（轮机工程专业论文）无线监控装置及其应用研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 在监控技术领域，无线远程监控是监控技术发展的重要方向之一。如今， 利用成熟的第三方通信网络也是实现无线远程监控的一个良好途径。随着移动 通讯技术的飞速发展，利用现有的g s m 网络资源，发挥网络覆盖率高、传输 特性好等优势，为数据采集系统提供一种便捷的无线数据传输方式，这必将成 为工业控制及现场监测等领域的发展趋势。在一些小数据量传输的监控场合， 人们可以直接利用g s m 网络中的短消息业务( s m s ) 进行数据传输，从而实 现无线远程监控。采用短消息业务进行数据传输和普通的无线数据传输方式相 比，具有许多明显的优点：数据传输可靠；费用低廉；传输距离远，在g s m 网 络覆盖的区域基本不受地域的限制等等。 本课题的主要任务是设计一个基于g s m 网络s m s 的无线远程监控终端。 它可以应用于人们的日常生活和某些工业生产等领域，具有一定的通用性。对 于不同的监控对象用户只需对监控终端进行不同的定义，使其能够更加符合实 际控制的操作习惯。用户只要使用一部手机就能够对受控对象实现实时的远程 监测和控制，使监控任务变得更加便捷。并且本终端完全是按照支持中文的要 求进行设计的，这样用户就可以用纯中文的方式进行操作；用户手机对终端的 访问是以中文短信的形式进行，终端反馈给用户手机的信息也是中文短信。 本文介绍了一种基于g s m ( 全球移动通信系统) 网络s m s ( 短信业务) 的热释电红外线远程监控报警系统。它由被动式热释电红外线传感器、一个无 线g p r s 模块( s i e m e n s 公司的m c 3 9 i 模块) 和一个以单片机( 华邦单片机 w 7 8 e 5 8 b ) 为核心的报警监控单元组成，报警监控单元利用a t 指令通过串口 和g p r s 模块进行通讯。通过g p r s 模块m c 3 9 i ，可以使无线监控装置应用在 诸如工业现场、商业现场和家庭室内等，通过手机中文短信实时地对用户进行 报警。同时，用户也可以通过短消息控制监控终端完成相应指令动作。为了保 护报警系统终端的使用权限，本系统设定了自定义设置控制权限号码功能。 关键词：热释电红外线传感器g p r s 模块a t 指令单片机自定义 a b s t r a c t i nt h ef i e l do fm o n i t o r i n g t e c h n o l o g y ，w i r e l e s sr e m o t em o n i t o r i n gi sa n i m p o r t a n ta s p e c to fd e v e l o p m e n ti nm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y t o d a y ，t h ed i r e c tu s eo f m a t u r e t h i r d - p a r t y n e t w o r kt oa c t u a l i z e w i r e l e s sr e m o t em o n i t o r i n gi st h e d e v e l o p m e n to fa n e wd i r e c t i o no fr e m o t em o n i t o r i n g w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t o fc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y ，b yu s i n ge x i s t i n gg s mn e t w o r kr e s o u r c e s ，t a k i n g t h ea d v a n t a g eo fw i d ec o v e r i n g ，g o o d t r a n s m i t t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，ac o n v e n i e n t w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nm e t h o dh a sb e e np u tf o r w a r df o rp r e s e n td a t ac o l l e c t i n g s y s t e m t h i ss h o w st h et r e n di nt h ef i e l do fi n d u s t r i a lc o n t r o la n dl i v em o n i t o r i n g i n t h ec a s eo fm o n i t o ra n dc o n t r o lf i e l d t r a n s m i t t i n ga l i t t l ea m o u n to fd a t aa m o u n t , p e o p l ec a nu t i l i z es h o r tm e s s