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基于热释电红外传感器的伺服节能设备

发表时间：2021/9/6 来源：《中国科技信息》2021年9月下作者：何振李壮壮杨喆肖娜

[导读] 对于不频繁使用的待机设备加装传感器开关，能有效降低设备消耗的资源。热释电红外传感器对人体发射出的红外光十分敏感，抗环境干扰能力较强，在一些服务型设备中，例如自助服务器、监控、楼道照明灯，可以只在有人使用的时候发挥作用。

黄河科技学院何振李壮壮杨喆肖娜河南郑州 450000

摘要：对于不频繁使用的待机设备加装传感器开关，能有效降低设备消耗的资源。热释电红外传感器对人体发射出的红外光十分敏感，抗环境干扰能力较强，在一些服务型设备中，例如自助服务器、监控、楼道照明灯，可以只在有人使用的时候发挥作用。本文详细介绍了一种基于热释电红外传感器的汽车监控设备，能在有人经过时，间歇性打开监控设备，大大降低了监控时间长度，有效提高了保存数据的时间范围。本文为实践红外传感器技术提供了一定帮助。
关键词：热释电红外传感器；节能设备；单片机
        前言
        德国科学家霍胥尔于1800年发现红外线，又称为红外热辐射,红外线作为一种不可见光线，在生活中的应用却极为广泛。这种技术在发现初期立即被应用于军事，作为传递信号的一种方式，也能用于警报、探测、夜视等活动。近来随着红外线传感器技术的不断发展，应用领域也在不断拓宽，工业农业、交通运输、电气设备中都能常见到它的身影。最常见的家用电视机遥控器，就是使用红外发射器发送调台信号，电视机接受到信号后解码做出反应。商场的自动开关门、汽车的感应距离报警器、楼梯感应灯、火灾报警器，甚至对云层检测的人造卫星也能应用到红外线原理。热释电红外传感器作为红外传感器的一种，属于被动传感器，只需从外界不断获取红外信号，本身不发任何类型的辐射，使其隐蔽性很好，大大降低了模块功率，这种低功耗性很适合做待机设备传感器，本文介绍的汽车伺服节能监控设备中，就很好的利用的热释电红外传感器的低功耗性和隐蔽性。
        1热释电红外传感器原理
        自然界中，一切温度高于绝对零度的物体都会以电磁波的形式向外辐射能量，弥补温差。红外线既为电磁波的一种，介于微波和可见光之间，波长范围在1纳米~760纳米之间。和可见光类似的是，红外线也能折射、散射、反射。利用这一性质，产生了很多基于这种不可见光的勘探技术，它不受光源影响，可在夜间等恶劣天气条件下正常工作。热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。在结构上使用场效应管，用于阻抗变换，还能提高灵敏度。热电元输出的是电荷信号，需要用电阻将其转换为电压形式，采用N沟道结型场效应管应接成共漏形式来完成阻抗变换。人类属于恒温动物，身体温度在36~37摄氏度，会发出特定波长10纳米左右的红外线，热释电红外传感器就是靠探测人体发射的10纳米左右的红外线而进行工作的。10纳米红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上，内部的热释电元件温度发生变化，导致失去电荷平衡，向外释放电荷，再由电路中得信号放大器放大后，输出单片机IO口能识别的电位信号。
        2热释电红外传感器技术应用
        2.1汽车伺服监控系统
        汽车伺服监控集是摄像和红外感应触发于一体的微型监视器，以节能高效为最大特点，安装于汽车两反光镜中。利用针孔摄像头伺服监视汽车，彻底解决汽车被人刮擦后逃逸和车内财物丢失无从查起等难题。汽车伺服监视器可以在汽车周边环境发生异样时，迅速启动，记录视频，由于间歇性记录，大大延长了记录时长跨度，即降低能源消耗,又有利于还原事情真相。
        它由热释电红外传感检测周围的异常变化，在当有人物距离车身过近时迅速打开摄像机记录。目前市面上的汽车记录仪受内存的限制，一般拍摄时长在200分钟以内，远不能达到时刻记录的能力。而基于热释电红外传感器的伺服监控设备，只录取有效信息，可以保留两个月内汽车周边的异常变化。

