论文部分内容阅读
【摘 要】本文针对园节能控电系统中热释电传感器的使用，分析了人体发出红外波长的情况，进行了红外人体感应传感器的硬件设计。
【关键词】红外人体感应 传感器 热释电
决定照明灯具的开关及位置的重要依据是室内占用情况，即需要检测一个房间内部人员活动情况，以确保相应占用位置对应的照明灯点亮。研究表明照明控制中占用传感器的使用可以减少照明中30%的电能消耗。市场上有两种室内占用传感器，分别是超声波（US）运动传感器和红外（IR）运动传感器。
超声波运动传感器利用多普勒效应，它使连续高频（超声）声波充满整个房间。这种传感器的主要特点是对于小运动的高灵敏度。其典型应用包括办公室、休息室和小型会议室。
红外运动传感器是通过感受运动的红外热源，如人员或其它的散热物体，对室内的照明灯具执行相应的开关作用。但它的灵敏度在远距离的情况下相对较低。这种传感器的典型应用包括工作场所、仓库、储藏室、室内汽车库以及装有悬挂固定物（如吊扇）的房间等。
一、红外人体感应传感器的硬件设计
本课题针对大学的教室环境，选用红外人体感应传感器（PIR）RE200B进行人体信号的探测。人体的体温基本稳定在36oC左右，会发出波长约8-10μm左右的红外线。PIR的截止波长是7-10μm，正好与人体辐射的红外线波长范围相对应，因此它就是靠探测人体发射的红外线而进行工作的。热释电红外传感器是一种新型敏感元件。制造它的高热材料是一种广谱材料，这种材料的探测波长范围为0.2-20μm。该传感器为了对某一波长范围的红外辐射保持较高的敏感度，它在窗口上加装了一块干涉滤波片。此滤波片只允许一定波长范围的红外光通过，而阻止阳光、灯光和其它红外光通过。采用热释电传感器的优点是成本低，不需要用电磁波或红外线等发射源，可流动安装，隐蔽性好，灵敏度高、控制范围大。热释电红外传感器利用热释电效应，能以非接触形式探测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号。同时，它还能检测出运动的生物与其他非生物。RE200B的D、C、S端分别为电源端、地端和目标输出电压端。输出信号VO接单片机，供其读取。
实际使用中，热释电传感器前必须安装菲涅耳透镜。菲涅耳透镜的作用是将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上，同时也产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热释电红外探测元要求信号不断变化的特性，这样可大大提高接收灵敏度，增加检测距离及范围。菲涅耳透镜是一种特殊设计的由塑料制成的光学透镜，它能配合热释电红外传感器提高接收灵敏度以及提高检测距离和范围。
针对PIR信号变化缓慢、幅值小这个特点，专用信号处理器一般分为3步处理滤波放大、噪声抑制、窗口比较及数字信号处理。BISS0001就是由运算放大器、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。它具有独立的高输入阻抗运算放大器，采用CMOS工艺和数模混合技术，内部采用双向鉴幅器可以有效抑制干扰，从而提高红外人体感应整个电路的稳定性，通过将引脚A置1或0，可设置为可重复触发方式和不可重复触发方式两种工作方式。本系统选择可重复触发方式。红外人体感应传感器的信号处理电路如图1所示，实物图如图2所示。
红外人体感应模块由9VDC通过LM7808及电容稳压滤波后供电，输出接到MSP430F149单片机的P1.0口，从而实现对传感器输出状态的检测。
二、红外人体感应传感器的布局
现有的照明控制系统研究中，红外人体感应传感器常用于室内人数的统计，实现的方法是将红外人体感应传感器安装在教室门内外两面，当人出入经过门口时，触发出入两个传感器的先后顺序不同，通过该顺序来判别人体出、入的不同状态，连续探测之下就能统计出室内现有人员的总数，以此作为控制开灯数量的判断依据。
这种方法在探测的基础上结合了人体活动的规律，对于小型室内和人数活动较少的环境具有很好的效果，但对于大教室多人数统计却有很多不足之处。因为教室作为学生上课自习的活动场所，其人员流动量大且状态复杂，同时教室的门一般较宽敞，容易出现多人同时进出教室的情况，而这会严重影响传感器的状态判断，因而导致统计人数的误差严重。所以，这种方法对于大学教室的照明控制是不可取的。
三、结语
在本系统的设计中，为了避免上述错误的出现，红外人体感应传感器仅作为探测室内不同区域有无人员活动的手段，而对于室内人数则采用人数预测模型的方法来统计，这里不做详述。红外人体感应传感器的具体用法是在每个照明灯具旁安装，其探测范围通过在菲涅尔透镜上加阻挡物调整到仅灯具下方的座位区域具有，且不同的灯具没有重复重叠范围。这样，红外传感器就可以准确探测到不同区域内是否有人员活动，并将此信息传送给控制器和上位机系统，以此作为照明控制的一个重要判断依据。
参考文献：
[1]Vishal Garg，N.K. Bansal.Smart occupancy sensors to reduce energy consumption [J].ENERGY AND BUILDINGS，2000，32（1）：81-87.
