智能人身安全防護系統的開發研究

龍文

摘要：該文針對觸電、火災、入室盜竊等對人民生命、財產安全的損害，研究熱釋電傳感器、金屬接近傳感器、溫度傳感器等的結構及應用，采集危險信號，通過或門芯片、單片機兩種方案對輸入信號進行邏輯處理，最后觸發報警系統。

關鍵詞：人身安全;熱釋電傳感器;金屬接近傳感器;溫度傳感器;保護系統

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1009-3044（2018）36-0196-02

國家統計局數據表明2017年全國因觸電身亡8000人、火災死亡900人，財產損失達200多億。由于幼兒對事物充滿好奇，經常用手觸摸開關、用電器等，易造成觸電傷害。隨著樓房越建越多，火災、盜竊等隱患呈上升趨勢，本文探討用傳感器采集信息，經處理后觸發報警或斷電，研究構建智能的生命、財產安全防護系統。

1 智能人身安全防護系統描述

觸電事故、入室盜竊時人或金屬接近、火災時環境溫度升高，通過熱釋電傳感器采集人的信息、金屬接近傳感器采集金屬靠近信息、溫度傳感器采集環境溫度，將三項采集信息傳給邏輯運算模塊，有一項出現危險信號即觸發蜂鳴器或用繼電器斷開負載電路。

2 熱釋電紅外傳感器（PIR）模塊的設計

人的體溫約37℃，發出波長10uM左右的紅外線，紅外線通過菲泥爾濾光片增強后聚集到由熱釋電元件構成的紅外感應源上，感應源釋放電荷輸出電壓信號。熱釋電效應是因熱變化而產生的電極化現象，有些晶體受熱時，在晶體兩端產生數量相等符號相反的電荷。菲涅耳透鏡根據菲涅耳原理制成，將熱釋的紅外信號折射/反射聚焦到PIR上，檢測區內分為若干明暗區，進入檢測區的移動物體以溫度變化的形式在PIR上產生變化的熱釋紅外信號，電信號發生變化，靈敏度提高。

HC-SR501人體紅外感應模塊工作電壓DC5V至20V，電平輸出3.3V/0V，感應范圍7米內。傳感器的兩個反向串聯熱釋電元件的電極化方向相反，產生的釋電效應相互抵消，無信號輸出;當人進入探測區域，紅外輻射通過部分鏡面聚焦，被熱釋電元接收，兩片熱釋電元接收的熱量不同，熱釋電不同，產生差值，經信號處理而輸出。

傳感器供5V直流電，輸出信號經三極管來控制負載。當感知人進入感應范圍輸出高電平，離開時自動延時關閉高電平后輸出低電平。調節距離電位器和延時電位器可調整感應距離和延時長短，本項目中逆時針旋轉距離電位器以減少感應距離，順時針旋轉延時電位器以加長延時。

3 金屬接近傳感器模塊的設計

接近開關是非接觸型的物體檢測裝置，有電感式、電容式、霍爾式和磁控式等。電感式是利用渦流感知物體的無觸點開關型傳感器，由高頻振蕩電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成。金屬物體進入以一定頻率穩定振蕩的高頻振蕩器線圈磁場時，鐵磁性金屬物體產生磁滯損耗，振蕩回路阻抗增大，能量損耗增加，振蕩減弱直至終止。在振蕩回路后接放大電路與輸出電路，給出相應控制信號。

本項目采用直流PNP型NC常閉SN04-P2傳感器，棕色線接電源正極，藍色負極，黑色輸出信號。接5V直流電后燈亮，開始工作，輸出高電平0.7V;金屬靠近燈滅，輸出低電平，加74LS04非門將信號取反，與其他輸出信息一致，即金屬物體靠近，響應電路發出報警。

