基于紅外傳感器的可自動(dòng)折疊新型座椅設(shè)計(jì)

吳柏儒 鐘 偉

（廣州工商學(xué)院電子信息工程系，廣東 佛山 528138）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，國(guó)內(nèi)各大城市發(fā)展軌道交通，地鐵、 輕軌已經(jīng)成為人們出行的重要交通工具， 緩解了目前城市內(nèi)遇到的交通堵塞問(wèn)題。 由于傳統(tǒng)的軌道車輛如地鐵、 輕軌車輛內(nèi)的座椅大部分為固定座椅，占用客室面積較大， 在客流高峰期時(shí)， 由于座椅無(wú)法移動(dòng)， 占用了較大的空間， 從而導(dǎo)致客室內(nèi)無(wú)法容納大量的乘客。 現(xiàn)有的地鐵、 輕軌座椅中僅有少部分為可折疊座椅，將座椅折疊后，僅能騰出少量的空間，無(wú)法滿足客流高峰期的客運(yùn)能力要求， 且折疊座椅通常無(wú)法實(shí)現(xiàn)放平或者折疊狀態(tài)時(shí)的鎖閉， 穩(wěn)定性差。 在一些會(huì)議廳， 折疊座椅雖然能夠在無(wú)人的時(shí)候自動(dòng)折疊，但需要人手動(dòng)按壓才能坐下。 有時(shí)候臨時(shí)站起來(lái)，想坐下的時(shí)候?yàn)榱税磯海瑫?huì)導(dǎo)致摔倒。

1 紅外傳感器

光線是一種輻射電磁波，以人類的經(jīng)驗(yàn)而言，通常指的是肉眼可見(jiàn)的光波域是從400nm（紫光）到700nm（紅光）可以被人類眼睛感覺(jué)得到的范圍。

我們把紅光之外、 波長(zhǎng)760nm 到1mm 之間輻射叫做紅外光， 紅外光是肉眼看不到的， 但通過(guò)一些特殊光學(xué)設(shè)備，我們依然可以感受到。

紅外線是一種人類肉眼看不見(jiàn)的光，所以，它具有光的一切光線的所有特性。 但同時(shí)， 紅外線還有一種還具有非常顯著的熱效應(yīng)。 所有高于絕對(duì)零度即－273 ℃的物質(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線。

紅外傳感器可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種：

（1）主動(dòng)紅外傳感器的工作原理及特性

主動(dòng)紅外傳感器的發(fā)射機(jī)發(fā)出一束經(jīng)調(diào)制的紅外光束， 被紅外接收機(jī)接收， 從而形成一條紅外光束組成的警戒線。 當(dāng)遇到樹(shù)葉、雨、小動(dòng)物、雪、沙塵、霧遮擋則不應(yīng)報(bào)警， 人或相當(dāng)體積的物品遮擋將發(fā)生報(bào)警。

主動(dòng)紅外探測(cè)器技術(shù)主要采用一發(fā)一收， 屬于線形防范， 現(xiàn)在已經(jīng)從最初的但光束發(fā)展到多光束，而且還可以雙發(fā)雙受， 最大限度的降低誤報(bào)率， 從而增強(qiáng)該產(chǎn)品的穩(wěn)定性，可靠性。

（2）被動(dòng)紅外傳感器的工作原理及特性

被動(dòng)紅外傳感器是靠探測(cè)人體發(fā)射的紅外線來(lái)進(jìn)行工作的。 傳感器器收集外界的紅外輻射進(jìn)而聚集到紅外傳感器上。 紅外傳感器通常采用熱釋電元件，這種元件在接收了紅外輻射溫度發(fā)出變化時(shí)就會(huì)向外釋放電荷，檢測(cè)處理后產(chǎn)生報(bào)警。

這種傳感器是以探測(cè)人體輻射為目標(biāo)的。 所以輻射敏感元件對(duì)波長(zhǎng)為10μm 左右的紅外輻射必須非常敏感。 為了對(duì)人體的紅外輻射敏感， 在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的濾光片， 使環(huán)境的干擾受到明顯的控制作用。