[2]郑宏.浅谈热释电红外线传感器RE200B的应用[J].中国高新技术企业，2008（18）：119-121
[3]裘有斌，张国忠，陈丰伟等.基于ISD4004的家庭语音报警系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2008 （1）：47-50.
[4]胡伟生，方佩敏.热释电红外探测元器件（三）菲涅耳透镜与外壳闭.电子世界，2004（10）：47-48.
[5]贾政松.基于单片机实现智能照明控制系统关灯设计[J].现代电子技术，2009（17），105-107.
作者简介：
高强，1973.9- ，河北阜城人，石家庄职业技术学院物业综合处 讲师。
郭娟，1976.7- ，河北行唐人，石家庄职业技术学院现代教育技术中心 讲师。
郝建，1981.7- ，河北藁城人，石家庄职业技术学院财务管理处 讲师。
基金项目：
河北省科技厅2013年科技支撑计划项目（13270346）
【关键词】红外人体感应 传感器 热释电
决定照明灯具的开关及位置的重要依据是室内占用情况，即需要检测一个房间内部人员活动情况，以确保相应占用位置对应的照明灯点亮。研究表明照明控制中占用传感器的使用可以减少照明中30%的电能消耗。市场上有两种室内占用传感器，分别是超声波（US）运动传感器和红外（IR）运动传感器。
超声波运动传感器利用多普勒效应，它使连续高频（超声）声波充满整个房间。这种传感器的主要特点是对于小运动的高灵敏度。其典型应用包括办公室、休息室和小型会议室。
红外运动传感器是通过感受运动的红外热源，如人员或其它的散热物体，对室内的照明灯具执行相应的开关作用。但它的灵敏度在远距离的情况下相对较低。这种传感器的典型应用包括工作场所、仓库、储藏室、室内汽车库以及装有悬挂固定物（如吊扇）的房间等。
一、红外人体感应传感器的硬件设计
本课题针对大学的教室环境，选用红外人体感应传感器（PIR）RE200B进行人体信号的探测。人体的体温基本稳定在36oC左右，会发出波长约8-10μm左右的红外线。PIR的截止波长是7-10μm，正好与人体辐射的红外线波长范围相对应，因此它就是靠探测人体发射的红外线而进行工作的。热释电红外传感器是一种新型敏感元件。制造它的高热材料是一种广谱材料，这种材料的探测波长范围为0.2-20μm。该传感器为了对某一波长范围的红外辐射保持较高的敏感度，它在窗口上加装了一块干涉滤波片。此滤波片只允许一定波长范围的红外光通过，而阻止阳光、灯光和其它红外光通过。采用热释电传感器的优点是成本低，不需要用电磁波或红外线等发射源，可流动安装，隐蔽性好，灵敏度高、控制范围大。热释电红外传感器利用热释电效应，能以非接触形式探测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号。同时，它还能检测出运动的生物与其他非生物。RE200B的D、C、S端分别为电源端、地端和目标输出电压端。输出信号VO接单片机，供其读取。
实际使用中，热释电传感器前必须安装菲涅耳透镜。菲涅耳透镜的作用是将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上，同时也产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热释电红外探测元要求信号不断变化的特性，这样可大大提高接收灵敏度，增加检测距离及范围。菲涅耳透镜是一种特殊设计的由塑料制成的光学透镜，它能配合热释电红外传感器提高接收灵敏度以及提高检测距离和范围。
