基于热释电红外传感器的人体识别技术研究

基于热释电红外传感器的人体识别技术研究

罗文军,刘新强,张长晨,李贤,付益昌,周兵

云南电网有限责任公司临沧供电局 云南 677000

摘要：本文介绍一种利用热释电红外传感器进行带电作业施工现场周界监控，并进行报警的系统的设计。热释电红外传感器，它的制作简单、成本低、安装比较方便，而且性能比较稳定，抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠。本文设计包括硬件和软件设计两个部分。硬件部分包括单片机控制模块、热释电红外传感器、驱动执行报警模块、LED控制模块等部分组成。处理器采用51系列单片机STC89C52，软件程序部分采用C语言编写。

关键词：热释电红外传感器；STC89C52；红外传感器；周界报警

引言

随着科技的提高，电子电器飞速发展，电力施工现场中也得到了很多的应用。特别是带电作业现场，由于带电作业的特殊性，作业现场如果被人员误闯入极易造成安全事故。虽然户外带电作业现场有简易围栏，但是不能完全提醒人员的进入，还是有一定的安全隐患存在，所以设计一种价格低廉，性能可靠、智能化的入侵报警系统，必将在带电作业施工现场周界报警领域起到巨大作用。

一、热释电红外传感器的历史及技术原理

热释电红外传感器是一种非常有应用潜力的传感器。它能检测到人或某些动物触发的红外线并转换成电信号输出。早在1938年，有人就提出利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视。直到六十年代，随着激光、红外技术的迅速发展，才推动了对热释电效用的研究和对热式电晶体的深入研究，相关的专用集成电路处理技术也迅速增长。

热释电效应是指极化强度随温度改变而表现出的电荷释放现象，宏观上是温度的改变是在材料的两端出现电压或产生电流。热释电效应与压电效应类似，热释电效应也是晶体的一种自然物理效应。对于具有自发式极化的晶体，当晶体受热或冷却后，由于温度的变化(△T）而导致自发式极化强度变化(△Ps），从而在晶体某一定方向产生表面极化电荷的现象称为热释电效应。通常，晶体自动所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度。能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件，其常用的材料(LiTa0;等)，压电陶瓷(PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）。

二、本系统的设计方案

系统设计的电路包括硬件和软件两个部分。硬件部分包括红外感应部分与单片机控制部分，整个系统电路可划分为：电源部分、传感器模块部分、单片机控制电路，而单片机控制由最小系统和指示灯电路、报警电路等子模块组成。主要工作由热释电红外感应器完成信息采集、处理、数据传送经过单片机功能设定到达报警模块这一过程。就此设计的核心模块来说，单片机就是设计的中心单元。

单片机应用系统也是由硬件和软件组成。硬件包括单片机、输入/输出设备、以及外围应用电路等组成的系统，软件是主要是工作的程序通过编写程序来控制输入的信号。

系统设计达到,当带电作业人员不在现场时，可把报警系统打开形成布防状态，探测器工作起来，当有人误闯入时，热释电红外传感器将探测到动作，设置在监测点上的红外探头将人体辐射的红外光谱变换成电信号，红外热释电模块送出TTL电平至STC89C52单片机，经单片机处理运算后驱动执行报警电路使警号发声。

为了探测移动人体，本文使用双元件型热释电红外线传感器，在这种传感器内部，两个灵敏元件反相连接，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，从而达到了探测移动人体的目的。

三、硬件电路设计

本方案设计的硬件电路包含如下结构：红外感应部分、STC89C52单片机、报警系统三大部分。

热释电红外传感器（简称PIR）是80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如作电源开关控制、防盗防火报警、自动览测等，人体辐射的红外线中心波长为9～10--um，而探测元件的波长灵敏度在0.2～20--um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7～10--um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器，本传感器是整个系统的关键，只有本传感器才能感应到人体红外线。

处理器采用单片机STC89C52。整个系统是在系统软件控制下工作的。设置在监测点上的红外探头将人体辐射的红外光谱变换成电信号，送出TTL电平至STC89C52单片机。在单片机内，经软件查询、识别判决等环节实时发出入侵报警状态控制信号。驱动蜂鸣器及报警指示灯报警。电源采用12v锂电池，并且设计电池管理系统，能够对电池进行充放电及电量显示管理，配合专用的适配器进行电源充电。

报警系统采用高性能专用语音播放模块，该模块是一款宽电压8V-24V，高音质,高性价，功能强大的多路放音板，支持TTL串口控制，该模块最大的特点是可以通过4路IO口控制指定1-4段语音播放，自带32MB存储容量，同时还可以选择TF卡作为存储介质，10W数字功放可以轻松驱动10W的喇叭播放声音，对于声音要求大的场合绝对是不可多得。通过USB直接下载更新语音，操作简单方便，可以根据作业现场人员方言进行录音形成告警警示音，方面所以场地使用。

四、软件设计

1.软件设计方案有以下四部分组成:

1)考虑到节点远程控制是由串口传输，并且为了不浪费系统资源，控制信号的输入均为中断，其中上位机的控制信号有串口中断控制，遥控器的控制信号有外部中断0中断控制，而传感器的控制信号由外部中断1控制。

2)主函数负责响应各个中断完成标志位，当标志位置1时，执行相应的动作，具体动作即为控制节点的开始、关闭、测试、复位以及向上位机发送相应的数据，这些数据是符合通信协议的可被上位机识别的字符串。

3)当程序执行开始、关闭、测试、复位的动作时候，系统应有相应的提示或警报。当开始时，有一次短警报;当关闭时有一长一短两次警报;当测试时会有约一分钟的等待提示，传感器有信号时就有持续的长警报;当复位时，所有警报会停止。

4)开始、关闭、测试、复位以及警报等函数另写，以便调用。

当检测到带电作业周界人员误闯入后红外触发信号时，提示系统启动，即声光报警，起到初次提示作用。之后启动红外检测系统，红外传感器将检测结果反馈到单片机，若红外检测到人时，检测信号至高位，并启动告警系统，即声光持续报警。若没有检测到人，则红外扫描系统在10s 后关闭。

2.软件系统功能设计：

1)同相应的硬件电路以及合适的安装距离配合，可以接受远程无线信号，并执行相应的命令，通过无线传输方式向上位机发送信号。

2)可以接受现场信号以便开关或测试、复位节点，考虑到应用情况，此

信号最好是无线遥控信号。

3)在节点作出动作时应有相应的警报或者提示。

4)在节点处于关闭状态时，测试及复位功能无用。

5)通用一致的通信协议，软件最少应能与上位机进行通信，这就要求软件能够解析通信协议，并发送符合协议的数据。

结束语

应用现代化电子技术，结合带电作业现场周界管理要求。通过硬件和软件的设计，满足带电作业周界的告警功能。本文采用热释电红外传感器、51单片机和语音报警模块几个部分的有机结合，能够在带电作业现场周界报警领域进行应用，同时也能在其他电力作业现场进行推广，具有很高的推广价值。

参考文献

[1]李振兴, 谭洪, 李开成,等. 基于热释电红外传感器的人体追踪电机控制的应用[J]. 电测与仪表, 2017, 54(10):5.

[2]徐晓冰, 左涛涛, 孙百顺,等. 基于热释电红外传感器的人体动作识别方法[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(4):20210188.