基于紅外傳感器的可自動折疊新型座椅設(shè)計(jì)

吳柏儒 鐘 偉

（廣州工商學(xué)院電子信息工程系，廣東 佛山 528138）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，國內(nèi)各大城市發(fā)展軌道交通，地鐵、 輕軌已經(jīng)成為人們出行的重要交通工具， 緩解了目前城市內(nèi)遇到的交通堵塞問題。 由于傳統(tǒng)的軌道車輛如地鐵、 輕軌車輛內(nèi)的座椅大部分為固定座椅，占用客室面積較大， 在客流高峰期時(shí)， 由于座椅無法移動， 占用了較大的空間， 從而導(dǎo)致客室內(nèi)無法容納大量的乘客。 現(xiàn)有的地鐵、 輕軌座椅中僅有少部分為可折疊座椅，將座椅折疊后，僅能騰出少量的空間，無法滿足客流高峰期的客運(yùn)能力要求， 且折疊座椅通常無法實(shí)現(xiàn)放平或者折疊狀態(tài)時(shí)的鎖閉， 穩(wěn)定性差。 在一些會議廳， 折疊座椅雖然能夠在無人的時(shí)候自動折疊，但需要人手動按壓才能坐下。 有時(shí)候臨時(shí)站起來，想坐下的時(shí)候?yàn)榱税磯?，會?dǎo)致摔倒。

1 紅外傳感器

光線是一種輻射電磁波，以人類的經(jīng)驗(yàn)而言，通常指的是肉眼可見的光波域是從400nm（紫光）到700nm（紅光）可以被人類眼睛感覺得到的范圍。

我們把紅光之外、 波長760nm 到1mm 之間輻射叫做紅外光， 紅外光是肉眼看不到的， 但通過一些特殊光學(xué)設(shè)備，我們依然可以感受到。

紅外線是一種人類肉眼看不見的光，所以，它具有光的一切光線的所有特性。 但同時(shí)， 紅外線還有一種還具有非常顯著的熱效應(yīng)。 所有高于絕對零度即－273 ℃的物質(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線。

紅外傳感器可分為主動式和被動式兩種：

（1）主動紅外傳感器的工作原理及特性

主動紅外傳感器的發(fā)射機(jī)發(fā)出一束經(jīng)調(diào)制的紅外光束， 被紅外接收機(jī)接收， 從而形成一條紅外光束組成的警戒線。 當(dāng)遇到樹葉、雨、小動物、雪、沙塵、霧遮擋則不應(yīng)報(bào)警， 人或相當(dāng)體積的物品遮擋將發(fā)生報(bào)警。

主動紅外探測器技術(shù)主要采用一發(fā)一收， 屬于線形防范， 現(xiàn)在已經(jīng)從最初的但光束發(fā)展到多光束，而且還可以雙發(fā)雙受， 最大限度的降低誤報(bào)率， 從而增強(qiáng)該產(chǎn)品的穩(wěn)定性，可靠性。

（2）被動紅外傳感器的工作原理及特性

被動紅外傳感器是靠探測人體發(fā)射的紅外線來進(jìn)行工作的。 傳感器器收集外界的紅外輻射進(jìn)而聚集到紅外傳感器上。 紅外傳感器通常采用熱釋電元件，這種元件在接收了紅外輻射溫度發(fā)出變化時(shí)就會向外釋放電荷，檢測處理后產(chǎn)生報(bào)警。

這種傳感器是以探測人體輻射為目標(biāo)的。 所以輻射敏感元件對波長為10μm 左右的紅外輻射必須非常敏感。 為了對人體的紅外輻射敏感， 在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的濾光片， 使環(huán)境的干擾受到明顯的控制作用。

2 紅外可自動折疊座椅設(shè)計(jì)

2.1 紅外可自動折疊座椅的設(shè)計(jì)原理

紅外傳感器的可自動折疊座椅，包括靠背、坐墊、鏈輪、鏈條、限位開關(guān)和控制結(jié)構(gòu)；所述靠背和坐墊通過坐墊動軸活動連接； 所述鏈輪、 鏈條和限位開關(guān)設(shè)置在靠背的一側(cè)， 鏈輪通過鏈條連接， 限位開關(guān)固定在鏈條的下方前側(cè)， 鏈輪帶動鏈條傳動， 帶動坐墊的翻轉(zhuǎn)，限位開關(guān)阻擋鏈條的傳動，鎖閉坐墊；所述控制結(jié)構(gòu)設(shè)置在靠背的背面。

座椅通過安裝在座椅頭部的被動紅外傳感器感知是否有人存在， 具有三個(gè)功能：（1） 當(dāng)有人接近座椅時(shí)，座椅將控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，慢慢打開座椅；（2）當(dāng)人臨時(shí)站立的時(shí)候， 還未離開座椅， 座椅不會自動折疊；（3）當(dāng)人離開的時(shí)候，沒有感知到人的存在，座椅將慢慢折疊。

當(dāng)人有向下坐的趨勢時(shí)，為快速展開座椅，主動紅外傳感器發(fā)射機(jī)發(fā)出的紅外光束， 被人體遮擋， 紅外接收機(jī)無法接收到光束， 將驅(qū)動電機(jī)快速轉(zhuǎn)動， 打開座椅，直至被限位開關(guān)阻擋，才停止；而座椅的折疊任務(wù)將由被動紅外傳感器控制電機(jī)來完成。

