王鵬云 閆贊先 王冠一 王志遠(yuǎn)

【摘? 要】論文旨在設(shè)計(jì)一款實(shí)用功能強(qiáng)大的紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在需要大面積覆蓋的監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中，人們可以以極低的成本完成精度極高的監(jiān)測(cè)任務(wù)。目前，各個(gè)領(lǐng)域?qū)?shí)現(xiàn)大范圍監(jiān)測(cè)和追蹤任務(wù)的需求越來越高，傳統(tǒng)的攝像頭監(jiān)控已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足當(dāng)今的需求。

【Abstract】The purpose of this paper is to design a practical and powerful infrared monitoring system. In the monitoring field that needs a large area of coverage， people can complete the monitoring task with high accuracy at a very low cost. At present， there is an increasing demand for the implementation of large-scale monitoring and tracking tasks in various fields， and the traditional camera monitoring has been far from meeting the current needs.

【關(guān)鍵詞】熱釋電傳感器;監(jiān)測(cè);ARM-Cortex-M3;D205B傳感器

【Keywords】pyroelectric sensor; monitoring; ARM-Cortex-M3; D205B sensor

【中圖分類號(hào)】TP212.1;TP277? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2020）09-0188-02

1 熱釋電紅外傳感器的優(yōu)勢(shì)

熱釋電紅外傳感器屬于被動(dòng)接受類元件，本身并不發(fā)出任何類型的輻射，不易受其他射頻設(shè)備的干擾，可以適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境。它不需要進(jìn)行圖像的采集處理與復(fù)雜的運(yùn)算，只需監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境的熱源，準(zhǔn)確率高，有很強(qiáng)的抗干擾能力。該系統(tǒng)每個(gè)傳感器窗口還各自帶有一塊紅外干涉輻射濾波片，該干涉濾波片只能夠允許特定頻率波長(zhǎng)的紅外線通過，可以有效地抑制和排除干擾。目前，熱釋電紅外傳感器廣泛用于安防領(lǐng)域，有著相對(duì)成熟的技術(shù)而且產(chǎn)品制作簡(jiǎn)單成本低可很快地實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

2 熱釋電紅外傳感器的特性

紅外傳感器是將紅外輻射轉(zhuǎn)換成電能的一種光敏電子元件，廣泛應(yīng)用于安防警報(bào)、衛(wèi)星探測(cè)等領(lǐng)域。目前，紅外技術(shù)在遙感和空間領(lǐng)域有著卓越的地位。

紅外傳感器有多種工作類型，包括熱型和量子類型，其通常也被稱作PIR。紅外輻射是一種熱輻射，來源于一切物體內(nèi)部分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和撞擊。只有在零開爾文的條件下，一切分子都停止了相對(duì)運(yùn)動(dòng)后紅外輻射才可能完全消失。目前，自然界某些專家認(rèn)為晶體在空氣中受熱以后的運(yùn)動(dòng)引起了其溫度的周期性變化，從而直接改變了晶體內(nèi)部原子的排列和順序，使得晶體自然的原子極化，其兩表面產(chǎn)生了電荷，這種現(xiàn)象被稱作熱釋電效應(yīng)。PIR相比于其他的熱敏器件靈敏得多，可在低頻、高頻等領(lǐng)域擔(dān)任重要的任務(wù)，有著重要的地位。

PIR不受可見光的影響，因此，可以晝夜連續(xù)作業(yè)。在作業(yè)時(shí)由于任務(wù)體自發(fā)紅外線，故不需另設(shè)光源。大氣層很少吸收特定波長(zhǎng)的紅外線，故PIR工作時(shí)較容易進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

PIR的紅外線靈敏度較低，在作業(yè)時(shí)配合菲尼爾紅外濾波片可以達(dá)到極優(yōu)的效率。

3 系統(tǒng)工作原理

3.1 監(jiān)測(cè)范圍與輸出信號(hào)的幅度的研究

通過對(duì)PIR的研究，根據(jù)其工作原理及內(nèi)部設(shè)計(jì)，推算出其輸出信號(hào)的強(qiáng)度與距離的關(guān)系，并對(duì)監(jiān)測(cè)范圍進(jìn)行了初步的計(jì)算。

經(jīng)過對(duì)D205B功率的嚴(yán)密計(jì)算后再根據(jù)其參數(shù)計(jì)算出了輸出信號(hào)的幅度，如圖1所示。

從上圖我們可以看到，輸出信號(hào)的幅度和距離是成反比的，距離越遠(yuǎn)傳感器的信號(hào)幅度越低，有效監(jiān)測(cè)范圍維持在6m以內(nèi)。

3.2 監(jiān)測(cè)坐標(biāo)的研究

在分析了傳感器的定位問題后，絕對(duì)采用旋轉(zhuǎn)掃描的方法來實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)的定位，從而彌補(bǔ)了無法對(duì)靜止物體進(jìn)行定位的不足。同時(shí)采用了遮住傳感器部分視角的方法以提高單傳感器的精確率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)坐標(biāo)更精準(zhǔn)的定位，如圖2所示。

假設(shè)有A和B兩個(gè)傳感器且兩傳感器的視角互不重疊，當(dāng)傳感器A監(jiān)測(cè)到范圍內(nèi)有輻射時(shí)即證明了直線a上有輻射源，同時(shí)當(dāng)B傳感器監(jiān)測(cè)到范圍內(nèi)有人時(shí)即可以證明直線b上有輻射源，計(jì)算直線ab的交點(diǎn)即需要獲取的坐標(biāo)。為了進(jìn)一步定位靜止物體的位置，我們讓PIR以一定的角速度旋轉(zhuǎn)使其與測(cè)量物體保持相對(duì)運(yùn)動(dòng)以達(dá)到測(cè)量目的。

