基于MSP430的智能熱釋電報警器

萬寶月

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710071)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，在高樓林立的居住環(huán)境下，人們對于自己所處環(huán)境的安全性有了更高的要求。安全措施和安全系統(tǒng)也應(yīng)與時俱進(jìn)，保證居民的人身財產(chǎn)安全。越來越多的小區(qū)、家庭安裝了智能報警系統(tǒng)，方便安全地保護(hù)了居民所處環(huán)境的安全。其中熱釋電紅外傳感器由于廉價且性能穩(wěn)定，在智能報警系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。

熱釋電紅外傳感器是利用紅外輻射的熱輻射作用引起元件自身的溫度變化［1］，可不受環(huán)境影響，晝夜不停地持續(xù)工作。近年來，越來越多的科研人員利用熱釋電傳感器研發(fā)出了各式各樣的報警系統(tǒng)，普遍利用了其功耗小，低價格，隱蔽性好等特點(diǎn)，但傳統(tǒng)的報警系統(tǒng)大多采用熱釋電紅外傳感器加專用芯片的方式，該方案未考慮溫度對報警器靈敏度影響問題，而實(shí)際應(yīng)用過程中靈敏度是該類產(chǎn)品性能的重要指標(biāo)，針對傳統(tǒng)熱釋電報警器的缺點(diǎn)提出單片機(jī)智能控制方案。

1 熱釋電紅外傳感器的工作原理

熱釋電傳感器同熱電偶一樣，均屬于具有熱電效應(yīng)的熱電型紅外傳感器，一般由鐵鈦酸汞陶瓷、鉭酸鋰以及硫酸三甘鐵等高熱系數(shù)材料構(gòu)成。當(dāng)傳感器檢測到區(qū)域內(nèi)有溫度變化時，由于熱電效應(yīng)，會在兩個熱釋電元件表面產(chǎn)生電荷［2］，電流流過傳感器內(nèi)部適當(dāng)?shù)碾娮钑r，產(chǎn)生微弱的電壓信號，經(jīng)探測頭上的場效應(yīng)管放大后輸出。當(dāng)檢測區(qū)內(nèi)溫度穩(wěn)定，或人進(jìn)入檢測區(qū)后靜止，傳感器無輸出［3］。圖1為熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，由傳感探測元、干涉濾光片和場效應(yīng)管匹配器3部分組成。傳感器將兩個極性相反、特性相同的探測元串聯(lián)，可以防止因環(huán)境和自身變化而引起的干擾。傳感器還需配合菲涅耳透鏡使用，可使探測半徑擴(kuò)大5～20倍，并可以在探測器前方形成可見區(qū)和盲區(qū)，提高探測接收的靈敏度，當(dāng)目標(biāo)在透鏡前經(jīng)過時，發(fā)出的紅外線交替進(jìn)入可見區(qū)和盲區(qū)，產(chǎn)生忽強(qiáng)忽弱的脈沖形式的紅外信號，增強(qiáng)了其能量幅度。

2 傳統(tǒng)的熱釋電報警器方案

圖1 熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

傳統(tǒng)的熱釋電紅外報警器主要基于專用放大芯片BISS0001，是和熱釋電紅外傳感器以及少量外接元器件構(gòu)成廣泛應(yīng)用的報警系統(tǒng)，BISS0001該芯片其具有較高性能的傳感信號處理，獨(dú)立的高輸入阻抗運(yùn)算放大器，可以同多種傳感器匹配，是一種CMOS數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐贰Ｐ酒瑑?nèi)含有電壓比較器、狀態(tài)控制器、延時電路定時器、封鎖時間定時器以及參考電壓源等單元電路［4］。

BISS0001芯片具有對輸入信號放大，整形輸出，報警延時等功能，與音樂芯片和揚(yáng)聲器配套，構(gòu)成了一個完整的現(xiàn)場報警系統(tǒng)，當(dāng)有人從熱釋電傳感器通過時，BISS0001的vo口輸出一個正向脈沖，報警器啟動，若配有GPS系統(tǒng)，則向設(shè)定好的無線接收器發(fā)送信號。圖2為BISS0001的常用應(yīng)用電路原理圖，此報警系統(tǒng)功能單一，不易控制。

圖2 BISS0001應(yīng)用電路圖

在溫度變化劇烈或有干擾源存在的情況下，報警器容易引起誤報警或不報警，且只能監(jiān)測有無人員闖入的危險狀況，對于溫度、濕度的監(jiān)測則需要擴(kuò)展傳感器，但此類報警器不易擴(kuò)展，必須引入低功耗單片機(jī)設(shè)計(jì)出多功能報警器，如加入節(jié)能模塊、時鐘和溫度顯示模塊等。

3 熱釋電報警方案

3.1 MSP430G2231及OPA2348

MSP430G2231是TI公司生產(chǎn)的MSP430系列超低功耗混合信號微控制器之一，帶有內(nèi)部基準(zhǔn)，采樣與保持和自動掃描功能的10 bit/200 ksample·s－1A/D轉(zhuǎn)換器，該A/D用于采集熱釋電紅外經(jīng)放大器放大的信號，以及采集當(dāng)前溫度值，通過算法計(jì)算得出當(dāng)前報警的門限值，并與當(dāng)前溫度下的門限值比較，判斷門限值是否超過，從而及時報警。

