郝海峰 陶麗芳
(浙江海洋學院船舶與海洋工程學院,浙江 舟山 316000)
進入21 世紀后,隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展,科學智能化不法行為已經(jīng)成為人們?nèi)找鎿鷳n的焦點,安全的隱患所在,所以科學化、智能化的安防設備對于人們的家居安全尤為重要,家居防盜報警器的發(fā)展主要是基于傳感器之上,人都會釋放熱量,一般能檢測人所釋放的熱是通過紅外原理來檢測的,當溫度高于0K 時,便會發(fā)出紅外線,被動式報警器正是利用這么一個原理,發(fā)出了紅外線,檢測原理和主動式一樣的,溫度敏感的紅外報警強,物體的溫度越高,輻射出的紅外傳感器在高背景輻射強度發(fā)生的環(huán)境,引發(fā)反警報。
紅外檢測是紅外技術(shù)應用的關鍵技術(shù)。在紅外檢測技術(shù)的研究,從以下幾個方面:第一,物理學中告訴我們,溫度高于0K 的任何物體都會產(chǎn)生紅外線,換句話說任何東西可以發(fā)射紅外線,物體的溫度越高,其紅外輻射強度越大,根據(jù)不同的目標和背景輻射特性的差異,你可以白天和夜間目標檢測過程中采用紅外線技術(shù),跟蹤和識別,以獲取目標信息。第二,紅外探測系統(tǒng)主要是紅外接收系統(tǒng),紅外接收系統(tǒng)接收到的紅外輻射,可見光,其輸出信號具有一定的差異。一般來說,它是高背景信號輸出,對比度低,動態(tài)范圍寬,信噪比低,當紅外接收系統(tǒng)遠離目標,接收紅外輻射很小,產(chǎn)生的信號也很弱;當紅外接收系統(tǒng)從當目標接近,接收到的紅外輻射很強。
在自然界中,人體的溫度會維持在37 攝氏度,這個溫度的人體會釋放出10um 特定波長的紅外線,而本設計中用到的被動式紅外檢測傳感器正是利用了這一點,靠檢測人體釋放出的10um 特定波長紅外線來工作的。在基爾霍夫定律中指出,在一定的溫度下,在到達熱平衡時,任何物體此時的輻射量和吸收量成正比例,這便是說實時的發(fā)射率與吸收率是相等的(ε=α)。發(fā)射率是一個物體發(fā)射熱輻射的能力,現(xiàn)在所說的熱輻射本領都與黑體的熱輻射本領相比較而得知的,這里提到的黑體是輻射本領最大的,與黑體輻射的比例系數(shù)就是發(fā)射率(輻射率),黑體的發(fā)射率都等于1,所以任何物體的輻射率總是小于1。一般人的輻射能量與310K 絕對溫度下的黑體的輻射能力相似。若某個人的輻射率是0.99(不考慮膚色),這個數(shù)字表示這個人輻射能力很高,很接近黑體。
從原理上來講,傳感器外的任何發(fā)熱物體都是會產(chǎn)生紅外線,本設計中的熱釋電人體紅外傳感器就是這樣,對于自身之外的溫度變化都會體現(xiàn)在自身敏感單元上,并且很靈活,外部溫度的變化體現(xiàn)在敏感單元,敏感單元將這種溫度的變化轉(zhuǎn)換為電信號,周圍環(huán)境與傳感器自身的溫度變化都是有自身內(nèi)在構(gòu)成的部分決定了它不產(chǎn)生電信號,所以沒有向外輸出信號;對于低頻效應傳感器,它的頻率通常是在0.1~10Hz 這個區(qū)間,對5~15um 這個區(qū)間波長的紅外線的響應決定了,傳感器只對外界的溫度變化而敏感,這種變化就是人體移動所導致的敏感的。因可以說,傳感器只對人體的運動才敏感,而對靜止和移動很慢的人體沒有反應。
