【正文】 1 人體感應(yīng)顯示器 信息與通信工程學(xué)院 一、 引言 2 目前，人體紅外感應(yīng)已經(jīng) 有很多應(yīng)用實例 ， 例如人體感應(yīng)節(jié)能開關(guān)，人體感應(yīng)吹風(fēng)機，人體感應(yīng)門等等，但是人體感應(yīng)顯示器至今應(yīng)用甚少，較具代表的是飛利浦 225P1。本作品的作用對象是博物館里的紙質(zhì)文物， 人體感應(yīng)的顯示器可避免光照對紙質(zhì)文物的破壞。 我們都有這樣一些生活常識 :一件常穿在外的衣服與一件深埋箱底的衣服，其色彩與新舊均有明顯的區(qū)別，常穿著的衣服會有褪色現(xiàn)象，這是因為光對衣服產(chǎn)生作用的緣故。光 照會使紙質(zhì)上的水彩和墨水褪色，使含高木質(zhì)素的紙張發(fā)黑。大量光照加上較高的濕度會加速藏品的腐化。光照是造成藏品褪色和化學(xué)損壞的原因，對紙質(zhì)文物的傷害尤顯嚴重。 光照主要有自然光照和人造光照。相對自然光而言，博物館藏品較多受影響的是來自燈光照明的危害。庫房里的照明以及展示空間的照明，都會對紙質(zhì)文物造成傷害。光照對紙質(zhì)文物的影響是累積的。紙質(zhì)文物過多暴露于光照之中，都會加速紙張的化學(xué)反應(yīng)速度，從而導(dǎo)致紙質(zhì)文物的損害或退化。最有效的保護就是讓紙質(zhì)文物一直藏于黑暗封閉的空間，但對于具有宣傳、研究職能的 博物館來說這是不可能的事情。 最折中的辦法就是制作一個具備人體感應(yīng)的照明及宣傳 顯示器 的系統(tǒng)，本作品是其中的一個子系統(tǒng) —— 具有人體感應(yīng)的顯示器。 二、 解決方案 人體感應(yīng)顯示器，最基本的功能是人體感應(yīng)，該功能由紅外感應(yīng)模塊完成。當(dāng)感應(yīng)到人時，模塊會輸出高電平，然后經(jīng) 整個系統(tǒng)最重 3 要的模塊 —— C8051F020單片機 的 A/D轉(zhuǎn)換功能進行模數(shù)轉(zhuǎn)換 。轉(zhuǎn)換結(jié)束后將數(shù)據(jù)用 RS— 232總線傳輸?shù)接嬎銠C上，同時計算機的人機界面判斷是否有人到來，并作出相應(yīng)動作，人機界面由 Delphi制作。 圖一 工作流程圖 三、 模塊設(shè)計 1) 人體感應(yīng)模塊 本模塊采用 CD208 紅外線人體感應(yīng)模塊，模塊主要由熱釋電紅外傳感器、 BISS000捏菲爾透鏡組成 。其結(jié)構(gòu)框圖如圖二所示。圖中，菲涅爾透鏡可以將人體輻射的紅外線聚焦到熱釋電紅外探測元上，同時也產(chǎn)生交替變化的紅外輻射高靈敏區(qū)和盲區(qū)，以適應(yīng)熱釋電探測元要求信號不斷變化的特性；熱釋電紅外傳感器是報警器設(shè)計中的核心器件，它可以把人體的紅外信號轉(zhuǎn)換為電信號以供信號處理部分使開始 有人？ 紅外感應(yīng) 輸出低電平 輸出高電平 A/D 轉(zhuǎn)換 A/D 轉(zhuǎn)換 關(guān)閉顯示器 播放視頻 RS232 輸出‘ 0’ 輸出‘ 1’ RS232 4 用；信號處理主要是把傳感器輸出的微弱電信號進行放大、濾波、延遲、比較，為報警功 能的實現(xiàn)打下基礎(chǔ)。圖三所示的是將待測目標(biāo)、菲涅爾透鏡、熱釋電紅外傳感器相結(jié)合使用時的工作原理示意圖。 圖二 模塊結(jié)構(gòu)圖 圖三 人體通過傳感器時產(chǎn)生的信號 CD208紅外線人體感應(yīng)模塊靈敏度高，可靠性強，當(dāng)有人進入其感應(yīng)范圍內(nèi)時輸出高電平，人離開時輸出低電平。感應(yīng)模塊感應(yīng)到人的每一次活動后會自動順延一個延時時間段，并且以最后一次活動的時間為延時時間的起始點。 BISS0001是一款具有較高性能的傳感信號處理集成電路。它配以熱釋電紅外傳感器和少量外 接元器件構(gòu)成被動式的熱釋電紅外開關(guān)。