè)區(qū)域，當(dāng)有人在探測(cè)區(qū)域時(shí)，熱釋電傳感器的穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)，使得無(wú)論人是運(yùn)動(dòng)或靜止，傳感器均會(huì)出現(xiàn)電極變換產(chǎn)生電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)熱釋電感應(yīng)芯片BISS0001后，將信號(hào)放大及處理，驅(qū)動(dòng)負(fù)載實(shí)現(xiàn)報(bào)警。

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 熱釋電紅外傳感器及菲涅爾透鏡

熱釋電紅外傳感器是一種高熱電系數(shù)材料，是可以將熱能轉(zhuǎn)換成電荷的傳感器件，內(nèi)部有逆極性串聯(lián)的熱電元，遵循熱電效應(yīng)原理，感應(yīng)外界紅外輻射的能量變化，再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出[1]。熱釋電紅外傳感器表面的干涉濾光片，能有效選取7～14μm以?xún)?nèi)的波長(zhǎng)，由于人體發(fā)射的紅外線(xiàn)波長(zhǎng)大約為9.6μm，因此可以檢測(cè)到人體以及體溫與人相近的生物的活動(dòng)，避免了其他波長(zhǎng)的紅外輻射的干擾。

熱釋電紅外傳感器探測(cè)距離僅2m左右，且溫度變化容易被環(huán)境干擾。在熱釋電紅外傳感器前端加菲涅爾透鏡，可以?xún)?yōu)化傳感器性能。菲涅爾透鏡內(nèi)側(cè)分布著等距鋸齒紋，通過(guò)對(duì)光譜折射或反射，可以將紅外光線(xiàn)聚焦在傳感器的濾光片上，且齒紋上產(chǎn)生的明區(qū)和暗區(qū)更容易獲得溫差？駐T，探測(cè)距離可延長(zhǎng)至7～10m。

2.2 信號(hào)放大及處理

傳感器輸出的微弱電信號(hào)的放大，采用了BISS0001專(zhuān)用集成電路，芯片內(nèi)部由運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制、延時(shí)定時(shí)鎖存組成[2]。電路設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

基本工作原理：接收到的紅外信號(hào)在去除交流干擾之后，通過(guò)14、15、16引腳完成信號(hào)一級(jí)放大，又經(jīng)過(guò)13、12引腳及內(nèi)置Vm電壓完成信號(hào)二級(jí)放大，輸出到BISS0001內(nèi)部的雙向鑒幅器。鑒幅器可以抑制干擾信號(hào)，得到可以觸發(fā)延時(shí)器的有效信號(hào)Vs。9端口為禁止觸發(fā)端，接收電壓Vc，與內(nèi)置電壓Vr比較，當(dāng)VcVr 時(shí)允許觸發(fā)延時(shí)器。通過(guò)外圍電路中的電阻和電容，可以得到延時(shí)時(shí)間和觸發(fā)封鎖時(shí)間，并作用于3、4引腳和5、6引腳。2引腳輸出最終信號(hào)，通過(guò)晶體管放大再驅(qū)動(dòng)負(fù)載報(bào)警。1引腳與電源端相連，將芯片置于可重復(fù)觸發(fā)模式，即只要有人經(jīng)過(guò)，將不停的觸發(fā)報(bào)警器，提高了報(bào)警器的準(zhǔn)確性。

2.3 機(jī)械執(zhí)行部分

報(bào)警器的旋轉(zhuǎn)部分采用了STC89C52型單片機(jī)控制四相五線(xiàn)步進(jìn)電機(jī)，其中需用到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯ULN2003AGP。ULN2003AGP在5V工作電壓下能與TTL和COMS電路直接相連，可直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來(lái)處理的數(shù)據(jù)，其采用集電開(kāi)路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)[3]。選取28BYJ48型步進(jìn)電機(jī)，其采用直流電源供電，減速比為64，內(nèi)部轉(zhuǎn)子步距角為5.625，步進(jìn)電機(jī)的A、B、C、D相繞組按設(shè)定的時(shí)序通電，電機(jī)即可轉(zhuǎn)動(dòng)。文章單片機(jī)處于最小系統(tǒng)下工作，主要由電源、復(fù)位電路、振蕩電路及擴(kuò)展部分等組成[4]。

設(shè)計(jì)思路：?jiǎn)纹瑱C(jī)產(chǎn)生脈沖序列和方向控制信號(hào)從P2.0～P2.3口輸出，接入U(xiǎn)LM2003芯片進(jìn)行功率放大，達(dá)到步進(jìn)電機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)電流和電壓，步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始工作。本設(shè)計(jì)采用四相八拍實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)。人機(jī)交互模式采用獨(dú)立按鍵，由單片機(jī)P3.0引腳控制，工作方式為中斷類(lèi)型，執(zhí)行對(duì)步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)/停止操作。電機(jī)控制仿真電路圖如圖4所示。

電機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)程序相似，軟件設(shè)計(jì)部分僅給出正轉(zhuǎn)程序。本設(shè)計(jì)以四相八拍實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)：

A-AB-B-BC-C-CD-D-DA，所以賦初值為：

unsigned char FORWARD_BUF[8]={0x10，0x30，0x20，0x60，0x4

0，0xC0，0x80，0x90}；

正轉(zhuǎn)子程序如下：

void MOTOR_FOREARD（void）

{unsigned char i；

unsigned char j；

for（i=0；i<=12；i++） //30°×12=360°正轉(zhuǎn)一圈

{for（j=0；j<8；j++） //8次共轉(zhuǎn)30°

{P2=FORWARD_BUF[j]；

delayMs（3）； //調(diào)整轉(zhuǎn)速

}

}

P2=0； //停止轉(zhuǎn)動(dòng)

}

初始化時(shí)，P3.0為高電平，當(dāng)檢測(cè)到P3.0為0時(shí)，電機(jī)的正反轉(zhuǎn)子程序啟動(dòng)，且每完成一次循環(huán)時(shí)檢查電平是否仍符合轉(zhuǎn)動(dòng)條件。焊接的實(shí)物圖如圖5所示。經(jīng)測(cè)試，報(bào)警器基本可以達(dá)到預(yù)期效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章設(shè)計(jì)的熱釋電紅外報(bào)警器，針對(duì)熱釋電紅外傳感器不能探測(cè)靜止和垂直運(yùn)動(dòng)的物體而做了改進(jìn)，完成了系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)，使報(bào)警器的探測(cè)范圍達(dá)到360度，同時(shí)設(shè)置了控制開(kāi)關(guān)，在不需要報(bào)警的時(shí)段可以有效節(jié)能。由于傳感器在高溫、通風(fēng)處?kù)`敏性會(huì)降低，所以限制了報(bào)警器的使用環(huán)境，在這些方面還有待提高。

參考文獻(xiàn)

[1]易金橋，黃勇.熱釋電紅外傳感器及其在人員計(jì)數(shù)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].紅外與激光工程，2015，44（4）：1186-1192.

[2]陳文星，付繼宗，魏建英.基于BISS0001信號(hào)放大電路的人體紅外感應(yīng)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)[J].電腦開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2013，26（2）：67-68.

[3]王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[4]張毅剛，彭喜元.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].高等教育出版社，2010.

作者簡(jiǎn)介：王曼曼（1990-），女，漢族，碩士研究生，主要研究方向：智能儀器。

肖婷婷（1990-），女，漢族，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)械電子工程，機(jī)器人。

趙川（1990-），男，漢族，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)械電子工程。