基于熱釋電紅外傳感器的紅外監(jiān)測系統(tǒng)

王鵬云 閆贊先 王冠一 王志遠

【摘? 要】論文旨在設計一款實用功能強大的紅外監(jiān)測系統(tǒng)，在需要大面積覆蓋的監(jiān)測領域中，人們可以以極低的成本完成精度極高的監(jiān)測任務。目前，各個領域對實現(xiàn)大范圍監(jiān)測和追蹤任務的需求越來越高，傳統(tǒng)的攝像頭監(jiān)控已經遠遠無法滿足當今的需求。

【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.

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

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

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

1 熱釋電紅外傳感器的優(yōu)勢

熱釋電紅外傳感器屬于被動接受類元件，本身并不發(fā)出任何類型的輻射，不易受其他射頻設備的干擾，可以適應復雜多變的環(huán)境。它不需要進行圖像的采集處理與復雜的運算，只需監(jiān)測周圍環(huán)境的熱源，準確率高，有很強的抗干擾能力。該系統(tǒng)每個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域，有著相對成熟的技術而且產品制作簡單成本低可很快地實現(xiàn)量產。

2 熱釋電紅外傳感器的特性

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

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，來源于一切物體內部分子的轉動和撞擊。只有在零開爾文的條件下，一切分子都停止了相對運動后紅外輻射才可能完全消失。目前，自然界某些專家認為晶體在空氣中受熱以后的運動引起了其溫度的周期性變化，從而直接改變了晶體內部原子的排列和順序，使得晶體自然的原子極化，其兩表面產生了電荷，這種現(xiàn)象被稱作熱釋電效應。PIR相比于其他的熱敏器件靈敏得多，可在低頻、高頻等領域擔任重要的任務，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)時由于任務體自發(fā)紅外線，故不需另設光源。大氣層很少吸收特定波長的紅外線，故PIR工作時較容易進行監(jiān)測。

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

3 系統(tǒng)工作原理

3.1 監(jiān)測范圍與輸出信號的幅度的研究

通過對PIR的研究，根據(jù)其工作原理及內部設計，推算出其輸出信號的強度與距離的關系，并對監(jiān)測范圍進行了初步的計算。

經過對D205B功率的嚴密計算后再根據(jù)其參數(shù)計算出了輸出信號的幅度，如圖1所示。

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

3.2 監(jiān)測坐標的研究

在分析了傳感器的定位問題后，絕對采用旋轉掃描的方法來實現(xiàn)坐標的定位，從而彌補了無法對靜止物體進行定位的不足。同時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，從而實現(xiàn)對坐標更精準的定位，如圖2所示。

假設有A和B兩個傳感器且兩傳感器的視角互不重疊，當傳感器A監(jiān)測到范圍內有輻射時即證明了直線a上有輻射源，同時當B傳感器監(jiān)測到范圍內有人時即可以證明直線b上有輻射源，計算直線ab的交點即需要獲取的坐標。為了進一步定位靜止物體的位置，我們讓PIR以一定的角速度旋轉使其與測量物體保持相對運動以達到測量目的。

3.3 數(shù)據(jù)采集

該系統(tǒng)根據(jù)傳感器的特性設計了信號處理和數(shù)據(jù)采集裝置，如此可以做到將電信號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中將模擬信號量化，量化后經由單片機打包傳到PC端。

4 硬件的設計與選擇

4.1 無線傳輸模塊的選擇

為了更好地實現(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)傳輸率可以達到2Mbps，該無線數(shù)據(jù)傳輸芯片具有上百個通信頻點，可以有效地避開WiFi的頻段范圍，實現(xiàn)精準傳輸。同時裝備了數(shù)據(jù)包丟失自動重發(fā)的功能，能夠有效地提高容錯率和通信的質量，從而降低單片機的負荷。

nrf24101無線模塊是一款無線射頻收發(fā)模塊，該模塊具有即時性強、幾乎沒延時、超低耗和高速傳輸?shù)忍攸c。它的工作頻段是2400～2480MHz。由于2.4G頻段是全球開放的一個頻段，所以nrf24101無線模塊在工作時很容易受到各類無線電器、手機等影響。所以我們在nrf24101無線射頻收發(fā)模塊的基礎上設置了一個無線電調頻的技術，調頻的技術主要是通過將2.4GHz的頻帶以一定的頻寬將其轉換并劃分為若干個對應無線電頻率的信道并且以這種方式使單片機的接收和發(fā)送訊號端保持一樣的無線電頻率轉換，以此來控制接發(fā)雙方的傳輸訊號，同時防止數(shù)據(jù)包丟失。其工作原理是，收發(fā)雙方傳輸信號的載波按照預定規(guī)律進行離散變化。以達到避開干擾、完成傳輸?shù)哪康摹Ｓ脽o線傳輸模塊實現(xiàn)人機交互，可供用戶靈活使用，應用范圍較廣，使用要求低。

4.2 信號放大電路的設計

傳感器的有效監(jiān)測范圍是6m，在有效的監(jiān)測范圍內PIR輸出電壓信號的幅度在0.1～10mV，有著較大的幅度差，如果此時PIR輸出信號的幅度過小可能無法進行有效的監(jiān)測，因此，選擇放置一個信號放大電路。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，對直流電壓沒有放大作用。對于直流通路來講，其就相當于一個電壓跟隨器，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)電壓點提高，只放大交流信號。

根據(jù)設計要求，運放為單電源供電，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運算放大器的影響，我們選擇了型號為TLC2274ACN的運算放大器，14-DIP（300mil）封裝，該運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，高轉換率，共模輸入電壓的范圍可包含滿負電源。

5 結語

本系統(tǒng)將PIR、ARM-Cortex-M3核心處理器、各集成電路有效地結合在一起構成了靈敏度高、抗干擾能力強、有極高的信號采集和處理能力的紅外監(jiān)測系統(tǒng)。帶有菲尼爾濾光片的PIR和具有高輸入阻抗的運算放大器的集成電路使系統(tǒng)對環(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，可以適用在對單片機運算速度有一定要求的場合?，F(xiàn)代科學技術的進步對靈敏度和抗干擾能力提出了更高的要求，這也就需要我們在單片機前進的路上不斷地研究和探索。

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