a g es e r v i c e ( s m s ) i ng s mn e t w o r k i n gd i r e c t l yt o t r a n s m i td a t ai no r d e rt or e a l i z e w i r e l e s s l yr e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n g c o m p a r ew i t ho r d i n a r yw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nm e a n s ，a d o p t i n gt h es h o r t m e s s a g es e r v i c et ot r a n s m i td a t ah a v eal o to fo b v i o u sa d v a n t a g e s ：d a t at r a n s m i s s i o n i sr e l i a b l e ，t h ee x p e n s e sa r ec h e a p ，t h et r a n s m i t t i n gd i s t a n c ei sv e r yf a rw i t hl i t t l e r e s t r i c t e db yr e g i o nb a s i c a l l yi nt h ea r e ac o v e r e db yg s m n e t w o r k i n ge t c t h em a i nt a s ko ft h i sp a p e ri st o d e s i g nag s mn e t w o r ks m s - b a s e dw i r e l e s s r e m o t em o n i t o r i n gt e r m i n a l i tc a nb ea p p l i e dt o p e o p l e sd a i l yl i v e sa n di ns o m e a r e a ss u c ha si n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n dh a sac e r t a i nc o m m o n a l i t y u s e ro n l yn e e d s t os e l f - d e f i n et h et e r m i n a ld i f f e r e n t l ya c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n to b j e c t sm o n i t o r e d a n dc o n t r o l l e d ，s ot h a ti tc a l lc o n t r o lm o r ei nl i n ew i t ht h ea c t u a lo p e r a t i o no ft h e h a b i t a sl o n ga st h eu s eo fac e l lp h o n e ，t h eu s e rw i l lb ea b l et oa c t u a l i z er e a l t i n ：l e r e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lt ot h eo b j e c t ，s ot h a tt h et a s kh a sb e c o m em o r e c o n v e n i e n tt om o n i t o r a n dt h et e r m i n a li si na c c o r d a n c ew i t ht h er e q u i r e m e n t st o s u p p o r tt h ec h i n e s e - d e s i g n e d ，s ot h eu s e rc a r lu s ep u r ec h i n e s ew a yt oo p e r a t e t h e a c c e s s i n go ft e r m i n a lw i t ht h eu s e r sp h o n ei si nt h ef o r mo fc h i n e s es h o r tm e s s a g e , a n dt h ef e e d b a c ko ft e r m i n a lt ot h eu s e r sp h o n ei sa l s oi nt h ef o r mo fc h i n e s es h o r t m e s s a g e n 武汉理工大学硕士学位论文 t i l i sa r t i c l eh a si n t r o d u c e daw i r e l e s sr e m o t ea l a r m i n ga n dm o n i t o r i n gs y s t e m o fp y r o e l e c