控制結(jié)構(gòu)包括控制器、制動器和電機(jī)，控制器分別與制動器和電機(jī)電連接， 電機(jī)通過聯(lián)軸器與階梯軸連接，電機(jī)與制動器軸連接，控制器、制動器、電機(jī)、聯(lián)軸器和階梯軸位于水平位置。

2.2 紅外可自動折疊座椅的硬件設(shè)計(jì)

紅外可自動折疊座椅的硬件座椅包括： 核心處理器STC15w408AS 單片機(jī)、主動紅外傳感器、被動紅外傳感器、電機(jī)。

圖1 硬件設(shè)計(jì)框圖

（1）核心處理器

選擇STC15w408AS 單片機(jī)， 內(nèi)部集成了高精度的RC 振蕩電路和高可靠的復(fù)位電路，直接外部晶振和復(fù)位電路都可以省去， 芯片接通電源后就可以直接工作；可輸出多路PWM 控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動；通過讀取被動紅外傳感器的電平變化， 感知是否有人靠近； 通過讀取主動紅外傳感器的電平變化， 感知是否有人有向下坐的趨勢，從而加快電機(jī)的轉(zhuǎn)動，打開座椅。

圖2 STC15w408AS 單片機(jī)

（2）主動紅外傳感器

主動紅外傳感器對環(huán)境光線適應(yīng)能力強(qiáng)， 其具有一對紅外線發(fā)射與接收管， 發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線， 當(dāng)發(fā)射與接收管沒有障礙物時(shí)， 接收管接收到發(fā)射管發(fā)射的紅外線， 綠色指示燈會亮起， 同時(shí)信號輸出接口輸出數(shù)字信號一個(gè)低電平信號， 可通過電位器旋鈕可調(diào)節(jié)靈敏度； 當(dāng)發(fā)射與接收管有障礙物時(shí)， 信號輸出接口輸出數(shù)字信號是一個(gè)低電平； 工作電壓為3.3V～5V。 該傳感器可以通過電位器調(diào)節(jié)、具有干擾小、便于裝配、使用方便等特點(diǎn)。

圖3 主動紅外傳感器

（3）被動紅外傳感器

感應(yīng)模塊采用雙元探頭，探頭的窗口為長方形，雙元位于較長方向的兩端， 當(dāng)人體從左到右或從右到左走過時(shí),紅外光譜到達(dá)雙元的時(shí)間、距離有差值，差值越大， 感應(yīng)越靈敏， 當(dāng)人體從正面走向探頭或從上到下或從下到上方向走過時(shí)， 雙元檢測不到紅外光譜距離的變化，無差值，因此感應(yīng)不靈敏或不工作；所以安裝感應(yīng)器時(shí)應(yīng)使探頭雙元的方向與人體活動最多的方向盡量相平行， 保證人體經(jīng)過時(shí)先后被探頭雙元所感應(yīng)。 為了增加感應(yīng)角度范圍，本模塊采用圓形透鏡，也使得探頭四面都感應(yīng)， 左右兩側(cè)比上下兩個(gè)方向感應(yīng)范圍大、靈敏度強(qiáng)。

圖4 被動紅外傳感探頭

2.2 紅外可自動折疊座椅的程序設(shè)計(jì)

（1）開始運(yùn)行程序，初始化所有參數(shù)及函數(shù)，并判斷座椅是否處于折疊。

（2） 程序通過接收安裝在座椅頭部的被動紅外傳感器的電平變化來感知是否有人存在， 當(dāng)有人接近座椅時(shí)，電平由高電平變成低電平，單片機(jī)輸出PWM 控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，慢慢打開座椅。

（3） 程序通過接收主動紅外傳感器的電平變化判斷是否人有向下坐的趨勢，如果有，單片機(jī)輸出PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)動快速展開座椅。

（4） 當(dāng)被動紅外傳感器和主動紅外傳感器都為高電平時(shí)，沒有用戶存在，自動折疊座椅。

圖5 程序框圖

3 系統(tǒng)測試

首先將寫好的座椅自動折疊的程序放到編譯器里進(jìn)行編譯運(yùn)行， 看是否有語法錯(cuò)誤， 如果有就進(jìn)行修改。 由于椅著的功能不止一個(gè)， 很容易出現(xiàn)一個(gè)功能的代碼錯(cuò)誤導(dǎo)致這個(gè)功能沒法實(shí)現(xiàn)。 同時(shí)也很難排查具體的問題。

因此將每一個(gè)模塊所要實(shí)現(xiàn)的功能寫成一個(gè)代碼進(jìn)行考錄， 分別測試對應(yīng)的單個(gè)代碼能否實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能， 如果可以再將所有的代碼放入總程序中進(jìn)行綜合測試。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的紅外折疊椅以STC15w408AS 單片機(jī)為主控制單元， 對各個(gè)模塊傳感器的信息進(jìn)行分析，并發(fā)布命令完成感應(yīng)，自動折疊等相應(yīng)功能。