它能自動快速開啟各類白炙燈、熒光燈、蜂鳴器、自動門、電風(fēng)扇、烘干機和自動洗手池等裝置，特別適用于企業(yè)、賓館、商場、庫房及家庭的過道等敏感區(qū)域，或用于安全區(qū)域的自動燈光、照明和報警系統(tǒng)。 待測目標(biāo) 光學(xué)系統(tǒng) （捏菲爾透鏡） 熱釋電紅外傳 感器 BISS0001 輸出電平 5 圖二 BISS0001 外引線連接圖 圖三 BISS0001 內(nèi)部框圖 圖三為 BIS0001 紅外傳感器信號處理器的內(nèi)部框圖。外界元件由使用者根據(jù)需要選擇。由圖 可見 BISS0001 是由運算放大器、電壓比較器和狀態(tài)控制器、延遲時間定時器、封鎖時間定時器 及參考電壓源等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈Ｓ眉?電路?？蓮V泛應(yīng)用于多種傳感器和延時控制器。 我們先以圖 3 所示的不可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的各點波形，來說 6 明 BISS0001的工作過程。 圖四 不可重復(fù)觸發(fā)工作方式下各點的波形 圖五 可重復(fù)觸發(fā)工作方式下各點的波形 首先，由使用者根據(jù)實際需要，利用運算放大器 OP1 組成傳感信號預(yù)處理電路，將信號放大。然后耦合給運算放大器 OP2，再進行第二級放大，同時將直流電位抬高為 VM（≈ VDD）后，送到有比較器 COP1 和 COP2組成的雙向鑒幅器，檢出有效觸發(fā)信號 Vs。由于 VH≈ VDD、 VL≈ VDD，所以，當(dāng) VDD=5V 時，可有效地抑制177。 1V的噪聲干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。 COP3 是一個條件比較器。輸入電壓 Vc＜ VR（≈ VDD）時， COP3 輸出為低電平封住了與門 U2，禁止觸發(fā)信號 Vs 向下級傳遞；而當(dāng) VC＞ VR 時， COP3 輸出為高電平，打開與門 U2，此時若有觸發(fā)信號 Vs 的上跳邊沿來到，則可啟動延時時間定時器，同時 Vo端輸出為高電平，進入延時周期。當(dāng) A 端接? 0? 7 電平時，在 Tx時間內(nèi)任何 V2的變化都被忽略，直至 Tx 時間結(jié)束，即所謂不可重復(fù)出發(fā)工作方式。當(dāng) Tx 時間結(jié)束時， Vo 下跳回低電平，同時啟 動封鎖時間定時器而進入封鎖周期 Ti。在 Ti周期內(nèi)，任何 V2的變化都不能使 Vo 為有效狀態(tài)。這一功能的設(shè)置，可有效抑制負載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾。 下面再以圖 4 所示可重復(fù)觸發(fā)工作方式下各點的波形，來說明BISS0001 在此狀態(tài)下的工作過程。 在 Vc=? 0?、 A=? 0?期間， Vs 不能觸發(fā) Vo 為有效狀態(tài)。在 Vc=? 1?、 A=? 1?時， Vs 可重復(fù)觸發(fā) Vo 為有效狀態(tài)， 并在 Tx 周期內(nèi)一直保持有效狀態(tài)。 在 Tx 時間內(nèi)， 只要有 Vs 得上跳變， 則 Vo 將從 Vs上跳變時刻算起繼續(xù)延長一個 Tx 周期；若 Vs保持為? 1?狀 態(tài)，則 Vo一直保持有效 狀態(tài)；若 Vs 保持為? 0?狀態(tài)，則在 Tx 周期結(jié)束后 Vo恢復(fù)為無效狀態(tài)，并且在封鎖時間 Ti 時間 內(nèi)，任何 Vs的變化都不能觸發(fā) Vo 為有效狀態(tài)。 圖六 熱釋電紅外開關(guān)電路原理圖 2) 熱釋電紅外傳感器 8 熱釋電紅外傳感器和熱電偶都是基于熱電效應(yīng)原理的熱電型紅外傳感器。不同的是熱釋電紅外傳感器的熱電系數(shù)遠遠高于熱電偶，其內(nèi)部的熱電元由高熱電系數(shù)的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成，其極化隨溫度的變化而變化。