基于89C51和紅外對射技術(shù)的安全警示系統(tǒng)設(shè)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(dāng)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(jī)進(jìn)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(jìn)站時乘客需要踩踏警戒線進(jìn)入地鐵的實(shí)際情況，將地鐵進(jìn)站乘客進(jìn)入地鐵時警示功能設(shè)置成失效，在地鐵離站后立即恢復(fù)正常功能，并以此循環(huán)往復(fù)。該警示系統(tǒng)原理簡單，成本低廉，探測效果好，可實(shí)施性高，不僅可以在地鐵站內(nèi)使用可以在很多領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)展使用。

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

　　紅外線自1800年被發(fā)現(xiàn)以來，人們對紅外技術(shù)的研究從來沒有停止過，已經(jīng)開發(fā)出了眾多的應(yīng)用產(chǎn)品，應(yīng)用于醫(yī)療、檢測、航空和軍事等領(lǐng)域。由于紅外線是不可見光，具有較強(qiáng)的隱蔽性和保密性，因此紅外技術(shù)主要應(yīng)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(xué)領(lǐng)域中的紅外熱像儀測溫系統(tǒng)，民用領(lǐng)域內(nèi)的人體識別、人體運(yùn)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(shù)是其中最重要、最普及的研究領(lǐng)域之一，隨著集成電路技術(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(shè)備趨向小型化和智能化，其應(yīng)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(jìn)步和城市的大力建設(shè)，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(yīng)用于地鐵閘機(jī)的人體識別系統(tǒng)中。但是，地鐵快速、無人售票等特點(diǎn)帶來的安全隱患也相應(yīng)增加，再加上乘客安全意識不足，導(dǎo)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)部門急需解決的問題之一。本文設(shè)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(shù)采集報警信號，經(jīng)過單片機(jī)進(jìn)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(shè)計的紅外報警系統(tǒng)成本則相對低廉，只需一塊89C51單片機(jī)P89V51RD2、一個語音錄放模塊(ISD1820)和外圍紅外探測電路即可達(dá)到報警效果，前景相當(dāng)可觀。

　　1 紅外線報警技術(shù)

　　紅外探測系統(tǒng)是用物理方法或電子技術(shù)，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(shù)由于其與人體的關(guān)系在報警系統(tǒng)中的應(yīng)用占據(jù)了相當(dāng)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(xué)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(xué)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(dāng)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(yīng)的電信號，經(jīng)適當(dāng)?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(yīng)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(zhǔn)孔、光束強(qiáng)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(xué)鏡面做聚焦處理使光線傳至很遠(yuǎn)距離，由受光器接收，當(dāng)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(yuǎn)的接收裝置輻射一束紅外線，當(dāng)被遮斷時，接收裝置即發(fā)出報警信號。

　　被動紅外技術(shù)基本應(yīng)用于室內(nèi)防范，而主動紅外技術(shù)不僅可用于室內(nèi)還可用于室外，并具有隱蔽性強(qiáng)、靈敏度高等特點(diǎn)。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(zhǔn)確地感測運(yùn)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(qiáng)、耗電微、敏感度高，且能準(zhǔn)確鑒別生物體和非生物體的運(yùn)動，誤報率低，目前被認(rèn)為是最可靠的人體探測技術(shù)。因此，本論文所設(shè)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(shè)計模式。

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

　　文中所設(shè)計的地鐵安全警示系統(tǒng)主要運(yùn)用紅外線檢測、信號傳輸和單片機(jī)控制等技術(shù)。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(shù)對人侵信號進(jìn)行檢測，若有人踩踏黃線，進(jìn)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(jī)，發(fā)出警示信號。結(jié)合地鐵站的實(shí)際情況，可以在每個地鐵門的兩端放置一對紅外對射設(shè)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(shí)現(xiàn)一塊單片機(jī)集中處理入侵信號，各個地鐵門分開報警的功能。

　　當(dāng)光束遮斷式感應(yīng)器檢測到入侵信號時，將該入侵信號的輸出端接向單片機(jī)P89V51RD2的管腳上，通過在C語言環(huán)境下對該信號進(jìn)行處理，使用P89V51RD2的控制功能，用以驅(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(shí)時亮紅燈，達(dá)到報警效果。并在C語言環(huán)境下設(shè)置延時，以實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)罔F進(jìn)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(fù)正常，并以此循環(huán)往復(fù)，從節(jié)約單片機(jī)資源、充分利用單片機(jī)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(shè)備，從而實(shí)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(shè)置一個電子表，使其與報警系統(tǒng)啟動開始同步實(shí)時顯示系統(tǒng)運(yùn)行時間，以方便工作人員進(jìn)行管理。

　　系統(tǒng)設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)和電路原理圖如圖3所示，電路設(shè)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(shè)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(jìn)行設(shè)計。系統(tǒng)硬件設(shè)計部分主要完成發(fā)送端和接收端的電路設(shè)計，語音報警電路設(shè)計，及其與核心控制單片機(jī)的接口電路等。系統(tǒng)軟件設(shè)計部分主要指進(jìn)行核心信號處理的89C51單片機(jī)的C語言程序結(jié)構(gòu)規(guī)劃和內(nèi)容設(shè)計。