熱釋電紅外的信號方案選擇OPA2348放大器，該放大器是一種單電源、低功耗的CMOS運(yùn)算放大器，具有寬范圍的高性能運(yùn)放，寬范圍可以是功能方面、性能方面或技術(shù)方面。特有1 MHz的擴(kuò)展帶寬和45μA的電源電流，適用于由2.1～5.5 V單電源供電的低功耗應(yīng)用。45μA的低電源電流和0.5 pA的輸入偏置電流使OPA348系列成為諸如煙感檢測器，紅外傳感器以及其它傳感器等低功耗、高阻抗應(yīng)用的最佳選擇。

3.2 單片機(jī)控制方案系統(tǒng)框圖

熱釋電紅外傳感器輸出的微弱電壓信號，經(jīng)由OPA2348運(yùn)放放大信號后，由單片機(jī)采集并進(jìn)行運(yùn)算處理，計(jì)算出當(dāng)前溫度的采集值，并于當(dāng)前溫度下的門限值比較，若超出，則啟動報警系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖3所示。單片機(jī)將采集到的信號計(jì)算處理后，根據(jù)溫度的變化做出相應(yīng)調(diào)整，實(shí)時控制報警器。

圖3 單片機(jī)方案系統(tǒng)框圖

3.3 單片機(jī)控制方案系統(tǒng)原理

圖4為單片機(jī)方案原理圖，分為4個模塊，虛線A區(qū)為熱釋電放大及濾波模塊，由于熱釋電傳感器的輸出信號太弱以及混雜噪聲，因此采用OPA2348在對該信號放大的同時濾除噪聲，達(dá)到只放大輸出信號的目的。B區(qū)為溫度采集模塊，主要采用熱敏電阻加普通電阻分壓的方式，輸出信號經(jīng)單片機(jī)ADC采集后轉(zhuǎn)換為溫度信號。C區(qū)報警系統(tǒng)模塊，主要控制蜂鳴器及LED閃爍達(dá)到聲光報警的目的。D區(qū)為MSP430單片機(jī)信號處理控制模塊，主要負(fù)責(zé)熱釋電紅外信號及溫度信號的數(shù)據(jù)采集與處理，當(dāng)超過系統(tǒng)報警門限值時，驅(qū)動聲光報警模塊完成報警。單片機(jī)程序下載采用SBW方式，在實(shí)驗(yàn)板上也留出了該下載口，同時留出單片機(jī)未用引腳，以備后續(xù)系統(tǒng)升級。

圖4 單片機(jī)方案原理圖

3.4 單片機(jī)控制方案算法流程

系統(tǒng)通電開始工作，初始化系統(tǒng)配置信息，熱釋電傳感器門限值以5℃為間隔，其次配置MSP430G2231內(nèi)部ADC為多通道連續(xù)采樣，配置定時器為800 ms中斷，此刻單片機(jī)進(jìn)入低功耗模式，隨后等待800 ms定時器中斷喚醒單片機(jī)，讀取ADC的熱釋電信號采樣值及溫度采樣值，并計(jì)算當(dāng)前溫度值下的熱釋電信號是否超過程序設(shè)定的門限值，超出則發(fā)出報警信號;否則單片機(jī)進(jìn)入低功耗模式并繼續(xù)等待800 ms中斷喚醒，重復(fù)上述過程，如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

傳統(tǒng)的熱釋電報警器有3大缺陷:(1)容易受其他熱源、光源的干擾。(2)被動紅外穿透力差，而且人體的紅外輻射容易被遮擋，使得探頭不易接收。(3)當(dāng)環(huán)境溫度與人體溫度相近，探測和靈敏度便明顯下降，甚至短暫失靈，而且容易受外界溫度的影響。

圖5 算法流程圖

單片機(jī)控制方案，解決了其第(3)種缺陷，可以根據(jù)外界溫度的變化，實(shí)時調(diào)節(jié)門限值，提高了熱釋電紅外報警器靈敏度，使其不受外界溫度影響而失靈。圖6為Matlab仿真的傳統(tǒng)方案和單片機(jī)方案的靈敏度隨溫度變化的對比圖，可以看出，傳統(tǒng)方案靈敏度變化比較大，當(dāng)溫度過高時，熱噪聲增大，靈敏度降低，報警不穩(wěn)定，有警不報極易發(fā)生，當(dāng)溫度降低時，熱噪聲減小，靈敏度過高，引起無警卻報的現(xiàn)象。單片機(jī)方案在溫度變化時，調(diào)節(jié)了熱噪聲引起的門限值波動，靈敏度趨于穩(wěn)定。圖中單片機(jī)方案小幅度波動是由于取樣間隔引起的，間隔越小，幅度越小，實(shí)驗(yàn)取5℃的取樣間隔。其功能不再單一，可擴(kuò)展性增強(qiáng)，可改變成多通道多功能的實(shí)時報警系統(tǒng)。最后當(dāng)有熱源接近時，單片機(jī)可以適當(dāng)?shù)难舆t發(fā)送信號，以避免誤報，若使用了更高性能的單片機(jī)，當(dāng)人體溫度與環(huán)境溫度接近時，亦可以區(qū)分并報警。

5 結(jié)束語

基于MSP430單片機(jī)的智能熱釋電紅外報警系統(tǒng)經(jīng)過連續(xù)多次測試，在模擬夏季高溫和冬季低溫，或接近人體溫度的環(huán)境下，熱釋電傳感報警器均工作在穩(wěn)定狀態(tài)，靈敏度穩(wěn)定在正常工作要求的范圍之內(nèi)。單片機(jī)智能熱釋電報警器的缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)較復(fù)雜，成本偏高，但隨著科技的進(jìn)步，設(shè)計(jì)的復(fù)雜性將會更為優(yōu)化，成本問題也會得到很好解決。

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