2 紅外可自動(dòng)折疊座椅設(shè)計(jì)

2.1 紅外可自動(dòng)折疊座椅的設(shè)計(jì)原理

紅外傳感器的可自動(dòng)折疊座椅，包括靠背、坐墊、鏈輪、鏈條、限位開(kāi)關(guān)和控制結(jié)構(gòu)；所述靠背和坐墊通過(guò)坐墊動(dòng)軸活動(dòng)連接； 所述鏈輪、 鏈條和限位開(kāi)關(guān)設(shè)置在靠背的一側(cè)， 鏈輪通過(guò)鏈條連接， 限位開(kāi)關(guān)固定在鏈條的下方前側(cè)， 鏈輪帶動(dòng)鏈條傳動(dòng)， 帶動(dòng)坐墊的翻轉(zhuǎn)，限位開(kāi)關(guān)阻擋鏈條的傳動(dòng)，鎖閉坐墊；所述控制結(jié)構(gòu)設(shè)置在靠背的背面。

座椅通過(guò)安裝在座椅頭部的被動(dòng)紅外傳感器感知是否有人存在， 具有三個(gè)功能：（1） 當(dāng)有人接近座椅時(shí)，座椅將控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，慢慢打開(kāi)座椅；（2）當(dāng)人臨時(shí)站立的時(shí)候， 還未離開(kāi)座椅， 座椅不會(huì)自動(dòng)折疊；（3）當(dāng)人離開(kāi)的時(shí)候，沒(méi)有感知到人的存在，座椅將慢慢折疊。

當(dāng)人有向下坐的趨勢(shì)時(shí)，為快速展開(kāi)座椅，主動(dòng)紅外傳感器發(fā)射機(jī)發(fā)出的紅外光束， 被人體遮擋， 紅外接收機(jī)無(wú)法接收到光束， 將驅(qū)動(dòng)電機(jī)快速轉(zhuǎn)動(dòng)， 打開(kāi)座椅，直至被限位開(kāi)關(guān)阻擋，才停止；而座椅的折疊任務(wù)將由被動(dòng)紅外傳感器控制電機(jī)來(lái)完成。

控制結(jié)構(gòu)包括控制器、制動(dòng)器和電機(jī)，控制器分別與制動(dòng)器和電機(jī)電連接， 電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與階梯軸連接，電機(jī)與制動(dòng)器軸連接，控制器、制動(dòng)器、電機(jī)、聯(lián)軸器和階梯軸位于水平位置。

2.2 紅外可自動(dòng)折疊座椅的硬件設(shè)計(jì)

紅外可自動(dòng)折疊座椅的硬件座椅包括： 核心處理器STC15w408AS 單片機(jī)、主動(dòng)紅外傳感器、被動(dòng)紅外傳感器、電機(jī)。

圖1 硬件設(shè)計(jì)框圖

（1）核心處理器

選擇STC15w408AS 單片機(jī)， 內(nèi)部集成了高精度的RC 振蕩電路和高可靠的復(fù)位電路，直接外部晶振和復(fù)位電路都可以省去， 芯片接通電源后就可以直接工作；可輸出多路PWM 控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)；通過(guò)讀取被動(dòng)紅外傳感器的電平變化， 感知是否有人靠近； 通過(guò)讀取主動(dòng)紅外傳感器的電平變化， 感知是否有人有向下坐的趨勢(shì)，從而加快電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，打開(kāi)座椅。

圖2 STC15w408AS 單片機(jī)

