淺析單片機的紅外測控系統

胡銘

（安徽工業大學電氣與信息工程學院，安徽馬鞍山，243000）

近年來，一些城市將路燈作為了城市修建重要項目之一，隨著路燈數量的增加，所需電能越來越高。為了實現節能控制目標，路燈測控裝置應運而生[1]。其中，應用比較多的是紅外測控系統。本文將選取單片機作為核心控制裝置，設計一套紅外測控系統。

1 單片機與紅外測控系統相關介紹

1.1 單片機運行原理

單片機是一種在線實時控制方式，將其安裝于控制現場進行測控。該裝置自身具有較強的抗干擾能力，不易受到外界環境干擾，開發成本較低，因此，成為了眾多系統開發的首要選擇[2]。單片機又被稱作單片微控制器，將計算機系統集成到一個芯片上，開發功能強大，主要由3部分構成，包括存儲器、控制器、運算器，可以將其看作一個微控制器[3]。

在實際開發中，根據控制功能需求，利用C語言、C++等程序開發語言編寫程序，通過程序編寫來實現不同控制功能。所有編寫出的程序經過燒寫下載到單片機中，最終存儲到存儲器中，根據指令要求下達操控命令[4]。目前，應用比較多的單片機為89C51單片機，屬于通用型單片機，支持C語言、C++語言程序開發[5]。

1.2 紅外測控系統相關理論

紅外技術是一種新型檢測、跟蹤、成像等多功能綜合技術，在軍事上應用較多。經過多年發展，紅外技術發展為紅外檢測、紅外防偽、紅外理療、紅外遙感等技術，在多個領域得到了廣泛應用[6]。利用紅外傳感器采集到信號后，根據信號變化情況，采取控制處理措施，形成了基于紅外技術的測控系統，由檢測和控制兩部分組成。其中，紅外檢測部分是利用傳感器，搭建紅外傳感信息采集電路，從而實現信號采集[8]。按照功能不同，可以將紅外傳感信息采集系統劃分為5種類型：

（1）搜索與跟蹤系統。該系統主要用于跟蹤目標，可以依據監控需求設置跟蹤目標，通過分析目標運動軌跡，實時獲取目標所在地理位置。

（2）熱成像系統。根據熱效應原理生成分布圖像。

（3）輻射計。該類型信息采集系統主要用于輻射和測量光譜。

（4）混合系統。由兩個或者兩個以上不同類型系統組合而成。

（5）紅外測距。該類型系統屬于通信類系統，主要用于測量目標與參考點距離。

2 單片機紅外測控系統設計功能要求與芯片選擇

2.1 系統功能要求與構成

本文以節能燈為測控對象，采用紅外技術，設計一套單片機紅外測控系統。對于該系統功能設計要求如下：

利用紅外反射式光電傳感器采集信號，通過分析信號變化情況，判斷是否有物體從路燈下經過；利用聲音傳感器采集車輛行駛聲音信號，根據信號變化確定是否有車輛通過；利用紅外人體識別傳感器采集路人經過信號，將其作為路燈工作狀態控制主要依據。要求檢測到信號后點亮路燈，反之，延時一段時間切斷路燈線路，使得路燈線路轉為斷開狀態。另外，在電路中還要添加明暗程度檢測器件，用于檢測路燈是否發生故障，如果路燈處于故障狀態，則通過報警裝置發出警示，并鎖定故障路燈所處位置。

圖1 紅外測控方案結構圖

根據上述要求，設計如圖1所示的紅外測控方案結構圖。

在圖1中，系統利用光敏電阻檢測路燈是否發生故障，如果無損壞，則利用紅外反射式光電傳感器采集光纖信號，并將檢測到的信號分別經過聲音傳感器、紅外人體識別傳感器判斷信號類型，從而確定路燈下經過的是行人還是車輛，根據確定結果，利用單片機控制路燈工作狀態，實現節能照明目的。

2.2 芯片選型與功能介紹

89C51單片機是一種通用型單片機，不僅開發成本低，而且不容易受到外界干擾，由1個串行中斷、2個定時計數中斷、2個外中斷、4個8位并行輸入口組成。該裝置內部設有時鐘電路，通過外接電容和石英晶體構成。目前，89C51單片機數據采集與時間精度逐漸完善，產生的誤差在允許范圍之內，在各個領域得到了廣泛應用。因此，本文選取89C51型號單片機作為紅外測控系統核心控制器，以下為引腳功能。

根據引腳功能不同，可以將單片機引腳劃分為4種類型，包括電源、控制、時鐘、I/O引腳。

（1）電源

該芯片有兩個電源，包括VCC和VSS。前者指的是微處理器芯片電源，工作電壓為+5V，后者指的接地電源。

（2）控制

89C51單片機有4根控制線，包括ALE/PROG、PSEN、RST/VPD、EA/VPP。

②PSEN控制線：該控制線指的是外ROM讀選通信號。

③RST/VPD控制線：該控制線指的是復位/備用電源。其中，RST作為信號復位的輸入端；VPD用于連接備用電源，以免芯片VCC掉電情況。

④EA/VPP控制線：該控制線用于選擇ROM，通過程序控制EPROM。其中，EA作為內外ROM選擇端；VPP內部含有EPROM芯片，為微處理器提供編程電源。

（3）時鐘

微控制器的時鐘分為兩部分，包括XTAL1和XTAL2，前者為晶體振蕩電路反相輸入端，后者指的是電路反相輸出端。

（4）I/O引腳

該類型微處理器含有32個I/O端口，包括P0、P1、P2、P3。其中，P0口與上拉電阻連接，P3口用于輸入與輸出特殊信號，除此之外，該端口還支持控制信號的輸入與輸出。本文研究的89C51微處理器以“1”為使能端。

