基于紅外傳感器的樓宇人數統計系統的設計

　　摘要：系統以熱釋電紅外傳感器為基礎，通過對外圍電路的設計和相應的控制電路，實現了對樓宇人數的實時統計。給出了系統的總體結構設計，重點闡述了樓宇人數監控系統主要的硬件設計以及系統軟件設計。實踐證明：該樓宇人數監控系統工作穩定，具有較高的響應速度和精度，并且價格低廉，具有廣泛的應用前景。
　　
　　引言
　　
　　隨著現代社會和科學技術的迅速發展，紅外技術已經為大家所熟知。由于紅外線是不可見光，有很強的隱蔽性和保密性，已經在現代科技、國防和工農業等領域獲得了廣泛的應用，給人們日常生活和公共安全帶來了極大的便利。本文介紹的，就是以紅外傳感器為基礎的一套樓宇房間人數統計系統。鑒于現有的各種人數統計系統的種種不足或限制，本文設計了一套實時、可行的計數設備。它以熱釋電紅外傳感器為基礎，通過對外圍電路的設計，能識別人進來（向左運動）或者出去（向右運動）的方向，進而產生不同的通道信號去觸發相應的控制電路，通過單片機編程，連接計算機，就可以對樓宇人數進行實時準確的監控。
　　
　　1、系統總體設計原理
　　
　　該系統的總體結構框圖如圖1所示：通過RE200B熱釋電紅外傳感器對周圍環境的紅外線進行實時數據采集。當有人進入傳感器的探測范圍時，傳感器將感應到的信號傳輸給下一級的放大濾波電路，經過放大并濾除干擾的電信號再通過電壓比較電路，能將人的進出兩個方向很好地識別出來。接著通過單片機編程將代表不同方向的信號轉換為人數變化的信號，同時通過串口編程將人數的變化信息通過無線模塊發送到計算機，通過計算機監控軟件將人數統計信息以圖形界面的方式實時顯示出來。　　
　　2、系統各功能單元介紹
　　
　　2．1熱釋電紅外傳感器的工作原理
　　
　　本系統采用RE200B熱釋電紅外線傳感器作為接收人體紅外輻射的核心元件，是整個電路的信號接收部分。它具有方向識別的功能，能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉換成電壓信號輸出。將這個電壓信號加以放大，便可驅動各種控制電路。
　　
　　如圖2（a）所示：RE200B有兩個敏感單元P1、P2。這兩個特征一致的熱電元反向串聯或接成差動平衡電路方式，較之單熱電元的結構（圖2（b）），不僅可以使輸出的信號具有方向性，還可以抑制因自身溫度變化而產生的干擾。工作時，當人體從圖中箭頭所指的兩個不同方向經過探測視場時，由于兩個熱敏元件接收到的紅外熱輻射的先后次序恰好相反，使得熱敏元件表面的正負電荷由平衡到不平衡，再到平衡的交變過程在整體上也相反，這時就會有兩種相位相反的交變信號電壓輸出。它們反映人體的進、出行走方向。　　
　　2．2放大電路
　　
　　紅外熱釋電傳感器BE200B的輸出信號非常微弱，且信號中含有因環境引起的噪聲信號，所以必須對信號進行濾波放大。在電路中使用LM324構成280倍放大電路，并通過電位器R3調節偏置電壓，使靜態輸出電壓盡可能平穩于U0（圖3），但此時信號受環境溫度影響無法保證穩定性，所以增加一級微分電路，通過調節電位器R11使微分電路靜態輸出不受環境溫度影響穩定于U0附近，當有人或紅外源從左右方向經過傳感器窗口時可以看到微分電路輸出Vb會隨人通過方向不同而不同（圖3（a）（b））。　　
　　2．3電壓比較器
　　
　　RE200B傳感器雖然可以辨別人體運動方向，但它輸出的方向信號卻不能被計數用的單片機識別，所以必須在放大電路后面加一個電路，將人體進出兩路信號區別開來并被單片機識別。上一級的輸出信號Vb經過兩路電壓比較電路輸出O1、O2，當從左向右經過傳感器窗口時O1先出現低電平，O2后出現低電平，如圖3（c）（e），從右向左經過傳感器窗口時O2先出現低電平，O1后出現低電平，如圖3（d）（f）。單片機使用中斷獲取兩個低電平先后順序即可判斷出方向。
　　
　　2．4單片機控制電路的設計
　　
　　本設計選用AT89C2051作為單片機控制電路的核心。單片機的外部中斷INT0、INT1引腳分別連接到兩組從電壓比較器傳來的高低電平信號。由于單片機外部中斷引腳接收到負跳變信號時才能產生中斷請求信號，所以當檢測到人體紅外信號時，對應的外部中斷跳變成低電平并向CPU申請中斷，通過判斷INT0和INT1引腳產生中斷的順序來判斷人員的進出方向。
　　
　　程序設計主要考慮信號采集、人員進出的不同速度、是否進或出、環境干擾和實時顯示輸出等情況，其準確性直接關系到計數裝置的可靠性和實用性。信號采集是使用周期性的信號掃描來完成，每隔2～8ms采集一次外部中斷INT0和INT1引腳，外部中斷、定時計數器，T0和T1協同工作。主程序設計流程如圖4所示。　　
　　信號經單片機處理后，輸出到顯示模塊八個顯示筆畫a，b，c，d，e，f，g，DP八個口，以驅動數碼管顯示房間里的總人數，同時通過無線串口通信的方式將房間數據傳輸到主控系統來顯示結果，這樣管理者可以通過數據終端方便快捷地查看房間人數情況。
　　
　　2．5計算機監控軟件設計
　　
　　系統軟件是基于Microsoft公司VC++編寫的，包括系統參數設置模塊、接收數據實時顯示模塊、數據存儲模塊，系統軟件的主控界面如圖5所示：　　
　　3、結束語
　　
　　該樓宇人數監控系已在某些企業樓宇進行了試用。實踐證明：該系統工作穩定，對樓宇人數統計準確，實時性好。同時該系統成本低，具備體積小、重量輕、便于安置和簡單易用的特點，在對樓宇人數統計上發揮了巨大作用，具有廣闊的應用前景和巨大的經濟價值。