閆永存 劉博

摘 要：人體熱釋電傳感器探測(cè)是否有人體通行和通過(guò)，應(yīng)用范圍非常廣泛，比如公共場(chǎng)所的燈和報(bào)警設(shè)施等，都是利用該設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)和報(bào)警。本設(shè)計(jì)利用熱釋電紅外傳感器，在單片機(jī)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)熱釋電紅外的數(shù)據(jù)讀取，并通過(guò)LED燈的亮滅顯示出是否感應(yīng)到紅外存在，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)靈敏度高，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可用于指定場(chǎng)所的人體紅外檢測(cè)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：人體紅外;熱釋電紅外傳感器;系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）13-0019-03

Abstract： The human pyroelectric sensor is used to detect whether human body is passing through or not. It has a wide range of applications， such as lights and alarm facilities in public places， which are used for detection and alarm. This design uses pyroelectric infrared sensor to develop and design on the single chip computer to read pyroelectric infrared data， and shows whether it is sensitive to the existence of infrared through the lighting of LED lamp， and carries on the simulation test to the system. The experimental results show that the system has high sensitivity and stable operation， it can be used for infrared monitoring of human body in designated places and has certain practical value.

Keywords： human body infrared;pyroelectric infrared sensor;system

紅外線是一種人們?nèi)庋劭床灰?jiàn)的光，最顯著特性是具有熱效應(yīng)，也就是說(shuō)，所有高于絕對(duì)零度的物質(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線。利用紅外線技術(shù)可以控制很多產(chǎn)品，特別在自動(dòng)控制方面，如自動(dòng)節(jié)能燈等。自動(dòng)節(jié)能燈利用人體發(fā)出的紅外線，當(dāng)人體進(jìn)入感應(yīng)范圍時(shí)，紅外傳感器探測(cè)到人體紅外光譜的變化，自動(dòng)接通輸出電路，打開(kāi)相應(yīng)負(fù)載，一旦人離開(kāi)后，輸出自動(dòng)關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。熱釋電紅外傳感器是一種能檢測(cè)人或動(dòng)物發(fā)射的紅外線而輸出電信號(hào)的傳感器，可以作為控制電路的輸入端[1]。

本文基于單片機(jī)的熱釋電紅外傳感器對(duì)人體紅外進(jìn)行測(cè)量，將采集的紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體紅外檢測(cè)。本系統(tǒng)性能穩(wěn)定，靈敏度高，使用靈活度較高，可用于停車場(chǎng)、樓道公共場(chǎng)所的照明系統(tǒng)，以達(dá)到節(jié)能的目的，還可以應(yīng)用到安防報(bào)警系統(tǒng)等。

1 熱釋電紅外原理

熱釋電紅外傳感器和熱電偶都是基于熱電效應(yīng)原理的熱電型紅外傳感器。但熱釋電紅外傳感器的熱電系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熱電偶，內(nèi)部熱電元由鉭酸鋰、鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成，熱電系數(shù)比較高。此外，該傳感器的極化隨著溫度變化而變化。為了抑制自身溫度升高而帶來(lái)的干擾，在該傳感器上加入了熱電元反向串聯(lián)或接成差動(dòng)平衡電路，進(jìn)而以非接觸式檢測(cè)出物體放出的紅外線能量變化，并將這種能量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，從而達(dá)到電子檢測(cè)的目的。人體都有37℃左右的穩(wěn)定體溫，所以會(huì)發(fā)出紅外線，波長(zhǎng)為10μM左右，被動(dòng)式紅外探頭靠探測(cè)人體發(fā)射的10μM左右的紅外線進(jìn)行工作[2]。

熱釋電紅外傳感器具有以下幾種特性：①這種傳感器主要用來(lái)探測(cè)人體輻射，對(duì)人體輻射的紅外線非常敏感，也非常靈敏;②這種傳感器由于裝有特殊的菲泥爾濾光片，對(duì)環(huán)境的抗干擾能力較強(qiáng)。此外，菲泥爾濾光片具有不同的感應(yīng)距離，可以根據(jù)不同的場(chǎng)景和需求進(jìn)行預(yù)設(shè)。

仿真實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備有無(wú)線處理器板、傳感器底板、仿真器、USB（B型口）線和BISS0001熱釋電紅外處理模塊等。

單純的熱電紅外傳感器，引腳結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有VCC、GND和一根數(shù)據(jù)線。數(shù)據(jù)線產(chǎn)生的信號(hào)可以直接連接到單片機(jī)管腳，但信號(hào)微弱且不穩(wěn)定，容易造成檢測(cè)困難。在此，為了豐富熱電紅外傳感器的外圍電路，主要應(yīng)用BISS0001熱釋電紅外處理模塊放大信號(hào)、加強(qiáng)干擾能力;加入了觸發(fā)延時(shí)定時(shí)器和鎖定定時(shí)器，使紅外模塊貼近日常應(yīng)用，而不是只局限于實(shí)驗(yàn)室讀取紅外信號(hào)。

BISS0001是一款高性能的傳感信號(hào)處理集成電路，是由運(yùn)算放大器、狀態(tài)控制器、電壓比較器、封鎖時(shí)間定時(shí)器以及延遲時(shí)間定時(shí)器等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐?。該模塊靜態(tài)電流極小，配以熱釋電紅外傳感器和少量外圍元器件即可構(gòu)成被動(dòng)式熱釋電紅外傳感器，廣泛應(yīng)用于智能安防、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。