t r i cp a s s i v ei n f r a r e ds e n s o rb a s eo ns m so fg s m n l es y s t e mc o n s i s t so f ap y r o e l e c t r i cp a s s i v ei n f r a r e ds e n s o r ，aw i r e l e s sg s m m o d u l e ( m c 3 9 im o d u l e p r o d u c e db ys i e m e n sc o m p a n y ) a n da l la l a r ma n dm o n i t o ru n i tt a k i n gs i n g l e - c h i p m i c r o c o m p u t e r ( w 7 8 e 58 b ) a st h ec o r e u s i n gt h ea tc o m m a n d s t h ea l a r ma n d m o n i t o ru n i tc a nc o m m t m i c a t ew i t ht h eg s m m o d u l e t h et e r m i n a ll e tt h ec o n d i t i o n o fi n d u s t r ys c e n e ，s t o r es c e n ea n dh o u s e h o l ds c e n ea l a r mt op e o p l eb vc h i n e s es h o r t m e s s a g eo fm o b i l ep h o n er e a l - t i m e ，u s i n gg s mm o d u l em c 3 9 i i no r d e rt op r o t e c t t h es y s t e mt e r m i n a l su s ep u r v i e w ，i th a st h ef u n c t i o n 也a tp e o p l ec a l ls e l f - d e f i n et h e t e r m i n a l su s en u m b e r k e yw o r d s ：p y r o e l e c t r i cp a s s i v ei n f r a r e ds e n s o r ；g p r sm o d u l e ：a tc o m m a n d s ： s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r ； s e l f - d e f i n e i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 导师( 签名) ：觥日期 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题的研究目的和意义 随着人民生活水平的日益提高及现代信息技术的快速发展，人们对于自身 的居住环境以及生活的舒适性、安全性，也有了更高的要求。计算机技术、通 信技术的应用已经渗透到日常生活的方方面面。 由于无线技术的日益发展，无线传输技术应用越来越被各行各业所接受。 无线监控作为一个特殊使用方式也逐渐被广大用户看好。其安装方便、灵活性 强、性价比高等特性使得更多行业的监控系统采用无线监控方式，建立被监控 点和监控中心之间的连接。无线监控技术已经在现代化小区、交通、运输、水 利、航运、治安、消防等领域得到了广泛的应用。越来越多的企业集团呈现跨 地域的发展趋势，利用网络技术实现远程监控，对企业降低生产成本，提高劳 动生产率，提高企业产品的科技含量，以及增强企业的综合竞争实力等方面都 具有十分重要的意义。无线远程监控系统将有着广泛的应用前景，对其进行研 究应用将带来巨大的社会效益和经济效益【l l 。 在监控系统中嵌入了g p r s 模块，运用它最具优势的短信功能，将采集的 数据以短信的方式发送到控制中心，控制中心也以短信方式实现对终端的适时 监控和管理。另一方面，由单片机构成的数据采集系统和p c 机通过串行口构 成的多微机系统已经广泛应用于工业控制、环境监测等领域，这些系统大多采 用r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 或是有线m o d e m 的通信方式，虽然经济实用，但其有 线数据传输方式在很大程度上限制了应用场合的拓展。利用现有的g p r s 网络 资源，发挥网络覆盖率高、传输特性好等优势，为现有数据采集系统提供一种 便捷的无线数据传输方式。g p r s 网络在短消息方面的应用具有不需拨号、价 格低廉、传输可靠、覆盖范围广等特点，适用于需频繁传送小流量数据和不宜 铺设线路的应用场合。g p r s 远程监控系统是利用单片机组成的数据监控系统， 通过g p r s 网络以短消息的形式完成远程数据的传输，即在传统的单片机数据 采集系统中增加支持短消息、数据通信等业务的g p r s 模块，并为其分配一个 独立的s i m 卡，结合单片机系统通过串行通信接口，实现数据的远程无线传输。 