為了抑制因自身溫度變化而產(chǎn)生的干擾，該傳感器在工藝上將兩個特征一致的熱電元反向串聯(lián)或接成差動平衡電路方式，因而能以非接觸式檢測出物體放出的紅外線能量變化，并將其轉(zhuǎn)換為電信號輸出。熱釋電紅外傳感器在結(jié)構(gòu)上引入場效應(yīng)管的目的在于完成阻抗變換。由于熱電元輸出的是電荷信號，并不能直接使用 )因而需要用電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓形式，該電阻阻抗高達 104MΩ故引入的溝道結(jié)型場效應(yīng)管應(yīng)接成共漏形式（即源極跟隨器）來完成阻抗變換。熱釋電紅外傳感器由傳感探測元、干涉濾光片和場效應(yīng)管匹配器三部分組成。設(shè)計時應(yīng)將高熱電材料制成一定厚度的薄片，并在它的兩面鍍上金屬電極，然后加電對其進行極化，這樣便制成了熱 釋電探測元。由于加電極化的電壓是有極性的，因此極化后的探測元也是有正、負極性的。 圖七是一個雙探測元熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。使用時 端接電源正極， 端接電源負極，端為信號輸出。該傳感器將兩個極性相反、特性一致的探測元串接在一起，目的是消除因環(huán)境和自身變化引起的干擾。它利用兩個極性相反、大小相等的干擾信號在內(nèi)部相互抵消的原理來使傳感器得到補償。對于輻射至傳感器的紅外輻射，熱釋電傳感器通過安裝在傳感器前面的菲涅爾透鏡將其聚焦后加至兩個探測元上， 從而使傳感器輸出電壓信號。制造熱釋電紅外探測元 9 的高熱電材料是 一種廣譜材料，它的探測波長范圍為。 為了對某一波長范圍的紅外輻射有較高的敏感度，該傳感器在窗口上加裝了一塊干涉濾波片。這種濾波片除了允許某些波長范圍的紅外輻射通過外， 還能將燈光、陽光和其它紅外輻射拒之門外。 圖七 雙探測元熱釋電紅外傳感器 3) 單片機模塊 本模塊由 C8051F020單片機組成，主要負責(zé) A/D轉(zhuǎn)換和串口通信。 A/D轉(zhuǎn)換由 C8051F020 的 AD0 子系統(tǒng)完成，它包括一個 9 通道的可編程模擬多路選擇器（ AMUX0） ，一個可編程增益放大器（ PGA0）和一個 100ksps、 12 位分辨率的逐 次逼近寄存器型 ADC， ADC 中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器（見圖八的原理框圖） 。AMUX0、 PGA0、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式及窗口檢測器都可用軟件通過圖八所示的特殊功能寄存器來控制。只有當(dāng) ADC0 控制寄存器中的 AD0EN 位被置‘ 1’時 ADC0 子系統(tǒng)（ ADC0、跟蹤保持器和 PGA0）才被允許工作。當(dāng) AD0EN 位為‘ 0’時， AD0C 子系統(tǒng)處于低功耗關(guān)斷方式。 10 圖八 12 位 ADC0 功能框圖 串口通信中， C8051F020 具有硬件實現(xiàn)的 SPI、 SMBus/ 2IC和 2個 UART 串行接口 ,都可以進行數(shù)據(jù)的串行通信，本模塊采用 UART0口進行 數(shù)據(jù)串行通信。 C8051F020的 UART0 口是一個具有幀錯誤檢測和地址識別硬件的增強型串行口。 UART0 可以工作在全雙工異步方式或半雙工同步方式 ,并且支持多處理器通信。接收數(shù)據(jù)被暫存于一個保持寄存器中 ,這就允許 UART0 在軟件尚未讀取前一個數(shù)據(jù)字節(jié)的情況下開始接收第 2 個輸入數(shù)據(jù)字節(jié)。一個接收覆蓋位用于指示新的接收數(shù)據(jù)已被鎖存到接收緩沖器 ,而前一個接收數(shù)據(jù)尚未被讀取。對 UART0 的控制和訪問是 通過相關(guān)的特殊功能寄存器即串行控制寄存器 (SCON0)和串行數(shù)據(jù)緩沖器 (SBUF0)來實現(xiàn)的。