智能人身安全防护系统的开发研究

龙文

摘要：该文针对触电、火灾、入室盗窃等对人民生命、财产安全的损害，研究热释电传感器、金属接近传感器、温度传感器等的结构及应用，采集危险信号，通过或门芯片、单片机两种方案对输入信号进行逻辑处理，最后触发报警系统。

关键词：人身安全;热释电传感器;金属接近传感器;温度传感器;保护系统

中图分类号：TP311      文献标识码：A     文章编号：1009-3044（2018）36-0196-02

国家统计局数据表明2017年全国因触电身亡8000人、火灾死亡900人，财产损失达200多亿。由于幼儿对事物充满好奇，经常用手触摸开关、用电器等，易造成触电伤害。随着楼房越建越多，火灾、盗窃等隐患呈上升趋势，本文探讨用传感器采集信息，经处理后触发报警或断电，研究构建智能的生命、财产安全防护系统。

1 智能人身安全防护系统描述

触电事故、入室盗窃时人或金属接近、火灾时环境温度升高，通过热释电传感器采集人的信息、金属接近传感器采集金属靠近信息、温度传感器采集环境温度，将三项采集信息传给逻辑运算模块，有一项出现危险信号即触发蜂鸣器或用继电器断开负载电路。

2 热释电红外传感器（PIR）模块的设计

人的体温约37℃，发出波长10uM左右的红外线，红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到由热释电元件构成的红外感应源上，感应源释放電荷输出电压信号。热释电效应是因热变化而产生的电极化现象，有些晶体受热时，在晶体两端产生数量相等符号相反的电荷。菲涅耳透镜根据菲涅耳原理制成，将热释的红外信号折射/反射聚焦到PIR上，检测区内分为若干明暗区，进入检测区的移动物体以温度变化的形式在PIR上产生变化的热释红外信号，电信号发生变化，灵敏度提高。

HC-SR501人体红外感应模块工作电压DC5V至20V，电平输出3.3V/0V，感应范围7米内。传感器的两个反向串联热释电元件的电极化方向相反，产生的释电效应相互抵消，无信号输出;当人进入探测区域，红外辐射通过部分镜面聚焦，被热释电元接收，两片热释电元接收的热量不同，热释电不同，产生差值，经信号处理而输出。

传感器供5V直流电，输出信号经三极管来控制负载。当感知人进入感应范围输出高电平，离开时自动延时关闭高电平后输出低电平。调节距离电位器和延时电位器可调整感应距离和延时长短，本项目中逆时针旋转距离电位器以减少感应距离，顺时针旋转延时电位器以加长延时。

3 金属接近传感器模块的设计

接近开关是非接触型的物体检测装置，有电感式、电容式、霍尔式和磁控式等。电感式是利用涡流感知物体的无触点开关型传感器，由高频振荡电路、放大电路、整形电路及输出电路组成。金属物体进入以一定频率稳定振荡的高频振荡器线圈磁场时，铁磁性金属物体产生磁滞损耗，振荡回路阻抗增大，能量损耗增加，振荡减弱直至终止。在振荡回路后接放大电路与输出电路，给出相应控制信号。

本项目采用直流PNP型NC常闭SN04-P2传感器，棕色线接电源正极，蓝色负极，黑色输出信号。接5V直流电后灯亮，开始工作，输出高电平0.7V;金属靠近灯灭，输出低电平，加74LS04非门将信号取反，与其他输出信息一致，即金属物体靠近，响应电路发出报警。

4 温度传感器模块的设计

温度传感器模块拟采用热敏电阻和DHT11数字温湿度传感器两套方案。

方案一：逻辑模块用或门，温度模块采用10K的NTC热敏电阻MF58，NTC热敏电阻由特殊配置的金属氧化物陶瓷材料制成，电阻随温度升高而下降。

设计电压比较电路，供5V直流电，用于比较的电路电阻R34.5kΩ、R41kΩ，可变电阻R5初值0.5kΩ，25℃时热敏电阻R210kΩ，UA点电压2.5V，UB点电压约3.75V，电压比较器LM311正极电压低于负极，不通，无输出。温度升高到60℃时，热敏电阻R2降到3kΩ，电压约1.2V，UA点电压升到3.8V，高于UB点电压，电压比较器正极电压高于负极，接通，输出信号。可变电阻用于设置比较电压的阈值，可变电阻阻值越大，UB点电压越低，报警温度越低。

方案二：逻辑模块为单片机时用DHT11数字温湿度传感器，DHT11由电阻式感湿元件和NTC测温元件构成，输出已校准的温湿度数据，连8位单片机。DHT11工作电压3.3-5.5V，测量温度0～50℃，采用单总线与微处理器通信，外接一约5kΩ上拉电阻，总线闲置时，状态为高电平，主从结构中只有主机呼叫从机时，从机才能应答。

DHT11有电源VDD、接地GND、双向数据DATA三个引脚，DATA连单片机通用输入输出口，一次传送40位5字节温湿度数据，由高到低依次送出：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和，校验和为前四个字节相加。

5 逻辑模块的设计

上述三种信号只要一项达到危险条件就启动报警模块。方案一采用2输入四或门的7432或门芯片，三个信号接1、2、5口，输出3与4连，输出6接负载。方案二采用STC89C52单片机，当热释电红外传感器有信号、金属接近传感器无信号、DHT11温湿度传感器温度达到50℃三种情况有一项达到报警指标，即P1.1收到高电平信号，P1.2收到低电平信号，P1.3大于50℃信号，P1.4输出信号高电平，蜂鸣器鸣叫或触发继电器，达到报警效果。

6 报警模块的设计

报警模块采用蜂鸣器或继电器，5V有源蜂鸣器内部有一简单振荡电路，将直流电转为一定频率的脉冲信号，实现磁场交变，带动钼片振动发音。SRD-05VDC-SL-C继电器为电控制开关，2脚分接5V和地，3脚分为常开、常闭和公共端，输入电流达到规定要求时，内部线圈产生电磁感应，内部触点开关打向常开端;当输入电流小于规定要求时，内部线圈电磁感应消失，内部触点开关打向常闭端。

7 整体功能模块集成及结果分析

在系统中，传感器采集到危险信号，传给逻辑处理模块，驱动报警电路进行报警。

系统集成后按原理图用万用表对电路板进行逐一测试排查虚焊、短路，看极性元件有否焊反，采用接触式上电方法对电路进行上电测试，检查芯片表面是否发热，若有关闭电源，无异常对电路板进行长时间供电，对电路进行功能测试。经系统测试，人体或金属进入检测区域、环境温度升到50℃以上时，产生报警信号。

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[通联编辑：梁书]