基于紅外對射技術(shù)的安全警示系統設計

摘要：隨著(zhù)城市軌道交通的普及，地鐵候車(chē)區的安全問(wèn)題日益受到重視。采用四對主動(dòng)對射式紅外傳感器放置于候車(chē)區的兩端，由人眼無(wú)法看到的紅外光，形成警戒線(xiàn)。當有人跨越警戒線(xiàn)時(shí)，光線(xiàn)被遮擋，接收端信號發(fā)生變化，采用89C51單片機進(jìn)行信號處理，驅動(dòng)語(yǔ)音芯片ISD1 820發(fā)出語(yǔ)音警示信號，起到安全警示效果。同時(shí)，結合地鐵站內地鐵進(jìn)站時(shí)乘客需要踩踏警戒線(xiàn)進(jìn)入地鐵的實(shí)際情況，將地鐵進(jìn)站乘客進(jìn)入地鐵時(shí)警示功能設置成失效，在地鐵離站后立即恢復正常功能，并以此循環(huán)往復。該警示系統原理簡(jiǎn)單，成本低廉，探測效果好，可實(shí)施性高，不僅可以在地鐵站內使用可以在很多領(lǐng)域內進(jìn)行擴展使用。

關(guān)鍵詞：紅外傳感器;主動(dòng);對射式;警示系統;89C51單片機

紅外線(xiàn)自1800年被發(fā)現以來(lái)，人們對紅外技術(shù)的研究從來(lái)沒(méi)有停止過(guò)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了眾多的應用產(chǎn)品，應用于醫療、檢測、航空和軍事等領(lǐng)域。由于紅外線(xiàn)是不可見(jiàn)光，具有較強的隱蔽性和保密性，因此紅外技術(shù)主要應用在探測、控制、測量等系統，以及防盜、警戒等安保裝置中。例如軍事或醫學(xué)領(lǐng)域中的紅外熱像儀測溫系統，民用領(lǐng)域內的人體識別、人體運動(dòng)特征探測和速度測量，安防系統中的紅外報警器等。紅外報警技術(shù)是其中最重要、最普及的研究領(lǐng)域之一，隨著(zhù)集成電路技術(shù)和智能信息處理技術(shù)的發(fā)展，紅外報警技術(shù)逐步走向成熟，設備趨向小型化和智能化，其應用也從最初的軍用，逐漸過(guò)渡到公共場(chǎng)合中的警示系統、居民住宅中的防盜系統、事業(yè)單位的防入侵系統等。

近年來(lái)，隨著(zhù)社會(huì )的快速進(jìn)步和城市的大力建設，城市軌道交通，也即地鐵，已逐漸成為城市的交通命脈和人們主要的交通工具。對射式紅外傳感器已經(jīng)應用于地鐵閘機的人體識別系統中。但是，地鐵快速、無(wú)人售票等特點(diǎn)帶來(lái)的安全隱患也相應增加，再加上乘客安全意識不足，導致與地鐵相關(guān)的交通事故屢屢發(fā)生，因此安全隱患的消除是目前相關(guān)部門(mén)急需解決的問(wèn)題之一。本文設計的人體紅外警示系統旨在解決這一問(wèn)題。該系統采用紅外對射技術(shù)采集報警信號，經(jīng)過(guò)單片機進(jìn)行處理，發(fā)出語(yǔ)音警示信號，提示跨越安全警示線(xiàn)的乘客退回到安全候車(chē)區。

目前，在地鐵站已經(jīng)有一些報警系統投入使用，但均有成本高昂等缺陷，本文設計的紅外報警系統成本則相對低廉，只需一塊89C51單片機P89V51RD2、一個(gè)語(yǔ)音錄放模塊(ISD1820)和外圍紅外探測電路即可達到報警效果，前景相當可觀(guān)。

1 紅外線(xiàn)報警技術(shù)

紅外探測系統是用物理方法或電子技術(shù)，自動(dòng)探測發(fā)生在布防監測區域內的侵入行為.產(chǎn)生報警信號，并輔助提示值班人員發(fā)生報警的區域部位，顯示可能采取對策的系統。

紅外探測技術(shù)由于其與人體的關(guān)系在報警系統中的應用占據了相當大的一部分。紅外報警器分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。被動(dòng)式紅外探測器主要由光學(xué)系統、紅外探測器件(紅外傳感器)及報警控制器等部分組成，如圖1所示。紅外傳感器作為紅外接收部分，其本身不發(fā)射任何能量而只被動(dòng)接收、探測來(lái)自環(huán)境的紅外輻射，通過(guò)光學(xué)系統的配合作用，它可以探測到位某一個(gè)立體防范空間內的熱輻射的變化。當有人體在探測區域內走動(dòng)時(shí)，就會(huì )造成紅外熱輻射能量的變化。紅外傳感器將接收到的活動(dòng)人體與背景物體之間的紅外熱輻射能量的變化轉換為相應的電信號，經(jīng)適當的處理后，送往報警控制器，發(fā)出報警信號。