一個 SBUF0 地址可以訪問發(fā)送寄存器和接收寄存器。讀操作將自動訪問接收寄存器 ,而寫操作自動訪問發(fā)送寄存器。 UART0 可以工作在查詢或中斷方式。 UART0 有 2 個中斷源 ： 一個發(fā)送中斷標(biāo)志 TI0 (SCON011)(數(shù)據(jù) 11 字節(jié)發(fā)送結(jié)束時置位 )和一個接收中斷標(biāo)志 RI0(SCON010) (接收完一個數(shù)據(jù)字節(jié)后置位 )。當(dāng) CPU 轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序時硬件不清除 UART0 中斷標(biāo)志 ， 中斷標(biāo)志必須用軟件清除。這就是允許軟件 查詢 UART0 中斷的原因 (發(fā)送完成或接收完成 )。 UART0 提供 4 種工作方式 (一種同步方式和 3種異步方式 ) 。通過設(shè)置 SCON0 寄存器中的配置位 選擇。這 4種方式提供不同的波特率和通信協(xié)議。表 一 概述了這 4 種方式。 表一 UART0 的工作方式 本模塊采用方式 1進行通信 ，方式 1 提供標(biāo)準的異步、全雙工通信，每個數(shù)據(jù)字節(jié)共使用 10 位：一個起始位、 8 個數(shù)據(jù)位（ LSB 在先）和一個停止位。數(shù)據(jù)從 TX0 引腳發(fā)送，在 RX0 引腳接收。在接收時， 8 個數(shù)據(jù)位存入 SBUF0，停止位進入 RB80（ ）。當(dāng)執(zhí)行一條向 SBUF0 寄存器寫入一個字節(jié)的指令時開始數(shù)據(jù)發(fā)送。在發(fā)送結(jié)束時（停止位開始）發(fā)送中斷標(biāo)志 TI0（ ）置位。在接收允許位 REN0（ ）被設(shè)置為邏輯 1 之后任何時間都可以開始數(shù)據(jù)接收。收到停止位后如果滿足下述條件則數(shù)據(jù)字節(jié)將被裝入接收寄存器 SBUF0： RI0 為邏輯 0，并且如果 SM20 為邏輯 1 則停止位必須為 1。 如果這些條件滿足，則 8 位數(shù)據(jù)被存入 SBUF0，停止位被存入 RB80， RI0 標(biāo)志被置位。如果這些條件不滿足，則不裝入 12 SBU0F 和 RB80， RI0 標(biāo)志也不被置 1。如果中斷被允許，在 TI0 或 RI0 置位時將產(chǎn)生一個中斷。 圖九 UART0 方式 1 時序圖 圖十 UART0 方式 1 連接圖 4) 通信程序 串行通信有異步通信和同步通信 2 種基本通信方式。同步通信適用于傳送速度高的情況 , 其硬件復(fù)雜。而異步通信應(yīng)用于傳送速度在 50～ 19200bps 之間 ,是比較常用的傳送方式。串行通信前 , 發(fā)送方和接收方要約定具體的數(shù)據(jù)格式和波特率 (通信協(xié)議 ) 。單片機與 PC 串行通信程序包括 2方面：一方面是 C8051F020單片機的 通信程序 ,另一方面為 PC 機的通信程序。在編寫程序之前 ,制定其雙方通信協(xié)議是十分重要的 , 否則將無法保證通信數(shù)據(jù)的可靠性 , 從而失去通信的意義。本作品設(shè)置了 9600bps為串口通信波特率。 13 C8051F020 程序下載的硬件硬件如圖十一 ， 圖十 一 硬件設(shè)置 單片機與計算機通信流程圖如圖十二 ， 圖十 二 單片機與計算機通信流程圖 開始 設(shè)置波特率和串口通信方式 接收請求 準備好 ? 發(fā)送數(shù)據(jù) 判斷是否有人來并做動作 是否接受完？ N Y N Y A/D 轉(zhuǎn)換 14 5) 計算機模塊 本模塊 主要由人機界面組成，有 Delphi 制作而成。 Delphi 是 Borland 公司推出的面向?qū)ο?的可視化編程工具，它擁有功能強大的集成開發(fā)環(huán)境（ IDE）和世界上速度極快的編譯器，并且兼具 Visual C++的強大功能和 Visual Bas