武汉理工大学硕士学位论文 监控终端可以是由单片机构成的一个监控单元模块【2 l 。 g s m 网络中的短消息业务不占用话音通信的信道，费用低廉，对用户极具 吸引力。短消息业务的出现为目前以提供话音服务为主的g s m 移动通信网络开 辟了一个全新的服务领域。 短消息业务具有以下特点： 短消息传输速率低，适合于简短信息的传送。它既是电信业务，也可以 通过短信中心与增值业务平台相连作为增值服务的载体； 短消息需要在短信中心存储转发，实时性较弱( 即存在时延) ； 短消息的传送占用了控制信道，在业务量较高时，会受到无线信道的能 力限制； 短消息的技术最成熟，对网络改造较小，实现业务比较容易。 利用短信可以实现一些增值业务，如信息点播、交易服务( 股票交易、手 机银行等) 、定位业务、话费催缴及查询业务、远程监测监控等 3 - 4 1 。 1 2 远程控制技术简介 监控是实现信息获取、分析、传输、管理、反馈输出等的重要手段，包括 监视和控制两个过程。监控系统近几年发展异常迅速，在宾馆、机关、街道、 博物馆、铁路车站、货场、码头、民用航空、城市道路等地方使用的越来越多。 但是，在没有任何敷设线路条件的现场，布置监控设备，如带有壁画的文物洞 窟、装修完整的大型展厅，临时需要监控的场合：不便挖掘和埋线的广场，不具 备架线的星级货场，铁路站点、公安武警、部队在特殊场合临时使用等等，常 规的监控系统就不能胜任。为满足上述用户需求，无线传输的远程监控系统应 运而生【5 1 。 远程监控系统是指借助某种通信手段实现对远程受控对象的监视和控制， 它是本地和远端共同构成的能够实现远程监控功能的软、硬件系统，是信息网 络与控制网络结合的产物，集现代计算机技术、通信技术、传感器技术、自动 控制技术和人机系统技术等为一体，在许多领域有广泛的应用。适用于人类无 法到达的远程、高危环境，也可用于家居、车辆监控、工矿、企事业单位的生 产过程和监控管理等方面，不但可以提供全新、透明、可视、实时、互动、形 象化的跟踪、导航等服务，而且提供辅助决策功能。远程监控系统能极大地提 2 武汉理工大学硕士学位论文 高人们的生活质量，提高企业生产自动化水平和生产效率 6 1 。 远程监控系统包括两个基本要素：一是现场监控系统，现场设备是远程监 控系统的操作对象，保证现场控制系统的可靠稳定运行是远程监控的基本要求； 二是数据通信系统，这是连接远程用户与现场设备的枢纽，远程用户必须能与 控制现场进行信息交互才能够实现对现场设备的远程监控【7 】。 根据监控信息的传输方式，远程监控系统可以分为有线和无线两种。有线 监控一般用于视频监控，实时监控等实时性要求高，数据量大，监控点较为集 中的情形，采用现场总线、闭路天线、计算机网络为传输媒介；无线监控则适 合于监控范围随机变化或者难于布线，数据量不大，实时性要求不太高的场合， 常用的实现方式有：利用现有的通信网络( g s m g p r s 、c d m a 移动网等) 和相 应的无线通信产品；通过无线收发设备，采用无线m o d e m ，无线网桥等直接建 立专门的无线局域网；利用收发集成芯片在监测站实现电路板与监控中心的无 线通信等。 远程监控系统所涉及的核心技术中，信息传输技术是其中最为关键的技术， 它决定了系统的实时性能，可扩展性能，通用性和可靠稳定性好坏。对于无线 远程监控系统，基于g s m g p r s 网的传输技术有着广阔的应用前景i s 。 国内对于远程监控技术也开展了积极的研究。目前，西安交大、华中科技 大学、哈尔滨工业大学、南京理工大学等高校己取得了较为先进的研究成果， 如西安交通大学研制的“大型旋转机械计算机状态监测系统及故障诊断系统 r m m d ”、华中科技大学开发的“汽轮机工况监测和诊断系统k b g m d ”、哈尔滨 工业大学的“微计算机化机组状态监视与故障诊断专家系统m m m d e s ”等1 9 1 。 计算机领域经历了一场新的革命，它结合了现代控制技术、图形技术，其 目标是随时随地为人们提供无缝的、高质量的、易用的、廉价的信息资源，使 其能真正进入人们的生活。计算机监控系统的技术水平也从初期的模拟信息传 输与控制飞速发展到了数字化、网络化信息传输与控制 1 0 - 1 1 l 。 目前远程监控技术的主流是应用i n t e m e t 技术，在t c p f l p 协议和w w w 规 范的支持下，合理组织软件结构，使工作人员通过访问网络服务器来迅速获取 自己权限下的所有信息并及时做出响应。将来，嵌入式系统的发展会越来越迅 速，越来越成熟，这项新技术迟早必将用于远程监控系统上，是监控系统未来 发展方向之一。嵌入式监控系统可以使信息实现本地化处理，改善服务器性能， 可以使每一个设备具备上网与服务功能，即每一个设备都可以独立进行服务， 3 武汉理工大学硕士学位论文 从而大大提高监控的质量和范围【1 2 】。 无线监控和传统的监控方案相比，具有以下三大优点： 1 、综合成本低，只需一次性投资，无须挖沟埋管，特别适合室外距离较远 及已装修好的场合；在许多情况下，用户往往由于受到地理环境和工作内容的 限制，例如山地、港口和开阔地等特殊地理环境，对有线网络、有线传输的布 线工程带来极大的不便，采用有线的施工周期将很长，甚至根本无法实现。这 时，采用无线监控可以摆脱线缆的束缚，有安装周期短、维护方便、扩容能力 强，迅速收回成本的优点。 