针对PIR信号变化缓慢、幅值小这个特点，专用信号处理器一般分为3步处理滤波放大、噪声抑制、窗口比较及数字信号处理。BISS0001就是由运算放大器、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。它具有独立的高输入阻抗运算放大器，采用CMOS工艺和数模混合技术，内部采用双向鉴幅器可以有效抑制干扰，从而提高红外人体感应整个电路的稳定性，通过将引脚A置1或0，可设置为可重复触发方式和不可重复触发方式两种工作方式。本系统选择可重复触发方式。红外人体感应传感器的信号处理电路如图1所示，实物图如图2所示。
红外人体感应模块由9VDC通过LM7808及电容稳压滤波后供电，输出接到MSP430F149单片机的P1.0口，从而实现对传感器输出状态的检测。
二、红外人体感应传感器的布局
现有的照明控制系统研究中，红外人体感应传感器常用于室内人数的统计，实现的方法是将红外人体感应传感器安装在教室门内外两面，当人出入经过门口时，触发出入两个传感器的先后顺序不同，通过该顺序来判别人体出、入的不同状态，连续探测之下就能统计出室内现有人员的总数，以此作为控制开灯数量的判断依据。
这种方法在探测的基础上结合了人体活动的规律，对于小型室内和人数活动较少的环境具有很好的效果，但对于大教室多人数统计却有很多不足之处。因为教室作为学生上课自习的活动场所，其人员流动量大且状态复杂，同时教室的门一般较宽敞，容易出现多人同时进出教室的情况，而这会严重影响传感器的状态判断，因而导致统计人数的误差严重。所以，这种方法对于大学教室的照明控制是不可取的。
三、结语
在本系统的设计中，为了避免上述错误的出现，红外人体感应传感器仅作为探测室内不同区域有无人员活动的手段，而对于室内人数则采用人数预测模型的方法来统计，这里不做详述。红外人体感应传感器的具体用法是在每个照明灯具旁安装，其探测范围通过在菲涅尔透镜上加阻挡物调整到仅灯具下方的座位区域具有，且不同的灯具没有重复重叠范围。这样，红外传感器就可以准确探测到不同区域内是否有人员活动，并将此信息传送给控制器和上位机系统，以此作为照明控制的一个重要判断依据。
参考文献：
[1]Vishal Garg，N.K. Bansal.Smart occupancy sensors to reduce energy consumption [J].ENERGY AND BUILDINGS，2000，32（1）：81-87.
[2]郑宏.浅谈热释电红外线传感器RE200B的应用[J].中国高新技术企业，2008（18）：119-121
[3]裘有斌，张国忠，陈丰伟等.基于ISD4004的家庭语音报警系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2008 （1）：47-50.
[4]胡伟生，方佩敏.热释电红外探测元器件（三）菲涅耳透镜与外壳闭.电子世界，2004（10）：47-48.
[5]贾政松.基于单片机实现智能照明控制系统关灯设计[J].现代电子技术，2009（17），105-107.
作者简介：
高强，1973.9- ，河北阜城人，石家庄职业技术学院物业综合处 讲师。
郭娟，1976.7- ，河北行唐人，石家庄职业技术学院现代教育技术中心 讲师。
郝建，1981.7- ，河北藁城人，石家庄职业技术学院财务管理处 讲师。
基金项目：
河北省科技厅2013年科技支撑计划项目（13270346）