4 溫度傳感器模塊的設計

溫度傳感器模塊擬采用熱敏電阻和DHT11數字溫濕度傳感器兩套方案。

方案一：邏輯模塊用或門，溫度模塊采用10K的NTC熱敏電阻MF58，NTC熱敏電阻由特殊配置的金屬氧化物陶瓷材料制成，電阻隨溫度升高而下降。

設計電壓比較電路，供5V直流電，用于比較的電路電阻R34.5kΩ、R41kΩ，可變電阻R5初值0.5kΩ，25℃時熱敏電阻R210kΩ，UA點電壓2.5V，UB點電壓約3.75V，電壓比較器LM311正極電壓低于負極，不通，無輸出。溫度升高到60℃時，熱敏電阻R2降到3kΩ，電壓約1.2V，UA點電壓升到3.8V，高于UB點電壓，電壓比較器正極電壓高于負極，接通，輸出信號?？勺冸娮栌糜谠O置比較電壓的閾值，可變電阻阻值越大，UB點電壓越低，報警溫度越低。

方案二：邏輯模塊為單片機時用DHT11數字溫濕度傳感器，DHT11由電阻式感濕元件和NTC測溫元件構成，輸出已校準的溫濕度數據，連8位單片機。DHT11工作電壓3.3-5.5V，測量溫度0～50℃，采用單總線與微處理器通信，外接一約5kΩ上拉電阻，總線閑置時，狀態為高電平，主從結構中只有主機呼叫從機時，從機才能應答。

DHT11有電源VDD、接地GND、雙向數據DATA三個引腳，DATA連單片機通用輸入輸出口，一次傳送40位5字節溫濕度數據，由高到低依次送出：8bit濕度整數數據+8bit濕度小數數據+8bit溫度整數數據+8bit溫度小數數據+8bit校驗和，校驗和為前四個字節相加。

5 邏輯模塊的設計

上述三種信號只要一項達到危險條件就啟動報警模塊。方案一采用2輸入四或門的7432或門芯片，三個信號接1、2、5口，輸出3與4連，輸出6接負載。方案二采用STC89C52單片機，當熱釋電紅外傳感器有信號、金屬接近傳感器無信號、DHT11溫濕度傳感器溫度達到50℃三種情況有一項達到報警指標，即P1.1收到高電平信號，P1.2收到低電平信號，P1.3大于50℃信號，P1.4輸出信號高電平，蜂鳴器鳴叫或觸發繼電器，達到報警效果。

6 報警模塊的設計

報警模塊采用蜂鳴器或繼電器，5V有源蜂鳴器內部有一簡單振蕩電路，將直流電轉為一定頻率的脈沖信號，實現磁場交變，帶動鉬片振動發音。SRD-05VDC-SL-C繼電器為電控制開關，2腳分接5V和地，3腳分為常開、常閉和公共端，輸入電流達到規定要求時，內部線圈產生電磁感應，內部觸點開關打向常開端;當輸入電流小于規定要求時，內部線圈電磁感應消失，內部觸點開關打向常閉端。

7 整體功能模塊集成及結果分析

在系統中，傳感器采集到危險信號，傳給邏輯處理模塊，驅動報警電路進行報警。

系統集成后按原理圖用萬用表對電路板進行逐一測試排查虛焊、短路，看極性元件有否焊反，采用接觸式上電方法對電路進行上電測試，檢查芯片表面是否發熱，若有關閉電源，無異常對電路板進行長時間供電，對電路進行功能測試。經系統測試，人體或金屬進入檢測區域、環境溫度升到50℃以上時，產生報警信號。

參考文獻：

[1] 毛敏.紅外防盜報警系統設計[J]. 電子測試，2018（13）.

[2] 韓丹翱. DHT11 數字式溫濕度傳感器的應用性研究[J]. 電子設計工程，2013（13）.

[3] 倪元相. 基于單片機控制的紅外熱釋電家庭防盜報警器硬件系統設計[J]. 電子世界，2018（16）.

[4] 李世豪. 智能家居防火防盜報警系統研究與設計[J]. 電子技術，2018（07）.

[5] 劉鋒. 基于電感式接近開關的空預器停轉報警系統設計[J]. 中國儀器儀表，2016（11）.

[通聯編輯：梁書]