2 、组网灵活，可扩展性好，即插即用，管理人员可以迅速将新的无线监控 点加入到现有网络中，不需要为新建传输铺设网络、增加设备，轻而易举地实 现远程无线监控。 3 、维护费用低，无线监控维护由网络提供商维护，前端设备是即插即用、 免维护系统。 1 3 系统功能介绍 本课题的主要任务是以远程监控系统领域现阶段的技术为参考，以远程监 控需求为背景，以s m s 短消息数据传送为途径，设计一个基于g s m 网络s m s 通用性强的无线远程监控报警终端。它可以应用于人们的日常生活和某些工业 生产等领域，具有很强的通用性和自定义功能。用户可以对其各个端口根据具 体的不同控制对象进行定义，使其能够更加符合实际控制的操作习惯。用户只 要使用一部手机就能够对受控对象实现实时的远程报警和监测控制，使报警监 控任务变得更加便捷。并且本终端完全是按照支持中文的要求进行设计的，这 样用户就可以用纯中文的方式进行操作：用户对终端的各端口以中文的方式进 行定义；用户手机对终端的访问也是以中文短信的形式进行；终端反馈给用户 手机的信息也是中文短信。 本系统是采用短消息的形式来进行远程检测和报警控制的。报警监控终端 外接的监控对象有： ( 1 ) 开关按纽控制其亮灭的l e d ，具体的代表含义由使用者自己设定， 例如：表示警情，如果现场操作人员按下警情按钮，那么该l e d 就会亮，同时 系统会发送中文短消息“报警”到控制权限者的手机；弹起该按钮，那么该l e d 4 武汉理工大学硕士学位论文 就会灭，同时系统会发送中文短消息“撤警”到控制权限者的手机。这样的话， 工业现场操作人员就可以把现场的情况传达给远方的控制权限者。同时，无论 在什么时候，控制权限者都可以以中文短消息的方式查询该端口的状态。当监 控终端收到控制权限者的查询短消息后，则把当前查询端口的状态以短消息的 方式反馈给控制权限者的手机。从而实现了无线远程控制的目的。 ( 2 ) 被动式热释电红外线报警监测传感器，主要用于完成现场防盗报警监 测；或监测工业危险现场区域是否有人闯入，并执行相应的保护动作以及人体 感应开关等人体红外线感应功能。例如：在室内防盗报警系统中，可以利用被 动式热释电红外线传感器探测到那扇窗户有人进入并通过该终端执行“报警 功能。或者，在危险工业现场中，利用该探头监测是否有人闯入危险区域。如 果被动式红外探头检测到有人误闯该区域，则监控终端启动现场语音告警功能 一通过外接扬声器发出告警音，来警告误闯人员快速离开该危险区域。同时， 通过该监控终端关闭能够造成人员危害的设备开关。 ( 3 ) 自定义告警功能，利用语音告警电路用户可以根据自己的实际需要， 录制自定义告警音来实现如：防止小孩接触或误食危险和有害的物品和药品； 也可用于工业某些危险区域，防止有人误闯该区域从而有效减少不必要的损害。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章基于热释电红外传感器的人体感应系统设计 随着时代的不断进步，人们对自己所处环境的安全性提出了更高的要求， 尤其是在家居安全方面，不得不时刻留意那些不速之客。现在很多小区都安装 了智能报警系统，因而大大提高了小区的安全程度，有效保证了居民的人身财产 安全。由于红外线是不可见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒 等安保装置中得到了广泛的应用。 热释电红外传感器是一种非常有应用潜力的传感器1 1 3 。它能检测人或某些 动物发射的红外线并转换成电信号输出，因此本课题将选用热释电红外传感器。 如何进行热释电红外传感器的选型很关键，选择合适的传感器将极大地提高检 测系统的灵敏度，提高整个控制系统的反应速度。热释电红外传感器选型主要 根据工作波段和预期达到的精度来确定。因此很有必要深入了解一下红外辐射 理论及热释电红外传感器的结构、工作原理，这将有助于针对移动的人体及小 动物选择红外传感器的工作波段，并为设计高精度的人体感应系统选择适合的 传感器。 2 1 红外辐射理论 辐射是电磁波传递能量的现象。由于物体内部微观粒子的热运动状态改变 时激发的电磁波辐射称为红外辐射。红外辐射普遍存在于宇宙万物之中，任何 高于绝对零度的物体总是不断向周围空间发出红外辐射，同时又不断吸收周围 物体投射给它的红外辐射【l4 1 。 红外辐射占有电磁波谱中0 7 6 - - 1 0 0 0 m 这一广阔波长范围，其短波侧与 可见光毗邻，长波端与毫米波相衔接。红外辐射通常按波长划分为：近红外 ( 0 7 6 i m ) ；短波红外( 1 - - 3 m ) ；中波红外( 3 5 zm ) ；长波红外( 5 1 4 m ) ；甚长波缈 - ( 1 4 - - - 3 0 m ) ；远红外( 3 0 - 1 0 0 0u m ) 。 红外辐射理论以黑体为对象，研究其发射的红外辐射随温度、波长变化的 定量关系。研究这些理论还有助于针对特定任务( 如地面目标检测) 选择红外 传感器的工作波段。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 1 热释电效应 由于热释电晶体自然存在时，内部会产生固有的自发电极化，通常情况下 这类晶体并不显出外电场，因为对导体来说，这种自极化的自由电荷分布将与 内电矩相抵消：对绝缘体来说，极化引起的表面电荷会吸引杂散电荷趋附到晶体 表面从而使得二者中和掉。