2017-04-10 16:44:55

  褚紅旭,金鑫,段納

  (江蘇師範大學 電氣工程及自動化學院,江蘇 徐州 221116)

       摘要:根據紅外輻射特性和紅外熱釋電傳感器工作原理,設計組建了可嵌入家用電器、安保設備的基於WiFi的紅外熱釋電掃描模塊。本文組建的模塊,利用紅外熱釋電傳感器對室內人體信號進行掃描采集,對嵌入設備進行控製,並通過WiFi模塊向上位機程序反饋設備工作狀態信息,實現與用戶的互動,方便控製。

  關鍵詞:WiFi模塊;紅外熱釋電;人體信號檢測;嵌入式;微小化

  中圖分類號:TN7文獻標識碼:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.06.012

  引用格式:褚紅旭,金鑫,段納. 具有WiFi功能的紅外感應模塊設計及實現[J].微型機與應用,2017,36(6):37-39.

0引言

  紅外掃描識別技術在當今社會的應用越來越廣泛,涉及智能安保、機器人控製、智能家居等領域。在現實場所中,由於存在一些惡劣的環境,缺乏很好的光線,因此基於可見光的人體檢測無法實現,極大地限製了對於空間的監測。不同於可見光的人感應,紅外熱釋電掃描因其具有較強的輻射能力,可以檢測到在可見光波段無法檢測的特定目標[1?4]。但當下的紅外熱釋電掃描技術仍存在很多不足之處,比如:紅外熱釋電掃描誤差較大,無法正確有效地識別掃描對象,需要較大體積的紅外熱釋電模塊才能有效減少誤差,無法實現嵌入功能[5]。本文將針對這些缺陷,采用合理的控製器與放大濾波設備,與微型電源模塊相結合,設計出可嵌入家用設備的紅外熱釋電掃描模塊,在保證一定掃描精度的基礎上,實現嵌入式設計。

  本文以紅外熱釋電傳感技術為基礎,設計組建了一套基於WiFi的紅外熱釋電掃描模塊,用於嵌入家用電器、安保設備、公共用電設施等場所。通過紅外熱釋電設備對外界人體信號進行掃描、數據收集,將收集的數據傳送給單片機,由單片機將數據傳輸給WiFi模塊,利用無線信號將設備狀態傳輸給用戶,並利用單片機控製繼電器模塊,對設備進行開關控製。綜上所述,為設計用於其他設備的內部嵌入的模塊,需要滿足製作體積小、感應範圍廣、靈敏度高等特點[6?8]。

1設計方案

  圖1紅外熱釋電控製模塊本文主要以家用電器作為嵌入實驗對象,將紅外熱釋電掃描模塊嵌入設備中,觀察是否能夠準確做出開關反應。整套模塊采用STM8型號單片機作為核心控製器。該模塊以STM8型號單片機作為控製核心,通過對單片機進行編程,利用紅外熱釋電模塊對房間內紅外熱源進行實時感應,當熱釋電感應器感應到人體熱源信號時,單片機驅動繼電器模塊對所嵌入的設備進行開關控製,並由WiFi模塊向上位機發送設備運行狀態,用戶可通過上位機程序對設備進行操作調控。該模塊控製功能如圖1所示。圖1中所示模塊用到的運算放大器與數模信號轉換裝置,通過對比進行選型,合理地選擇運算放大器和數模轉換電路,可以有效地提高紅外熱釋電的感應精度,減少誤差的產生。

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2掃描模塊硬件設計

  本文設計模塊需要體積微小,方便嵌入。所設計的硬件電路需要采用集成度較高的器件,本節將對模塊采用的硬件型號與電路進行設計,各個基本單元的設計如下。

  2.1STM8單片機基本單元

  本文采用STM8型號單片機作為掃描模塊主控製芯片,其引腳的主要連接如圖2所示,除外圍其他工作模塊外,本模塊還設計了單片機外圍複位電路,當複位按鍵按下時,整個模塊將被複位,紅外熱釋電模塊將被複位,WiFi模塊也會停止收發數據,但為了保證用電器的安全,繼電器模塊也將控製用電器關閉。

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  2.2紅外熱釋電掃描部分

  紅外熱釋電探測器的靈敏度、穩定性決定了探測器的技術指標,但是探測器能否發揮其應有的探測效果,主要還取決於與之配合的光學模塊設計和信號處理電路設計。目前被動紅外探測技術主要是探測移動人體紅外熱源。移動目標探測主要考慮兩方麵:一是紅外傳感器要能探測到目標中紅外到遠紅外頻段的熱輻射,及人體熱輻射頻段,這主要靠熱釋電材料的研究和製備技術水平來保證;二是基於熱釋電器件頻率響應的要求,將探測範圍分割成若幹防護區域,當紅外目標在防範區域穿越時,紅外傳感器會輸出相應熱電信號。本文所設計模塊采用Fresnel透鏡(菲涅耳透鏡)和紅外濾光片來幫助紅外熱釋電傳感器掃描紅外信號[9?10]。菲涅耳透鏡能夠實現對活動目標的溫度場進行不斷切換。整個模塊主要由菲涅爾透鏡、紅外熱釋電傳感器、信號濾波放大電路等部分組成,其組成框圖如圖3所示。

 

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  本文所設計的紅外熱釋電模塊將掃描采集信號通過運算放大電路LM258傳入單片機,LM258運算放大電路的使用,可以對熱釋電傳感器掃描到的人體紅外信號進行放大處理,放大後的信號辨識度會顯著提高,能夠有效地區別環境已有的紅外信號與人體紅外信號的不同,從而減少誤差,防止模塊誤操作。設計電路如圖4所示。圖中DS205B封裝方式是為了方便安裝菲涅耳透鏡,本文采用的DS205B紅外熱釋電傳感器利用材料自發極化隨溫度變化的特征來探測紅外信號[11?12],采用了四靈敏元的設計方式。該種傳感器可以有效抑製環境溫度改變時造成的幹擾,信號的輸出強度較比雙靈敏元的熱釋電傳感器要強很多,其工作狀態更加穩定。

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