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        2.2设计总体方案
        使用热释电红外传感器配合菲涅尔透镜放大技术，形成一面红外感应墙，微型摄像安装于汽车两侧，不易被发现，当有物体靠近汽车时，红外感应触发，可以全方位监测汽车周身的异常情况。
伺服启动摄像机，只在红外感应到有物体距离车身过近时启动，减少资源浪费，同时能记录更多有效视频，记录时间范围跨度大，能保留三个月以上的有效信息。低电压低功耗，可以长时间待机，安全可靠。
        2.3硬件设计
        电源电路：本系统是一个安装在汽车上的实用电路，目前大部分汽车使用的是12V铅酸蓄电车，本系统不使用汽车电池供电，而是使用独立的锂电池供电，因为锂电池的待机时间要远超铅酸蓄电池，当汽车启动时要想发电机向锂电池充电，就必须一个12V转4.2V的电源电路。这里我们使用AMS1117-4.2线性稳压芯片：可降压至4.2V，自带稳压功能，完成运行时对锂电池充电。
        驱动电路：热释电红外传感器模块在接受到物体反馈回来的红外线后，会使OUT引脚拉高，想要完成摄像头的间歇性记录，就必须能接受到这个信号，可以使用任何一个有IO口的单片机或者芯片来检测这个信号，实验中我们使用STC89C2RC最小系统作为主控，用P01口接下拉电阻，检测红外传感器的OUT 引脚，当出现高电平信号时，证明此时有人物出现在危险范围内，此时单片机控制打开摄像头记录画面。当持续一段时间后，无信号发出，即可关闭摄像。
        2.4实验分析
        经过实验，当红外传感器反馈回一个信号后，延时30秒，即记录一段30秒的视频最为恰当，时间太短难以还原事情真相，时间太长人物已经离开，拍摄的多为无用画面。经过与传统连续拍摄的画面对比，不影响理解。
        实验过程中，热释电红外传感器模块在感应到移动的人体时会出信号，横向移动时较为灵敏，面向传感器移动时，远距离有不触发现象，分析原因是由于当距离过远时，传感器接受到的信号较弱，需要搭建功率放大器解决问题，或优化单片机程序，使其分析出更微弱的信号。
        3结论
        本文介绍了红外传感器的发展于应用，详细说明了一种使用热释电红外传感器的伺服节能设备，利用热释电红外传感器能特定对人体发出的红外线做出反应。红外线的不可见性，低功耗行，使其在待机方面有很大的优势，未来它还能和更多的传感器或芯片相结合，例如物联网的WIFI模块，使拍摄的画面直接上传至云端，亦或者远程操控。热释电红外传感器本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，价格低廉，隐蔽性好，应用范围广，具有实际应用价值。
参考文献
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(3)陈梅芬,李伟权.基于语音控制技术的简易智能家居系统设计[J].电子世界，2019(20)：131 － 132
(4)徐克宝,曹建,亓学广,高丽丽,王军成.一种高灵敏度自主采样式热释电传感器的研究[J].仪器仪表学报.2006(12)
[何振（2001—），男，本科，车辆工程电控方向学生；
通讯作者：肖娜（1983-），女，硕士研究生，高级工程师，主要从事机械类生产技术管理、机械类专业课程教学改革和专业规划研究工作。 ]，
基金项目：本文是2020年国家级大学生创新创业训练计划项目“汽车伺服监控设备的设计与研发”（项目编号：202011834033）的研究成果之一；本文是2020年校级大学生创新创业训练计划项目“汽车伺服监控设备的设计与研发（项目编号：202011834033）的研究成果之一；黄河科技学院2018年教学改革立项项目“翻转课堂—科技论文写作”（项目编号：kg2018fz04）的研究成果之一；河南省教改项目基于“两性一度”的机械类专业课程群建设研究与实践（项目编号：2019SJGLX496）研究成果之一；第九批重点学科——机械制造及其自动化的研究成果之一；河南省品牌专业——机械制造及其自动化的研究成果之一。