当晶体的温度发生变化时，晶体的自发极化强度也 随之改变，在与极化强度方向垂直的晶体表面就会产生热释电电荷，如果晶体 的温度变化足够快，内部的或外界的电荷来不及补偿中和热释电电荷，这时会 显出电场 1 5 1 。这种晶体随温度变化而产生电荷的现象就是热释电效应1 1 6 1 。 从微观上看，热释电效应的机构如图2 1 所示。热释电晶体是由极性分子 组成的，存在着自发极化现象，即没有外界影响时，极性分子的电矩自发地形 成有序排列。所以，当晶片表面与自发极化强度垂直时，表面就有束缚电荷存 在。不过，自发极化所产生的束缚电荷很难直接测量，这是由于晶体中存在有 自由电荷，晶体表面又存在有吸附电荷，这两种电荷对束缚电荷有屏蔽作用， 使晶体表面处于电中性的缘故。 + 。- _ _ 一。 _ 。- - l _ 。 图2 - 1 热释电效应机构图 当晶体的温度发生变化时，自发极化强度则立即改变，因而表面束缚电荷 也随着温度改变。这是因为温度的变化，引起晶体的晶格常数变化，冷缩热胀， 从而影响自发极化强度变化：另外在温度升高时，晶格振动加剧，也会使自发 极化强度改变。只要温度的变化不是太缓慢，自由电荷和吸附电荷就无法跟上 束缚电荷的迅速变化。因为热释电晶体是电介质，对电荷的传导能力很差，致 7 武汉理工大学硕士学位论文 使自由电荷和吸附电荷变化的弛豫时间，远大于束缚电荷变化的弛豫时间。因 而晶体表面的电中性条件遭到破坏，在晶体中产生了与温度变化相应的电场和 热释电电流【1 7 】。 热释电效应所应满足的关系式如下： = 却警 ( 2 1 ) 其中p 为热释电系数。 若以q 代表晶体中的自由电荷和表面吸附的杂散电荷的面密度，以尽代表 束缚电荷的面密度，根据极化强度的意义( 表面束缚电荷的面密度) ，可以得n - q = a b ( 2 2 ) 当t = 0 时，有q + q = o ，晶体表面呈电中性。 当f 由零变到t 时，晶体的温度由t 变为t + a t ，这时束缚电荷的变化为： 上式可以改写为： f ：型：4 亟一d t ( 2 3 ) 3 a td 1m p 彳冬a l 掣a t 将( 2 1 ) 式和( 2 4 ) 式对比，可以得到热释电系数为： 尸：亟 弧 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 热释电系数等于自发极化强度对温度的变化率。p 是和材料性质有关的常 8 武汉理工大学硕士学位论文 数，与样品的几何尺寸无关，但它却与晶体的固定方式、热学状态有关。 需要指出的是，如果红外辐射持续下去电介质的温度就会升到新的平衡状 态，表面电荷也同时达到平衡，这时它就不再释放电荷，也就不再有信号输出 了。因此，对于这类的热释电红外传感器，只有在红外辐射强度不断变化，它 的内部温度随之变化不断升降的过程中，传感器才有信号输出，而在稳定状态 下，输出信号则为零。因此在应用这类传感器时，应设法使红外辐射不断变化， 这样才能使传感器不断有信号输出。为了满足这一要求，通常在热释电传感器 的使用中，总是要在它的前面加装一个菲涅尔透镜。菲涅尔透镜是利用透镜的 特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区 和“高灵敏区 ，以 提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断 地交替从“盲区 进入“高灵敏区，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的 脉冲形式输入，从而增强其能量辐度【18 1 。 2 2 热释电红外传感器r e 2 0 0 b 热释电红外线传感器我们在这里选用r e 2 0 0 b 双元件型热释电红外传感 器，在这种传感器内部，两个敏感元件反相连接，当人体静止时两元件极化程 度相同，互相抵消。但人体移动时，两元件极化程度不同，净输出电压不为0 ， 从而达到探测移动人体的目的。如图2 2 为热释电红外线传感器r e 2 0 0 b 的结 构示意图。 鬻滋瑶透镜 代磊芦 吉潞筲n 蝴冯鬻 岔织 图2 2 热释电红外传感器结构示意图 9 武汉理工大学硕士学位论文 它包括热释电晶体、电极、氧化膜、衬底、f e t 和负载电阻几个组成部分。 热释电晶体一般是p z t 或其他材料，在晶体上下表面分别设置电极，在上表面 再加一层黑色氧化膜以提高其转换效率【1 9 】。在管壳顶端装有滤光镜片及窗口， 用以选择接收不同的波长。在窗口上装滤光镜的目的是使不需要的红外线不能 进入传感器。一般热释电红外传感器在光谱范围内的灵敏度是相当平坦的( 并 且不受可见光的影响) 。一般常用硅质聚乙烯材料的滤光镜，它能以非接触形式 检测出物体放射出来的红外线能量变化，并将其转换成电信号输出。传感器探 头前部装有菲涅尔透镜。由于人的活动频率范围在o 1 - 1 0 t - i z ，因此需要对人体 活动频率加以增频，而菲涅尔透镜是一种多面反( 折) 射镜，比较理想【2 0 1 。当 人体进入菲涅尔透镜的一个视场时，在热释电传感器上产生一个交变红外辐射 信号，就会使传感器电路产生一个微弱的电压信号。树脂封装的菲涅尔透镜则 设在侧面。菲涅耳透镜根据菲涅耳原理制成，把红外光线分成可见区和盲区， 同时又有聚焦的作用，使热释电人体红外传感器( p i r ) 灵敏度大大增加。