基于热释电红外传感器的红外监测系统
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【摘 要】论文旨在设计一款实用功能强大的红外监测系统，在需要大面积覆盖的监测领域中，人们可以以极低的成本完成精度极高的监测任务。目前，各个领域对实现大范围监测和追踪任务的需求越来越高，传统的摄像头监控已经远远无法满足当今的需求。
【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.
【关键词】热释电传感器;监测;ARM-Cortex-M3;D205B传感器
【Keywords】pyroelectric sensor; monitoring; ARM-Cortex-M3; D205B sensor
【中图分类号】TP212.1;TP277 【文献标志码】A 【文章編号】1673-1069（2020）09-0188-02
1 热释电红外传感器的优势
热释电红外传感器属于被动接受类元件，本身并不发出任何类型的辐射，不易受其他射频设备的干扰，可以适应复杂多变的环境。它不需要进行图像的采集处理与复杂的运算，只需监测周围环境的热源，准确率高，有很强的抗干扰能力。该系统每个传感器窗口还各自带有一块红外干涉辐射滤波片，该干涉滤波片只能够允许特定频率波长的红外线通过，可以有效地抑制和排除干扰。目前，热释电红外传感器广泛用于安防领域，有着相对成熟的技术而且产品制作简单成本低可很快地实现量产。
2 热释电红外传感器的特性
红外传感器是将红外辐射转换成电能的一种光敏电子元件，广泛应用于安防警报、卫星探测等领域。目前，红外技术在遥感和空间领域有着卓越的地位。
红外传感器有多种工作类型，包括热型和量子类型，其通常也被称作PIR。红外辐射是一种热辐射，来源于一切物体内部分子的转动和撞击。只有在零开尔文的条件下，一切分子都停止了相对运动后红外辐射才可能完全消失。目前，自然界某些专家认为晶体在空气中受热以后的运动引起了其温度的周期性变化，从而直接改变了晶体内部原子的排列和顺序，使得晶体自然的原子极化，其两表面产生了电荷，这种现象被称作热释电效应。PIR相比于其他的热敏器件灵敏得多，可在低频、高频等领域担任重要的任务，有着重要的地位。
PIR不受可见光的影响，因此，可以昼夜连续作业。在作业时由于任务体自发红外线，故不需另设光源。大气层很少吸收特定波长的红外线，故PIR工作时较容易进行监测。
PIR的红外线灵敏度较低，在作业时配合菲尼尔红外滤波片可以达到极优的效率。
3 系统工作原理
3.1 监测范围与输出信号的幅度的研究
通过对PIR的研究，根据其工作原理及内部设计，推算出其输出信号的强度与距离的关系，并对监测范围进行了初步的计算。
经过对D205B功率的严密计算后再根据其参数计算出了输出信号的幅度，如图1所示。
从上图我们可以看到，输出信号的幅度和距离是成反比的，距离越远传感器的信号幅度越低，有效监测范围维持在6m以内。
3.2 监测坐标的研究
在分析了传感器的定位问题后，绝对采用旋转扫描的方法来实现坐标的定位，从而弥补了无法对静止物体进行定位的不足。同时采用了遮住传感器部分视角的方法以提高单传感器的精确率，从而实现对坐标更精准的定位，如图2所示。
假设有A和B两个传感器且两传感器的视角互不重叠，当传感器A监测到范围内有辐射时即证明了直线a上有辐射源，同时当B传感器监测到范围内有人时即可以证明直线b上有辐射源，计算直线ab的交点即需要获取的坐标。为了进一步定位静止物体的位置，我们让PIR以一定的角速度旋转使其与测量物体保持相对运动以达到测量目的。
3.3 数据采集
该系统根据传感器的特性设计了信号处理和数据采集装置，如此可以做到将电信号量化后通过无线传输模块传输到我们的PC端中。
本系统主要由两部分传感器构成，这两部分将采集到的位置信息放大处理后传输到ADC中，在ADC中将模拟信号量化，量化后经由单片机打包传到PC端。
4 硬件的设计与选择
4.1 无线传输模块的选择
为了更好地实现无线传输功能，我们选用了2.4G频段的nrf24101+无线数据传输芯片，数据传输率可以达到2Mbps，该无线数据传输芯片具有上百个通信频点，可以有效地避开WiFi的频段范围，实现精准传输。同时装备了数据包丢失自动重发的功能，能够有效地提高容错率和通信的质量，从而降低单片机的负荷。 nrf24101无线模块是一款无线射频收发模块，该模块具有即时性强、几乎没延时、超低耗和高速传输等特点。它的工作频段是2400～2480MHz。由于2.4G频段是全球开放的一个频段，所以nrf24101无线模块在工作时很容易受到各类无线电器、手机等影响。所以我们在nrf24101无线射频收发模块的基础上设置了一个无线电调频的技术，调频的技术主要是通过将2.4GHz的频带以一定的频宽将其转换并划分为若干个对应无线电频率的信道并且以这种方式使单片机的接收和发送讯号端保持一样的无线电频率转换，以此来控制接发双方的传输讯号，同时防止数据包丢失。其工作原理是，收发双方传输信号的载波按照预定规律进行离散变化。以达到避开干扰、完成传输的目的。用无线传输模块实现人机交互，可供用户灵活使用，应用范围较广，使用要求低。
4.2 信号放大电路的设计
传感器的有效监测范围是6m，在有效的监测范围内PIR输出电压信号的幅度在0.1～10mV，有着较大的幅度差，如果此时PIR输出信号的幅度过小可能无法进行有效的监测，因此，选择放置一个信号放大电路。本系统采用的是直流反馈放大电路。电容具有隔直通交的功能，对直流电压没有放大作用。对于直流通路来讲，其就相当于一个电压跟随器，把放大器输入端的直流电压全加在了输出端。同时该放大电路为同相放大的电路，能做到具有较高的输入阻抗，且能较好地将输出的静态电压点提高，只放大交流信号。
根据设计要求，运放为单电源供电，且供电电压不能超过+5V，能正常通过的输出频率必须控制得大于10kHz。综合考虑各种因素对运算放大器的影响，我们选择了型号为TLC2274ACN的运算放大器，14-DIP（300mil）封装，该运算放大器单双电源供电均可，可用+5V单电源供电，具有高输入阻抗，低噪声，工作环境温度0～70℃，在单电源供电的条件下，具有2.25mHz高单位增益带宽，高转换率，共模输入电压的范围可包含满负电源。
5 结语
本系统将PIR、ARM-Cortex-M3核心处理器、各集成电路有效地结合在一起構成了灵敏度高、抗干扰能力强、有极高的信号采集和处理能力的红外监测系统。带有菲尼尔滤光片的PIR和具有高输入阻抗的运算放大器的集成电路使系统对环境的干扰有极高的抑制作用。系统使用了32位基于ARM Cortex M3核心的微型处理器，可以适用在对单片机运算速度有一定要求的场合。现代科学技术的进步对灵敏度和抗干扰能力提出了更高的要求，这也就需要我们在单片机前进的路上不断地研究和探索。
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