基于紅外對射技術的安全警示系統(tǒng)設計

摘要：隨著城市軌道交通的普及，地鐵候車區(qū)的安全問題日益受到重視。采用四對主動對射式紅外傳感器放置于候車區(qū)的兩端，由人眼無法看到的紅外光，形成警戒線。當有人跨越警戒線時，光線被遮擋，接收端信號發(fā)生變化，采用89C51單片機進行信號處理，驅(qū)動語音芯片ISD1 820發(fā)出語音警示信號，起到安全警示效果。同時，結(jié)合地鐵站內(nèi)地鐵進站時乘客需要踩踏警戒線進入地鐵的實際情況，將地鐵進站乘客進入地鐵時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(tǒng)原理簡單，成本低廉，探測效果好，可實施性高，不僅可以在地鐵站內(nèi)使用可以在很多領域內(nèi)進行擴展使用。

關鍵詞：紅外傳感器;主動;對射式;警示系統(tǒng);89C51單片機

紅外線自1800年被發(fā)現(xiàn)以來，人們對紅外技術的研究從來沒有停止過，已經(jīng)開發(fā)出了眾多的應用產(chǎn)品，應用于醫(yī)療、檢測、航空和軍事等領域。由于紅外線是不可見光，具有較強的隱蔽性和保密性，因此紅外技術主要應用在探測、控制、測量等系統(tǒng)，以及防盜、警戒等安保裝置中。例如軍事或醫(yī)學領域中的紅外熱像儀測溫系統(tǒng)，民用領域內(nèi)的人體識別、人體運動特征探測和速度測量，安防系統(tǒng)中的紅外報警器等。紅外報警技術是其中最重要、最普及的研究領域之一，隨著集成電路技術和智能信息處理技術的發(fā)展，紅外報警技術逐步走向成熟，設備趨向小型化和智能化，其應用也從最初的軍用，逐漸過渡到公共場合中的警示系統(tǒng)、居民住宅中的防盜系統(tǒng)、事業(yè)單位的防入侵系統(tǒng)等。

近年來，隨著社會的快速進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(tǒng)中。但是，地鐵快速、無人售票等特點帶來的安全隱患也相應增加，再加上乘客安全意識不足，導致與地鐵相關的交通事故屢屢發(fā)生，因此安全隱患的消除是目前相關部門急需解決的問題之一。本文設計的人體紅外警示系統(tǒng)旨在解決這一問題。該系統(tǒng)采用紅外對射技術采集報警信號，經(jīng)過單片機進行處理，發(fā)出語音警示信號，提示跨越安全警示線的乘客退回到安全候車區(qū)。

目前，在地鐵站已經(jīng)有一些報警系統(tǒng)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(tǒng)成本則相對低廉，只需一塊89C51單片機P89V51RD2、一個語音錄放模塊(ISD1820)和外圍紅外探測電路即可達到報警效果，前景相當可觀。

1 紅外線報警技術

紅外探測系統(tǒng)是用物理方法或電子技術，自動探測發(fā)生在布防監(jiān)測區(qū)域內(nèi)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(qū)域部位，顯示可能采取對策的系統(tǒng)。

紅外探測技術由于其與人體的關系在報警系統(tǒng)中的應用占據(jù)了相當大的一部分。紅外報警器分為主動式和被動式兩種。被動式紅外探測器主要由光學系統(tǒng)、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接收、探測來自環(huán)境的紅外輻射，通過光學系統(tǒng)的配合作用，它可以探測到位某一個立體防范空間內(nèi)的熱輻射的變化。當有人體在探測區(qū)域內(nèi)走動時，就會造成紅外熱輻射能量的變化。紅外傳感器將接收到的活動人體與背景物體之間的紅外熱輻射能量的變化轉(zhuǎn)換為相應的電信號，經(jīng)適當?shù)奶幚砗?，送往報警控制器，發(fā)出報警信號。

主動式紅外探測器，也稱對射式紅外傳感器，全名叫“光束遮斷式感應器”，是一種能檢測人體發(fā)出的特定波長紅外線的敏感元件。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經(jīng)LED紅外光發(fā)射二極體，再經(jīng)光學鏡面做聚焦處理使光線傳至很遠距離，由受光器接收，當光線被遮斷時就會給出報警信號。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，當被遮斷時，接收裝置即發(fā)出報警信號。

被動紅外技術基本應用于室內(nèi)防范，而主動紅外技術不僅可用于室內(nèi)還可用于室外，并具有隱蔽性強、靈敏度高等特點。此外，由紅外對射管構(gòu)成的探測裝置一般在6～15米的距離之內(nèi)準確地感測運動人體的存在，較之微波、超聲探測方式具有穩(wěn)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，誤報率低，目前被認為是最可靠的人體探測技術。因此，本論文所設計的地鐵安全警示系統(tǒng)，主要采用主動式紅外對射報警器的設計模式。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

文中所設計的地鐵安全警示系統(tǒng)主要運用紅外線檢測、信號傳輸和單片機控制等技術。將該報警器安裝在地鐵站的黃線警示線的兩端，采用紅外對射技術對人侵信號進行檢測，若有人踩踏黃線，進入警示區(qū)，則光線被遮斷，系統(tǒng)就會采集到入侵信號，傳遞給核心控制單片機，發(fā)出警示信號。結(jié)合地鐵站的實際情況，可以在每個地鐵門的兩端放置一對紅外對射設備，并在每個地鐵門前安裝一個帶有紅色警示燈的語音警示模塊(ISD1820)，從而實現(xiàn)一塊單片機集中處理入侵信號，各個地鐵門分開報警的功能。