菲涅 耳透镜有折射式和反射式两种形式，其作用一是聚焦，将热释红外信号折射( 反 射) 在p i r 上；二是将检测区域分为若干个明区和暗区，使进入检测区域的移 动物体能以温度变化的形式在p i r 上产生变化热释红外信号，这样p i r 就能产 生变化电信号。 d 3 o 图2 3 热释电红外传感器等效电路图 热释电晶体的等效电路图如图2 3 所示。热释电晶体的等效电路是一个在 负载电阻上并联一个电容的电流发生器，其输出阻抗很高，一般为1 0 k 4 7 k ， 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 而且输出电压信号又极其微弱，故在管内附有f e t 放大器及厚膜电阻，以达到 阻抗变换的目的。 不同于主动式红外传感器，被动红外传感器本身不发任何类型的辐射，隐 蔽性好，器件功耗很小，价格低廉。但是，被动式热释电传感器也有缺点，如： ( 1 ) 信号幅度小，容易受各种热源、光源干扰； ( 2 ) 被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收； ( 3 ) 易受射频辐射的干扰； ( 4 ) 环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时 失灵； ( 5 ) 被动红外探测器的主要检测的运动方向为横向运动方向，对径向方向 运动的物体检测能力比较差。如图2 4 所示： 传感器 竣不域感艿囱 _ 图2 4 被动式红外探测器的检测方向 竣皱辔方向 因此，热释电红外传感器在安装中应注意以下几点： ( 1 ) 热释电红外传感器的安装高度应在距地面1 2 m 之间，传感器向下应 有一定的倾斜度，以减小探测死角： ( 2 ) 传感器与控制电路之间的距离应尽量短，并使用屏蔽引线连接，以免 引入干扰； ( 3 ) 热释电红外传感器远离空调、冰箱、火炉等空气温度变化敏感的地方； ( 4 ) 热释电红外传感器探测范围内不得有隔屏、家具、大型盆景或其他隔 离物； ( 5 ) 热释电红外传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动 会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上。红外线热释电传感器也不要安装在有 武汉理工大学硕士学位论文 强气流活动的地方。 2 3 人体感应系统的电路设计 如图2 5 所示，该检测系统由光学系统、传感器r e 2 0 0 b 、信号采集、比较 器、输出控制电路等构成。 图2 5 热释电红外传感器系统电路图 r e 2 0 0 b 把检测到的人体红外辐射能量( 3 6 3 7 所辐射的红外线波长为 9 1 0 a m ) 转换成电信号，通过s 管脚输入给b i s s 0 0 0 1 ，经过b i s s 0 0 0 1 内部 传感器信号预处理电路将信号放大，再有双向鉴幅器检测出有效触发信号v s ( 可有效抑制l v 的噪声干扰) ，由v s 的上跳变沿来触发v o 管脚输出高电平。 当检测到人体信号后，b i s s 0 0 0 1 的2 脚将输出一个电压值，采用主控单片 机的一个外部中断0 引脚来检测其是否有高电平输出，如果有高电平输出，通 过反相器可以给单片机一个下降沿触发中断，说明在这段时间里有人进入，于 是开始执行相关的操作如：短消息报警；用户也可用手机发送短消息控制监控 终端开启语音告警功能等。从而有效达到防盗报警的效果。 由于传感器r e 2 0 0 b 的输出信号不能直接被单片机处理，所以必须对输入 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 信号进行转换、放大、调制、隔离和滤波等操作。在热释电红外检测模块中采 用b i s s 0 0 0 1 芯片。b i s s 0 0 0 1 是由运算放大器，电压比较器，状态控制器，延 迟时间定时器，以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。由于 b i s s 0 0 0 1 内设有延时时间定时器和封锁时间定时器输出，延迟时间t x 由外部 的r 9 和c 7 的大小调整触发，封锁时间t i 由外部的r 1 0 和c 6 的大小调整。a ( 1 管脚) 是工作方式选择开关，当a 与+ 5 v 端连通时，芯片处于可重复触发 工作方式，当a 与接地端连通时，芯片则处于不可重复触发工作方式，即在t x 和t i 的时间段里任何外界的变化都不能改变芯片2 脚的输出，为有效抑制负载 切换过程中产生的各种干扰。本文设计的人体感应系统采用不可重复触发工作 方式。 如果没有光学系统，热释电传感器的检测距离最大只有2 - 3 m ，配用光学 系统( 一般采用透镜) 后，移动的人体辐射的红外线进入透镜，会产生一个交替 出现的盲区和高敏区，这样形成了光脉冲。形成了一系列光脉冲进入传感器， 极大的提高了检测灵敏度，其有效检测距离可达到1 2 - - 一1 5 m 。考虑到该检测系 统的线性范围、检测精度等，这里采用了菲涅尔透镜。 2 3 1b i s s 0 0 0 1 介绍 b i s s 0 0 0 1 是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路1 2 1 1 ，其引脚排列如 图2 - 6 所示。