3.3 數(shù)據(jù)采集

該系統(tǒng)根據(jù)傳感器的特性設(shè)計(jì)了信號(hào)處理和數(shù)據(jù)采集裝置，如此可以做到將電信號(hào)量化后通過無線傳輸模塊傳輸?shù)轿覀兊腜C端中。

本系統(tǒng)主要由兩部分傳感器構(gòu)成，這兩部分將采集到的位置信息放大處理后傳輸?shù)紸DC中，在ADC中將模擬信號(hào)量化，量化后經(jīng)由單片機(jī)打包傳到PC端。

4 硬件的設(shè)計(jì)與選擇

4.1 無線傳輸模塊的選擇

為了更好地實(shí)現(xiàn)無線傳輸功能，我們選用了2.4G頻段的nrf24101+無線數(shù)據(jù)傳輸芯片，數(shù)據(jù)傳輸率可以達(dá)到2Mbps，該無線數(shù)據(jù)傳輸芯片具有上百個(gè)通信頻點(diǎn)，可以有效地避開WiFi的頻段范圍，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)傳輸。同時(shí)裝備了數(shù)據(jù)包丟失自動(dòng)重發(fā)的功能，能夠有效地提高容錯(cuò)率和通信的質(zhì)量，從而降低單片機(jī)的負(fù)荷。

nrf24101無線模塊是一款無線射頻收發(fā)模塊，該模塊具有即時(shí)性強(qiáng)、幾乎沒延時(shí)、超低耗和高速傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。它的工作頻段是2400～2480MHz。由于2.4G頻段是全球開放的一個(gè)頻段，所以nrf24101無線模塊在工作時(shí)很容易受到各類無線電器、手機(jī)等影響。所以我們?cè)趎rf24101無線射頻收發(fā)模塊的基礎(chǔ)上設(shè)置了一個(gè)無線電調(diào)頻的技術(shù)，調(diào)頻的技術(shù)主要是通過將2.4GHz的頻帶以一定的頻寬將其轉(zhuǎn)換并劃分為若干個(gè)對(duì)應(yīng)無線電頻率的信道并且以這種方式使單片機(jī)的接收和發(fā)送訊號(hào)端保持一樣的無線電頻率轉(zhuǎn)換，以此來控制接發(fā)雙方的傳輸訊號(hào)，同時(shí)防止數(shù)據(jù)包丟失。其工作原理是，收發(fā)雙方傳輸信號(hào)的載波按照預(yù)定規(guī)律進(jìn)行離散變化。以達(dá)到避開干擾、完成傳輸?shù)哪康?。用無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，可供用戶靈活使用，應(yīng)用范圍較廣，使用要求低。

4.2 信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)

傳感器的有效監(jiān)測(cè)范圍是6m，在有效的監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)PIR輸出電壓信號(hào)的幅度在0.1～10mV，有著較大的幅度差，如果此時(shí)PIR輸出信號(hào)的幅度過小可能無法進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，因此，選擇放置一個(gè)信號(hào)放大電路。本系統(tǒng)采用的是直流反饋放大電路。電容具有隔直通交的功能，對(duì)直流電壓沒有放大作用。對(duì)于直流通路來講，其就相當(dāng)于一個(gè)電壓跟隨器，把放大器輸入端的直流電壓全加在了輸出端。同時(shí)該放大電路為同相放大的電路，能做到具有較高的輸入阻抗，且能較好地將輸出的靜態(tài)電壓點(diǎn)提高，只放大交流信號(hào)。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，運(yùn)放為單電源供電，且供電電壓不能超過+5V，能正常通過的輸出頻率必須控制得大于10kHz。綜合考慮各種因素對(duì)運(yùn)算放大器的影響，我們選擇了型號(hào)為TLC2274ACN的運(yùn)算放大器，14-DIP（300mil）封裝，該運(yùn)算放大器單雙電源供電均可，可用+5V單電源供電，具有高輸入阻抗，低噪聲，工作環(huán)境溫度0～70℃，在單電源供電的條件下，具有2.25mHz高單位增益帶寬，高轉(zhuǎn)換率，共模輸入電壓的范圍可包含滿負(fù)電源。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)將PIR、ARM-Cortex-M3核心處理器、各集成電路有效地結(jié)合在一起構(gòu)成了靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、有極高的信號(hào)采集和處理能力的紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。帶有菲尼爾濾光片的PIR和具有高輸入阻抗的運(yùn)算放大器的集成電路使系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的干擾有極高的抑制作用。系統(tǒng)使用了32位基于ARM Cortex M3核心的微型處理器，可以適用在對(duì)單片機(jī)運(yùn)算速度有一定要求的場(chǎng)合。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步對(duì)靈敏度和抗干擾能力提出了更高的要求，這也就需要我們?cè)趩纹瑱C(jī)前進(jìn)的路上不斷地研究和探索。

【參考文獻(xiàn)】

【1】劉梅鋒，鐘國(guó)韻.基于單片機(jī)AT89C51熱釋電紅外報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].安防科技，2007（02）：27-28+77.

【2】盧鳴，王萍，郭艷.多路熱釋電紅外智能檢測(cè)報(bào)警裝置[J].微處理機(jī)，2006，27（006）：107-109.

【3】吳英才，林華清.熱釋電紅外傳感器在防盜系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].傳感器技術(shù)，2002（07）：47-48.

【4】劉舒祺，施國(guó)梁.基于熱釋電紅外傳感器的報(bào)警系統(tǒng)[J].國(guó)外電子元器件，2005（03）：18-20.

【5】徐克寶，曹建，亓學(xué)廣，等.一種高靈敏度自主采樣式熱釋電傳感器的研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2006（12）：1742-1745.