主動(dòng)式紅外探測器，也稱(chēng)對射式紅外傳感器，全名叫“光束遮斷式感應器”，是一種能檢測人體發(fā)出的特定波長(cháng)紅外線(xiàn)的敏感元件。紅外對射式探測器由瞄準孔、光束強度指示燈、球面鏡片、LED指示燈等組成。其偵測原理是利用紅外線(xiàn)經(jīng)LED紅外光發(fā)射二極體，再經(jīng)光學(xué)鏡面做聚焦處理使光線(xiàn)傳至很遠距離，由受光器接收，當光線(xiàn)被遮斷時(shí)就會(huì )給出報警信號。紅外對射報警器由收、發(fā)裝置兩部分組成，如圖2所

示。發(fā)射裝置向裝在幾米遠的接收裝置輻射一束紅外線(xiàn)，當被遮斷時(shí)，接收裝置即發(fā)出報警信號。

被動(dòng)紅外技術(shù)基本應用于室內防范，而主動(dòng)紅外技術(shù)不僅可用于室內還可用于室外，并具有隱蔽性強、靈敏度高等特點(diǎn)。此外，由紅外對射管構成的探測裝置一般在6～15米的距離之內準確地感測運動(dòng)人體的存在，較之微波、超聲探測方式具有穩定性好、抗干擾能力強、耗電微、敏感度高，且能準確鑒別生物體和非生物體的運動(dòng)，誤報率低，目前被認為是最可靠的人體探測技術(shù)。因此，本論文所設計的地鐵安全警示系統，主要采用主動(dòng)式紅外對射報警器的設計模式。

2 系統結構與工作原理

文中所設計的地鐵安全警示系統主要運用紅外線(xiàn)檢測、信號傳輸和單片機控制等技術(shù)。將該報警器安裝在地鐵站的黃線(xiàn)警示線(xiàn)的兩端，采用紅外對射技術(shù)對人侵信號進(jìn)行檢測，若有人踩踏黃線(xiàn)，進(jìn)入警示區，則光線(xiàn)被遮斷，系統就會(huì )采集到入侵信號，傳遞給核心控制單片機，發(fā)出警示信號。結合地鐵站的實(shí)際情況，可以在每個(gè)地鐵門(mén)的兩端放置一對紅外對射設備，并在每個(gè)地鐵門(mén)前安裝一個(gè)帶有紅色警示燈的語(yǔ)音警示模塊(ISD1820)，從而實(shí)現一塊單片機集中處理入侵信號，各個(gè)地鐵門(mén)分開(kāi)報警的功能。

當光束遮斷式感應器檢測到入侵信號時(shí)，將該入侵信號的輸出端接向單片機P89V51RD2的管腳上，通過(guò)在C語(yǔ)言環(huán)境下對該信號進(jìn)行處理，使用P89V51RD2的控制功能，用以驅動(dòng)語(yǔ)音錄放模塊，發(fā)出“請在黃線(xiàn)外候車(chē)”的語(yǔ)音警示信號，再配合警示燈實(shí)時(shí)亮紅燈，達到報警效果。并在C語(yǔ)言環(huán)境下設置延時(shí)，以實(shí)現當地鐵進(jìn)站乘客踩踏警戒線(xiàn)上車(chē)時(shí)報警功能失效，在地鐵離站后立即恢復正常，并以此循環(huán)往復，從節約單片機資源、充分利用單片機管腳的角度出發(fā)，可是使用一塊P89V51RD2去控制4個(gè)紅外對射設備，從而實(shí)現一塊P89V51RD2控制多個(gè)地鐵門(mén)的功能，而且相互不干擾。再者，對開(kāi)發(fā)板上的數碼管編程設置一個(gè)電子表，使其與報警系統啟動(dòng)開(kāi)始同步實(shí)時(shí)顯示系統運行時(shí)間，以方便工作人員進(jìn)行管理。

系統設計的總體結構和電路原理圖如圖3所示，電路設計軟件的限制，圖中用蜂鳴器模擬語(yǔ)音錄放模塊(ISD1820)。結合系統設計總體結構圖，可將系統總體功能劃分為硬件和軟件兩方面分別進(jìn)行設計。系統硬件設計部分主要完成發(fā)送端和接收端的電路設計，語(yǔ)音報警電路設

計，及其與核心控制單片機的接口電路等。系統軟件設計部分主要指進(jìn)行核心信號處理的89C51單片機的C語(yǔ)言程序結構規劃和內容設計。

2.1 紅外對射電路設計

本系統在設計時(shí)，盡可能采用最簡(jiǎn)單的電路設計來(lái)完成相應的功能，按照主動(dòng)式報警器的原理。所設計的其中一對紅外對射電路如圖4所示。采用了一個(gè)發(fā)光二極管，再接上一個(gè)上拉電阻，構成紅外發(fā)射電路;采用CR20F20光敏晶體管連接上拉電阻，構成紅外接收電路。當有人越過(guò)黃色警示線(xiàn)，也即有物體阻擋紅外對射電路時(shí)，接收電路部分的輸出電壓Uo會(huì )產(chǎn)生電平變化，從而驅動(dòng)單片機進(jìn)入告警狀態(tài)。系統設計總圖的其他外圍電路的設計采用天津銳志單片機公司所出產(chǎn)的單片機開(kāi)發(fā)板P89V51RD2上的外圍電路即可。