它配以热释电红外传感器和少量外接元器件就可构成被动式的热 释电红外开关、用于检测人体红外辐射的热释电传感器等。它能自动快速开启 各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置， 特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于 安全区域的自动灯光、照明和报警系统。因此，该终端可以进一步的进行外部 功能扩展，从而使得该终端应用于整个家庭室内的防盗、防火、防止煤气中毒、 人体感应开关等功能，充分实现其智能自定义功能。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 i o l 汀l f m - i f n 斗烈扣- 2 0 叶v d dl bv e a v o r r i r c lr c 2 r r 2v s sv r f 图2 - 6b i s s 0 0 0 1 引脚图 b i s s 0 0 0 1 红外传感信号处理器集成电路具有如下特点： ( 1 )c m o s 数模混合； ( 2 )具有独立的高输入阻抗运算放大器，可与多种传感器匹配，进行信 号预处理； ( 3 ) 双向鉴幅器可有效抑制干扰； ( 4 )内设延迟时间定时器和封锁时间定时器，稳定可靠，调节范围宽； ( 5 ) 内置参考电源； ( 6 )工作电压范围宽+ 3 v + 5 v ； ( 7 )采用1 6 脚d i p 封装； b i s s 0 0 0 1 内部结构如图2 7 所示。 阱f j 4 ) 一一 m l j j i 到：岿m状 ，1 一 l n ，譬 0 矿“1 6 ， 一一广 态 k 除 堕狳 。商蕾 控 卷蒜荜霉 1 制 y a 钠il 氡 寄 譬砖一 抛 n 、 存 扩7 圭 ， ， 鼢礴z 骚 器 亡一 封锁时间 辫百 霞： ia 咐 、 定时嚣n剿 蚓志荭l 辨 刁 一 爹碍电涟卜辕。i 图2 7b i s s 0 0 0 1 内部结构框图 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 b i s s 0 0 0 1 工作原理：由图可见b i s s 0 0 0 1 是由运算放大器、电压比较器和 状态控制器、延迟时间定时器、封锁时间定时器及参考电压源等构成的数模混 合专用集成电路。可广泛用于多种传感器和延时控制器。 各引脚的定义和功能如下： v d o 一工作电源正端。范围为3 5 v 。 k 。一工作电源负端。一般接0 v 。 1 b 一运算放大器偏置电流设置端。经接端，尺占取值为1 m r 2 左右。 1 ，一一第一级运算放大器的反相输入端。 1 w + 一第一级运算放大器的同相输入端。 l o ，丌一第一级运算放大器的输出端。 2 m _ 一第二级运算放大器的反相输入端。 2 0 ，仃一第二级运算放大器的输出端。 圪一触发禁止端。当 v r 时允许触发； o 2 。 一参考电压及复位输入端。一般接，接“0 ”时可使定时器复位。 a 一可重复触发和不可重复触发控制端。当a - “l ”时，允许重复触发， 当a - “0 时，不可重复触发。 v 0 一控制信号输出端。由v s 的上跳变沿触发使圪从低电平跳变到高电 平时为有效触发。在输出延迟时间巧之外和无攻上跳变时圪为低电平 状态。 r r l 、r c l 输出延迟时间咒的调节端。瓦4 9 1 5 2 r 1 c 1 。 r r ，、r c ，一触发封锁时间n 的调节端。t i 2 4 r ，c ，。 我们先以图2 8 所示的不可重复触发工作方式下的各点波形，来说明 b i s s 0 0 0 1 的工作过程。 武汉理工大学硕士学位论文 1 ，2 d a t s ； ； a l ；_ _ 一 亿r 丁 、，d 厂厂 首先，由使用者根据实际需要，利用运算放大器组成传感器信号预处 理电路，将信号放大。然后，耦合给运算放大器o p 2 ，再进行第二级放大，同 时将直流电位抬高为( 0 5 d ) 后，送到由比较器c 咄和c o p 2 组成的双 向鉴幅器，检出有效触发信号珞。由于0 7 v d d 、圪0 3 ，所以，当 “n = 5 v 时，可有效地抑制1 v 的噪声干扰，提高系统的可靠性。c 啦是一个 条件比较器。当输入电压诈 k 时，c o p 3 输出为高电平，打开 与门u ，此时若有触发信号坎的上跳变沿到来，则可启动延迟时间定时器，同 时k 端输出为高电平，进入延时周期。当a 端接“0 ”电平时，在咒时间内任 何坎的变化都被忽略，直至咒时间结束，即所谓不可重复触发工作方式。当咒 时间结束时，圪下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期乃。 在n 周期内，任何坎的变化都不能使圪为有效状态。这一功能的设置，可有效 抑制负载切换过程中产生的各种干扰。 下面再以图2 - 9 所示的可重复触发工作方式下各点的波形，来说明 b i s s 0 0 0 1 在此状态下的工作过程。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 1 3 警i i 三轱 v s 下坠陛l 罂旦罂坠 a j j ij 亿r