（2）主動(dòng)紅外傳感器

主動(dòng)紅外傳感器對(duì)環(huán)境光線適應(yīng)能力強(qiáng)， 其具有一對(duì)紅外線發(fā)射與接收管， 發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線， 當(dāng)發(fā)射與接收管沒(méi)有障礙物時(shí)， 接收管接收到發(fā)射管發(fā)射的紅外線， 綠色指示燈會(huì)亮起， 同時(shí)信號(hào)輸出接口輸出數(shù)字信號(hào)一個(gè)低電平信號(hào)， 可通過(guò)電位器旋鈕可調(diào)節(jié)靈敏度； 當(dāng)發(fā)射與接收管有障礙物時(shí)， 信號(hào)輸出接口輸出數(shù)字信號(hào)是一個(gè)低電平； 工作電壓為3.3V～5V。 該傳感器可以通過(guò)電位器調(diào)節(jié)、具有干擾小、便于裝配、使用方便等特點(diǎn)。

圖3 主動(dòng)紅外傳感器

（3）被動(dòng)紅外傳感器

感應(yīng)模塊采用雙元探頭，探頭的窗口為長(zhǎng)方形，雙元位于較長(zhǎng)方向的兩端， 當(dāng)人體從左到右或從右到左走過(guò)時(shí),紅外光譜到達(dá)雙元的時(shí)間、距離有差值，差值越大， 感應(yīng)越靈敏， 當(dāng)人體從正面走向探頭或從上到下或從下到上方向走過(guò)時(shí)， 雙元檢測(cè)不到紅外光譜距離的變化，無(wú)差值，因此感應(yīng)不靈敏或不工作；所以安裝感應(yīng)器時(shí)應(yīng)使探頭雙元的方向與人體活動(dòng)最多的方向盡量相平行， 保證人體經(jīng)過(guò)時(shí)先后被探頭雙元所感應(yīng)。 為了增加感應(yīng)角度范圍，本模塊采用圓形透鏡，也使得探頭四面都感應(yīng)， 左右兩側(cè)比上下兩個(gè)方向感應(yīng)范圍大、靈敏度強(qiáng)。

圖4 被動(dòng)紅外傳感探頭

2.2 紅外可自動(dòng)折疊座椅的程序設(shè)計(jì)

（1）開(kāi)始運(yùn)行程序，初始化所有參數(shù)及函數(shù)，并判斷座椅是否處于折疊。

（2） 程序通過(guò)接收安裝在座椅頭部的被動(dòng)紅外傳感器的電平變化來(lái)感知是否有人存在， 當(dāng)有人接近座椅時(shí)，電平由高電平變成低電平，單片機(jī)輸出PWM 控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，慢慢打開(kāi)座椅。

（3） 程序通過(guò)接收主動(dòng)紅外傳感器的電平變化判斷是否人有向下坐的趨勢(shì)，如果有，單片機(jī)輸出PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)快速展開(kāi)座椅。

（4） 當(dāng)被動(dòng)紅外傳感器和主動(dòng)紅外傳感器都為高電平時(shí)，沒(méi)有用戶存在，自動(dòng)折疊座椅。

圖5 程序框圖

3 系統(tǒng)測(cè)試

首先將寫好的座椅自動(dòng)折疊的程序放到編譯器里進(jìn)行編譯運(yùn)行， 看是否有語(yǔ)法錯(cuò)誤， 如果有就進(jìn)行修改。 由于椅著的功能不止一個(gè)， 很容易出現(xiàn)一個(gè)功能的代碼錯(cuò)誤導(dǎo)致這個(gè)功能沒(méi)法實(shí)現(xiàn)。 同時(shí)也很難排查具體的問(wèn)題。

因此將每一個(gè)模塊所要實(shí)現(xiàn)的功能寫成一個(gè)代碼進(jìn)行考錄， 分別測(cè)試對(duì)應(yīng)的單個(gè)代碼能否實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能， 如果可以再將所有的代碼放入總程序中進(jìn)行綜合測(cè)試。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的紅外折疊椅以STC15w408AS 單片機(jī)為主控制單元， 對(duì)各個(gè)模塊傳感器的信息進(jìn)行分析，并發(fā)布命令完成感應(yīng)，自動(dòng)折疊等相應(yīng)功能。