BISS0001的輸出管腳，輸出VO最終會(huì)有兩個(gè)狀態(tài)，1和0。該模塊加入了一個(gè)RC震蕩電路，該電路的震蕩時(shí)間用于鎖定觸發(fā)使用，即當(dāng)紅外信號(hào)消失后，VO不會(huì)立刻變?yōu)?，而是經(jīng)過(guò)一定延時(shí)，才會(huì)變?yōu)?。具體的延時(shí)時(shí)間如表1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

具體電路圖如圖1所示。

電路中，1IN+、1IN-兩個(gè)管腳是輸入引腳，分別是第一級(jí)運(yùn)算放大器同向輸入端和反向輸入端。熱釋電紅外數(shù)據(jù)信號(hào)接到1IN+上，1IN-接入運(yùn)放電路。信號(hào)經(jīng)過(guò)一級(jí)運(yùn)放處理后，再將輸出接入二級(jí)運(yùn)算放大器，二級(jí)運(yùn)放處理后，才能得到一個(gè)穩(wěn)定的、大小適宜的信號(hào)。這些電路集成于BISS0001內(nèi)部，經(jīng)過(guò)一系列電路處理轉(zhuǎn)換后，最終把結(jié)果體現(xiàn)在VO上[3]。

3 程序設(shè)計(jì)思路

相比較I2C，熱釋電紅外的單總線程序相對(duì)簡(jiǎn)單。經(jīng)過(guò)硬件電路處理，最終的熱釋電紅外模塊會(huì)產(chǎn)生一個(gè)單片機(jī)可識(shí)別的關(guān)開(kāi)變量，程序在經(jīng)過(guò)硬件初始化之后，只需不停地掃描與之相連的引腳狀態(tài)，當(dāng)感應(yīng)到熱釋電紅外（VO輸出為1）時(shí)，把LED點(diǎn)亮即可。

主程序代碼如下：

void main（void）

{

InitLed（）;

xtal_init（）;

PersonInit（）;

Person=0;

while（1）

{

if（PersonScan（））//根據(jù)LED狀態(tài)來(lái)判斷是否有人

LED1=1;//LED1滅掉表示無(wú)人

else

LED1=0;//LED1點(diǎn)亮表示有人

}

}

①對(duì)所用到的硬件進(jìn)行初始化。包括初始化LED所用到的單片機(jī)管腳配置為輸出，關(guān)閉LED;初始化單片機(jī)時(shí)鐘;初始化熱電紅外檢測(cè)管腳，設(shè)置其為輸入模式。

②在while（1）中，無(wú)限循環(huán)掃描函數(shù)PeopleScan（）返回值。當(dāng)返回值為1時(shí)，表明有紅外信號(hào);當(dāng)返回值為0時(shí)，表明無(wú)紅外信號(hào)。人員檢測(cè)函數(shù)代碼如下：

/****************************

人員檢測(cè)函數(shù)

*****************************/

uchar PersonScan（void）

{

int a;

if（Person==0）

{

Delay_ms（100）;

a=Person;

if（Person==0）

{

return1;//表示沒(méi)人

}

}

return0;//表示有人

}

4 系統(tǒng)測(cè)試

編寫熱釋電紅外傳感器程序并編譯，連接仿真器，并下載程序，全速執(zhí)行程序，分別在有人和無(wú)人兩種情況下觀察LED燈的開(kāi)關(guān)。

在實(shí)際應(yīng)用中，還應(yīng)該考慮該系統(tǒng)的抗干擾性能，主要有以下幾種情況。①防小動(dòng)物干擾，探測(cè)地面小動(dòng)物的情況，將探測(cè)器安裝在推薦的使用高度，這樣即使有小動(dòng)物一般也不產(chǎn)生報(bào)警。②抗電磁干擾，一般手機(jī)電磁干擾不會(huì)引起誤報(bào)，探測(cè)器的抗電磁波干擾性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。③抗燈光干擾，一般的鹵素?zé)粽丈鋾r(shí)，探測(cè)器在其工作范圍內(nèi)不產(chǎn)生報(bào)警。

本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的人體紅外的仿真系統(tǒng)，利用熱釋電紅外傳感器的特性，將采集的人體紅外輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行人體紅外檢測(cè)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)性能穩(wěn)定，靈敏度高，使用靈活度較高，可用于一些場(chǎng)所的燈光控制和報(bào)警系統(tǒng)等[4]。

參考文獻(xiàn)：

[1]倪元相，方燦金.基于單片機(jī)控制的紅外熱釋電家庭防盜報(bào)警器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子世界，2018（16）：22-25.

[2]王孟祿，張鐳.熱釋電紅外探測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2017（1）：29-32.

[3]石琳琦.基于熱釋電紅外傳感器的測(cè)量技術(shù)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013（11）：162-165.

[4]Dreaming Catcher.熱釋電紅外傳感器原理和應(yīng)用[EB/OL]（2017-03-02）[2019-04-01].https：//blog.csdn.net/Derricker406/article/details/59540016.