通常我們所用的數(shù)碼管七段式和八段式LED 數(shù)碼管,和七段式LED 數(shù)碼管相比,八段式LED 數(shù)碼管多了一個小數(shù)點,其他的基本相同。所說的七段式或者八段式LED 數(shù)碼管,以八段式為例,在其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中有八個發(fā)光LED 二極管,顯示不同的字符可以通過控制不同的LED 的亮滅來實現(xiàn),所以八段式比七段式可以多顯示小數(shù)點。這樣的段式數(shù)碼管分為兩種,第一種,將八個LED 的陰極連在一起,讓其接GND,若是給任何一個LED 的另一端高電平,便能將其點亮,這樣的是共陰極。另一種是共陽極,其實共陽極就是將八個LED 的陽極連在一起接上高電平,若是陰極接上低電平,它便會被點亮。數(shù)碼管的兩個COM 是公共端,其中一個公共端接GND,另一個公共端接上5V 的電壓。一般出現(xiàn)的油一位數(shù)碼管,四位數(shù)碼管,一位數(shù)碼管是指一個八段數(shù)碼管,同樣并接在一起的對各八段數(shù)碼管稱之為多位數(shù)碼管,a,b,c,d,e,f,g,dp 則是它們的段選線,連在一起,而它們各自的公共端這便是位選線。在數(shù)碼管顯示時,選中某一個位選,顯示的數(shù)據(jù)代碼是從段選送入,這時選中的位選的LED 燈便會被點亮。對于一個八段數(shù)碼管,每一段都對應一個字節(jié),所以每一位的顯示數(shù)據(jù)是八字節(jié)的,dp 是八字節(jié)最高位,a 是八字節(jié)的最低位。如果讓一個共陰八段數(shù)碼管顯示數(shù)字0,它的字符編碼是00111111,即0x3f;在共陽八段數(shù)碼管中,它的字符編碼是11000000,即0xc0。這里可以發(fā)現(xiàn)共陽與共陰的字符編碼剛好相反。
系統(tǒng)的硬件電路設計是人體紅外檢測報警的基礎,其需要根據(jù)輸入與輸出的需要配置相應的外設,以選擇合適的主控制器,并設計對應的按鍵輸入、聲光報警電路模塊,從而構(gòu)成整個熱釋電熱人體紅外控制系統(tǒng)的硬件電路。系統(tǒng)整體硬件供電結(jié)構(gòu)如圖所示。
系統(tǒng)軟件設計內(nèi)容包括:程序初始配置,熱釋電紅外傳感器測量采集,傳感器數(shù)據(jù)分析處理,聲光報警器PWM 輸出,串口數(shù)據(jù)傳送,人機交互等。
由于在實時監(jiān)測系統(tǒng)中,探頭的紅外人體數(shù)據(jù)采集需要實時并且要保證準確,因此探頭的現(xiàn)場場信號捕捉中斷的優(yōu)先級設定為最高;其次是定時中斷,即人體感應模塊數(shù)據(jù)的采集,數(shù)據(jù)分析處理,聲光報警其PWM 輸出均在定時中斷中依次進行運算處理;最后是串口數(shù)據(jù)傳送。
在程序初始化階段需要對單片機主頻及各類外設進行初始化配置。然后是人機交互,通過按鍵設置參數(shù)。最后是進入主循環(huán)中,在主循環(huán)中對采集到的圖像數(shù)據(jù)進行處理并提取,并通過串口發(fā)送傳感器采集及處理數(shù)據(jù)在數(shù)碼管和聲光報警器顯示,在主程序循環(huán)期間等待中斷的到來。
本設計的軟件仿真在protues7.8 環(huán)境中運行,由于人體感應模塊仿在protues 環(huán)境中沒有相應的仿真器件,所以不能完全的仿真現(xiàn)實人體檢測,其實人體感應模塊感應到人體會輸出高電平給單片機的p1.0,所以在本設計中按鍵代替,按下就有一個脈沖信號表示檢測到了人體信號,仿真電路圖如圖2 所示。
在圖2 中,按鍵按下時,就有脈沖信號傳輸至單片機的p1.0,這時就啟動了系統(tǒng)的報警器,其中的蜂鳴器報警器便發(fā)出鳴叫聲。蜂鳴器報警時的波形圖如圖3 所示。
經(jīng)過的不斷程序調(diào)試,本設計最終可以實現(xiàn)由紅外脈沖信號到來,聲光報警器可以實現(xiàn)自主報警的功能。
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