當光束遮斷式感應器檢測到入侵信號時，將該入侵信號的輸出端接向單片機P89V51RD2的管腳上，通過在C語言環(huán)境下對該信號進行處理，使用P89V51RD2的控制功能，用以驅(qū)動語音錄放模塊，發(fā)出“請在黃線外候車”的語音警示信號，再配合警示燈實時亮紅燈，達到報警效果。并在C語言環(huán)境下設置延時，以實現(xiàn)當?shù)罔F進站乘客踩踏警戒線上車時報警功能失效，在地鐵離站后立即恢復正常，并以此循環(huán)往復，從節(jié)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個紅外對射設備，從而實現(xiàn)一塊P89V51RD2控制多個地鐵門的功能，而且相互不干擾。再者，對開發(fā)板上的數(shù)碼管編程設置一個電子表，使其與報警系統(tǒng)啟動開始同步實時顯示系統(tǒng)運行時間，以方便工作人員進行管理。

系統(tǒng)設計的總體結(jié)構(gòu)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音錄放模塊(ISD1820)。結(jié)合系統(tǒng)設計總體結(jié)構(gòu)圖，可將系統(tǒng)總體功能劃分為硬件和軟件兩方面分別進行設計。系統(tǒng)硬件設計部分主要完成發(fā)送端和接收端的電路設計，語音報警電路設

計，及其與核心控制單片機的接口電路等。系統(tǒng)軟件設計部分主要指進行核心信號處理的89C51單片機的C語言程序結(jié)構(gòu)規(guī)劃和內(nèi)容設計。

2.1 紅外對射電路設計

本系統(tǒng)在設計時，盡可能采用最簡單的電路設計來完成相應的功能，按照主動式報警器的原理。所設計的其中一對紅外對射電路如圖4所示。采用了一個發(fā)光二極管，再接上一個上拉電阻，構(gòu)成紅外發(fā)射電路;采用CR20F20光敏晶體管連接上拉電阻，構(gòu)成紅外接收電路。當有人越過黃色警示線，也即有物體阻擋紅外對射電路時，接收電路部分的輸出電壓Uo會產(chǎn)生電平變化，從而驅(qū)動單片機進入告警狀態(tài)。系統(tǒng)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)的單片機開發(fā)板P89V51RD2上的外圍電路即可。

2.2 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)信號處理的核心部分是以P89V51RD2為核心的單片機開發(fā)板，P89V51RD2是一款80C51微控制器，包含64kB Flash和1024字節(jié)的數(shù)據(jù)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(tǒng)的80C51時鐘頻率(每個機器周期包含12個時鐘)或X2方式(每個機器周期包含6個時鐘)的時鐘頻率運行，選擇X2方式可在相同時鐘頻率下獲得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(tǒng)在調(diào)試模擬時，使用了在天津銳志單片機公司購買的一塊單片機開發(fā)板，結(jié)合該開發(fā)板上的外圍電路的設計，在使用P89V51RD2的管腳時，使用了閑置的P1與P3的幾個IO口，程序設計流程圖如圖5所示。

按照圖5中的流程圖進行編寫程序，在啟動系統(tǒng)時，系統(tǒng)立即開始計時，以天津地鐵一號線為例，地鐵列車每10分鐘進站一次，考慮到調(diào)試時間，將系統(tǒng)有效時間設定為20秒，在這20秒內(nèi)，若有人或者物體越過黃線，檢測信號接收端產(chǎn)生低電平，此時通過一個If語句使得相應的警示燈點亮，同時蜂鳴器響，在20～30秒之間時，系統(tǒng)功能失效，并以此30秒為周期循環(huán)往復下去。

3 系統(tǒng)調(diào)試

在實物調(diào)試之前，將按照上述流程圖編寫好的程序燒進P89V51RD2中，使用帶有P89V51RD2的開發(fā)板，使用開發(fā)板上邊的數(shù)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(tǒng)可以實現(xiàn)當?shù)罔F尚未到站時，若有物體越過黃線警示線時.紅外接收端接收不到信號，通過P89V51RD2的控制使得開發(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?shù)罔F進站時，通過延時程序該系統(tǒng)立即失效，從而不干擾乘客進入地鐵。

系統(tǒng)的調(diào)試是一個不斷完善的過程，經(jīng)過多次修改論證后，最終基本達到了預期的效果和目的。在上述基本功能調(diào)試成功的基礎上，可以用語音錄放模塊(ISD1820)替代蜂鳴器，達到實時語音報警的目的。

4 結(jié)束語

文中所設計的人體紅外警示系統(tǒng)應用于城市軌道交通中候車區(qū)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法看到的紅外光，形成警戒線，當有物體通過時，光線被遮擋，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行處理，驅(qū)動語音錄放模塊，發(fā)出“請在黃線外候車”等預先設置的語音警示信號，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，實現(xiàn)一塊芯片控制多個地鐵門的警示功能。此外，利用開發(fā)板上的數(shù)碼管設置一個電子表同步實時顯示該系統(tǒng)運行時間，以方便工作人員管理。該警示系統(tǒng)原理簡單，成本低廉，探測效果好，可實施性高，不僅可以在地鐵站內(nèi)使用可以在很多領域內(nèi)進行擴展使用，有著廣闊的市場前景。