3 單片機紅外測控系統設計具體流程

本文選取89C51單片機作為核心控制器，利用該芯片控制路燈工作狀態，按照上述提到的系統整體設計方案結構圖，將系統劃分為硬件部分和軟件部分，分別進行設計。

我國是一個鉀肥消費大國，但資源匱乏，特別是可溶性鉀資源寶貴，讓中國不得不重視資源的有序開采。為保障我國鉀資源的可持續供應，中國工程院院士鄭綿平對我國鉀鹽行業發展提出建議，他說，“為了我國鉀鹽行業順利發展，行業應當居安思危，認真分析前進中存在的問題。我國鉀鹽可采儲量不足，分布不均，尚未找到大型可溶性固體鉀鹽礦床，枸溶性雜鹵石還未得到重視和開發。”

3.1 系統硬件設計

利用89C51單片機采集光電信號，并對這些信號進行處理，將經過處理后的信號導入執行機構中。對于芯片硬件電路連接的設計，本文是將P0、P1、P2、P3作為信號的輸出端口與輸出端口。如圖2所示為系統電路設計圖。

依據圖2的系統電路設計圖，將傳感器信號檢測與控制電路劃分為4個模塊分別進行設計，包括光敏電阻控制模塊、紅外檢測模塊、聲音檢測模塊、紅外人體識別檢測模塊。

（1）光敏電阻控制模塊

將光敏電阻的兩極與電壓兩極連接建立通路，閉合開關后電路中有電流流過，此時陽光照射到電阻上，電流隨著光照強度的變化而變化，使得光能轉換為電能。當光照強度逐漸增加時，光敏電阻將隨之改變。為了使得路燈在不同光線下均能夠根據控制需求工作，本文在設計紅外測控系統時，在電路中添加了光敏電阻器件，從而實現光電自動控制。

（2）紅外檢測模塊

本文選取LM393作為核心控制器件，利用光敏電阻R20、R21、R6采集路燈信號，在LM393控制下，將采集到的信號轉換為電信號，通過電路輸出端傳輸至89C51單片機中。

該實際運行中，利用發光二極管、激光、半導體光源產生光束，更改光束脈寬或者持續發射光束等。在系統接收端連接光電池，為其提供工作電源。為了便于擦空，本文選取接收器前端作為透鏡跟光圈布設位置。另外，光敏電阻信號接收端還與檢測端建立連接，以此達到檢測目的，并且可以將光電信號與其他信號分離。

圖3 系統軟件流程圖

（3）聲音檢測模塊

該功能模塊是利用聲音傳感器采集聲音信號，通過話筒器件識別敏感聲音。如果有聲音，則話筒薄膜將震動，形成脈沖信號，使得電路中的電容發生變化，產生聲波能量電壓。通常情況下，電壓變化范圍在0至5V。生成信號經過A/D轉換后發送到信號接收端。

本文選取BR-ZS1型號傳感器作為聲音傳感器，用于檢測噪聲信號。該傳感器運行穩定，支持24小時不間斷工作。另外，該電路中還添加了報警裝置，如果噪聲超出了指定范圍，則認為此時有車經過路燈，系統在控制路燈工作狀態的同時發出警報，判定結果為有車輛經過路燈。

（4）紅外人體識別檢測模塊

人體識別傳感器規模較小，靈敏度較高，在各個領域均有所應用。在本文設計的紅外測控系統中，該傳感器主要用于人臉識別，將采集到的信號進行放大處理、經過透鏡處理，從輸出端口傳輸至系統主控端，從而獲取人臉識別信號，根據信號情況判斷是否有路人經過路燈，從而下達路燈工作控制命令。

3.2 系統軟件開發

本文利用上位PC機開發系統軟件，利用紅外傳感器采集信號，判斷信號為聲音信號還是人通過信號，下達LED路燈控制命令，從而實現紅外測控。如圖3所示的軟件流程圖。

第一步：系統初始化處理；

第二步：判斷路燈周圍環境光線是否較弱，如果較弱，則執行第三步；反之，點亮小功率LED燈；

第三步：等待物體經過紅外測控系統監控區域；

第四步：判斷信號為聲音信號還是人通過信號；

第五步：點亮大功率LED燈；

第六步：判斷大功率LED燈是否點亮，如果已經點亮，則結束此程序，開始下一次循環；反之，系統自動發出警報，通過顯示屏顯示故障位置。

4 結論

本文主要對紅外測控系統的設計展開研究，根據系統開發成本、難易程度，選取89C51單片機作為核心控制器，采用紅外傳感器采集聲音信號和光信號，根據信號變化情況，判斷路燈下是否有車輛或者路人經過，根據判斷結果控制LED路燈工作狀態。為了提高系統安全性，本文在電路中設計了安全報警電路，用于提示用戶LED路燈是否發生故障。通過本文的研究，可以實現路燈節能控制。