2.2 系統軟件設計

本系統信號處理的核心部分是以P89V51RD2為核心的單片機開(kāi)發(fā)板，P89V51RD2是一款80C51微控制器，包含64kB Flash和1024字節的數據RAM。P89V51RD2的典型特性是它的X2方式選項。利用該特性，設計工程師可使應用程序以傳統的80C51時(shí)鐘頻率(每個(gè)機器周期包含12個(gè)時(shí)鐘)或X2方式(每個(gè)機器周期包含6個(gè)時(shí)鐘)的時(shí)鐘頻率運行，選擇X2方式可在相同時(shí)鐘頻率下獲得2倍的吞吐量。從該特性獲益的另一種方法是將時(shí)鐘頻率減半而保持特性不變，這樣可以極大地降低電磁干擾(EMI)。

本系統在調試模擬時(shí)，使用了在天津銳志單片機公司購買(mǎi)的一塊單片機開(kāi)發(fā)板，結合該開(kāi)發(fā)板上的外圍電路的設計，在使用P89V51RD2的管腳時(shí)，使用了閑置的P1與P3的幾個(gè)IO口，程序設計流程圖如圖5所示。

按照圖5中的流程圖進(jìn)行編寫(xiě)程序，在啟動(dòng)系統時(shí)，系統立即開(kāi)始計時(shí)，以天津地鐵一號線(xiàn)為例，地鐵列車(chē)每10分鐘進(jìn)站一次，考慮到調試時(shí)間，將系統有效時(shí)間設定為20秒，在這20秒內，若有人或者物體越過(guò)黃線(xiàn)，檢測信號接收端產(chǎn)生低電平，此時(shí)通過(guò)一個(gè)If語(yǔ)句使得相應的警示燈點(diǎn)亮，同時(shí)蜂鳴器響，在20～30秒之間時(shí)，系統功能失效，并以此30秒為周期循環(huán)往復下去。

3 系統調試

在實(shí)物調試之前，將按照上述流程圖編寫(xiě)好的程序燒進(jìn)P89V51RD2中，使用帶有P89V51RD2的開(kāi)發(fā)板，使用開(kāi)發(fā)板上邊的數碼管、蜂嗚器、TL、RL小紅燈完成外圍電路的設計。本文設計的警示系統可以實(shí)現當地鐵尚未到站時(shí)，若有物體越過(guò)黃線(xiàn)警示線(xiàn)時(shí).紅外接收端接收不到信號，通過(guò)P89V51RD2的控制使得開(kāi)發(fā)板上的RL燈或者TL燈亮和蜂鳴器發(fā)聲，綜合燈亮和蜂嗚器發(fā)聲的效果，完成報警，而當地鐵進(jìn)站時(shí)，通過(guò)延時(shí)程序該系統立即失效，從而不干擾乘客進(jìn)入地鐵。

系統的調試是一個(gè)不斷完善的過(guò)程，經(jīng)過(guò)多次修改論證后，最終基本達到了預期的效果和目的。在上述基本功能調試成功的基礎上，可以用語(yǔ)音錄放模塊(ISD1820)替代蜂鳴器，達到實(shí)時(shí)語(yǔ)音報警的目的。

4 結束語(yǔ)

文中所設計的人體紅外警示系統應用于城市軌道交通中候車(chē)區的安全警示，其主要原理是光束遮斷式感應器(紅外對射)的發(fā)射端發(fā)出一束或多束人眼無(wú)法看到的紅外光，形成警戒線(xiàn)，當有物體通過(guò)時(shí)，光線(xiàn)被遮擋，接收端信號發(fā)生變化，然后采用P89V51RD2單片機對信號的變化進(jìn)行處理，驅動(dòng)語(yǔ)音錄放模塊，發(fā)出“請在黃線(xiàn)外候車(chē)”等預先設置的語(yǔ)音警示信號，從而替代研制階段所采用的蜂鳴器和警示燈，達到更好的警示效果。也可以充分利用芯片的管腳，實(shí)現一塊芯片控制多個(gè)地鐵門(mén)的警示功能。此外，利用開(kāi)發(fā)板上的數碼管設置一個(gè)電子表同步實(shí)時(shí)顯示該系統運行時(shí)間，以方便工作人員管理。該警示系統原理簡(jiǎn)單，成本低廉，探測效果好，可實(shí)施性高，不僅可以在地鐵站內使用可以在很多領(lǐng)域內進(jìn)行擴展使用，有著(zhù)廣闊的市場(chǎng)前景。