二維旋轉熱釋電型紅外防盜報警裝置的設計

摘 要：熱釋電紅外防盜報警器由于其隱蔽性好、使用不受時間限制，在生活中應用廣泛。普通的熱釋電報警裝置只能檢測到運動的物體且探測范圍小，基于此，設計了由光學系統部分、信號放大處理部分和機械執行部分組成的二維旋轉紅外熱釋電防盜報警裝置，其不僅可以檢測運動的生物，還能探測到靜止的生物，且探測范圍最大可達二維面的360°，具有硬件電路簡單、小額成本等特點。經測試表明，該報警器安全可靠，可以達到預期目標。

關鍵詞：熱釋電紅外傳感器；報警器；旋轉；STC89C52

引言

在當今社會，隨著人類對安防要求的提高，它們被廣泛安置于住宅區、樓道等的周圍，保護著人們的財產安全。目前國內的防盜報警裝置多以紅外、微波、氣感探測器為主導。而紅外報警裝置有主動式與被動式：主動紅外報警是發射機向接收機發送紅外線，當紅外線碰到障礙物阻擋則產生報警；被動紅外報警是在規定區域內探測到紅外輻射后立即響應。被動紅外報警不需要紅外發射源、且探測范圍廣、靈敏度高，其在安防領域應用廣泛。

被動式紅外報警器大多使用熱釋電紅外傳感器，生物的橫向運動，使傳感器內部產生的溫差信號轉換成電信號輸出，當人體靜止或相對于報警器垂直運動時，探測不到溫度變化不會產生電信號，且熱釋電紅外傳感器探測角度僅為95°左右，不法分子仍有機可乘。針對這種情況，文章提出了一種不僅可以檢測靜止生物，而且探測范圍廣的報警器，與現有報警器相比，靈活性更高。

1 系統設計

系統以熱釋電紅外傳感器及BISS0001芯片為報警部分，結合STC89C52單片機驅動電機，實現旋轉探測及報警的功能。二維旋轉熱釋電紅外報警的工作過程：工作電壓下，單片機驅動步進電機正轉和反轉相應的角度，帶動光學系統及熱釋電傳感器掃描探測區域，當有人在探測區域時，熱釋電傳感器的穩定轉動，使得無論人是運動或靜止，傳感器均會出現電極變換產生電信號，電信號經過熱釋電感應芯片BISS0001后，將信號放大及處理，驅動負載實現報警。

2 系統的實現

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材料，是可以將熱能轉換成電荷的傳感器件，內部有逆極性串聯的熱電元，遵循熱電效應原理，感應外界紅外輻射的能量變化，再轉換成電信號輸出[1]。熱釋電紅外傳感器表面的干涉濾光片，能有效選取7～14μm以內的波長，由于人體發射的紅外線波長大約為9.6μm，因此可以檢測到人體以及體溫與人相近的生物的活動，避免了其他波長的紅外輻射的干擾。

熱釋電紅外傳感器探測距離僅2m左右，且溫度變化容易被環境干擾。在熱釋電紅外傳感器前端加菲涅爾透鏡，可以優化傳感器性能。菲涅爾透鏡內側分布著等距鋸齒紋，通過對光譜折射或反射，可以將紅外光線聚焦在傳感器的濾光片上，且齒紋上產生的明區和暗區更容易獲得溫差？駐T，探測距離可延長至7～10m。

2.2 信號放大及處理

傳感器輸出的微弱電信號的放大，采用了BISS0001專用集成電路，芯片內部由運算放大器、電壓比較器、狀態控制、延時定時鎖存組成[2]。電路設計圖如圖3所示。

基本工作原理：接收到的紅外信號在去除交流干擾之后，通過14、15、16引腳完成信號一級放大，又經過13、12引腳及內置Vm電壓完成信號二級放大，輸出到BISS0001內部的雙向鑒幅器。鑒幅器可以抑制干擾信號，得到可以觸發延時器的有效信號Vs。9端口為禁止觸發端，接收電壓Vc，與內置電壓Vr比較，當VcVr 時允許觸發延時器。通過外圍電路中的電阻和電容，可以得到延時時間和觸發封鎖時間，并作用于3、4引腳和5、6引腳。2引腳輸出最終信號，通過晶體管放大再驅動負載報警。1引腳與電源端相連，將芯片置于可重復觸發模式，即只要有人經過，將不停的觸發報警器，提高了報警器的準確性。

2.3 機械執行部分

報警器的旋轉部分采用了STC89C52型單片機控制四相五線步進電機，其中需用到電機驅動芯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準邏輯緩沖器來處理的數據，其采用集電開路輸出，輸出電流大，故可直接驅動步進電機[3]。選取28BYJ48型步進電機，其采用直流電源供電，減速比為64，內部轉子步距角為5.625，步進電機的A、B、C、D相繞組按設定的時序通電，電機即可轉動。文章單片機處于最小系統下工作，主要由電源、復位電路、振蕩電路及擴展部分等組成[4]。

設計思路：單片機產生脈沖序列和方向控制信號從P2.0～P2.3口輸出，接入ULM2003芯片進行功率放大，達到步進電機所需的驅動電流和電壓，步進電機開始工作。本設計采用四相八拍實現正轉及反轉。人機交互模式采用獨立按鍵，由單片機P3.0引腳控制，工作方式為中斷類型，執行對步進電機的啟動/停止操作。電機控制仿真電路圖如圖4所示。

電機正轉反轉程序相似，軟件設計部分僅給出正轉程序。本設計以四相八拍實現正轉：

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°正轉一圈

{for（j=0；j<8；j++） //8次共轉30°

{P2=FORWARD_BUF[j]；

delayMs（3）； //調整轉速

}

}

P2=0； //停止轉動

}

初始化時，P3.0為高電平，當檢測到P3.0為0時，電機的正反轉子程序啟動，且每完成一次循環時檢查電平是否仍符合轉動條件。焊接的實物圖如圖5所示。經測試，報警器基本可以達到預期效果。

3 結束語

文章設計的熱釋電紅外報警器，針對熱釋電紅外傳感器不能探測靜止和垂直運動的物體而做了改進，完成了系統的硬件及軟件設計，使報警器的探測范圍達到360度，同時設置了控制開關，在不需要報警的時段可以有效節能。由于傳感器在高溫、通風處靈敏性會降低，所以限制了報警器的使用環境，在這些方面還有待提高。

參考文獻

[1]易金橋，黃勇.熱釋電紅外傳感器及其在人員計數系統中的應用[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信號放大電路的人體紅外感應開關設計[J].電腦開發與應用，2013，26（2）：67-68.

[3]王曉明.電動機的單片機控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[4]張毅剛，彭喜元.單片機原理及應用[M].高等教育出版社，2010.

作者簡介：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：機械電子工程，機器人。

趙川（1990-），男，漢族，碩士研究生，主要研究方向：機械電子工程。