基于1STM8和WiFi技术的红外热释电扫描模块的设计

2017-12-28 17:29:41 来源:AET电子技术应用
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根据红外辐射特性和红外热释电传感器工作原理,设计组建了可嵌入家用电器、安保设备的基于WiFi的红外热释电扫描模块。本文组建的模块,利用红外热释电传感器对室内人体信号进行扫描采集,对嵌入设备进行控制,并通过WiFi模块向上位机程序反馈设备工作状态信息,实现与用户的互动,方便控制。
 
0引言
红外扫描识别技术在当今社会的应用越来越广泛,涉及智能安保、机器人控制、智能家居等领域。在现实场所中,由于存在一些恶劣的环境,缺乏很好的光线,因此基于可见光的人体检测无法实现,极大地限制了对于空间的监测。不同于可见光的人感应,红外热释电扫描因其具有较强的辐射能力,可以检测到在可见光波段无法检测的特定目标。但当下的红外热释电扫描技术仍存在很多不足之处,比如:红外热释电扫描误差较大,无法正确有效地识别扫描对象,需要较大体积的红外热释电模块才能有效减少误差,无法实现嵌入功能。本文将针对这些缺陷,采用合理的控制器与放大滤波设备,与微型电源模块相结合,设计出可嵌入家用设备的红外热释电扫描模块,在保证一定扫描精度的基础上,实现嵌入式设计。
 
本文以红外热释电传感技术为基础,设计组建了一套基于WiFi的红外热释电扫描模块,用于嵌入家用电器、安保设备、公共用电设施等场所。通过红外热释电设备对外界人体信号进行扫描、数据收集,将收集的数据传送给单片机,由单片机将数据传输给WiFi模块,利用无线信号将设备状态传输给用户,并利用单片机控制继电器模块,对设备进行开关控制。综上所述,为设计用于其他设备的内部嵌入的模块,需要满足制作体积小、感应范围广、灵敏度高等特点。
 
1设计方案
图1红外热释电控制模块本文主要以家用电器作为嵌入实验对象,将红外热释电扫描模块嵌入设备中,观察是否能够准确做出开关反应。整套模块采用STM8型号单片机作为核心控制器。该模块以STM8型号单片机作为控制核心,通过对单片机进行编程,利用红外热释电模块对房间内红外热源进行实时感应,当热释电感应器感应到人体热源信号时,单片机驱动继电器模块对所嵌入的设备进行开关控制,并由WiFi模块向上位机发送设备运行状态,用户可通过上位机程序对设备进行操作调控。该模块控制功能如图1所示。图1中所示模块用到的运算放大器与数模信号转换装置,通过对比进行选型,合理地选择运算放大器和数模转换电路,可以有效地提高红外热释电的感应精度,减少误差的产生。
 
 
2扫描模块硬件设计
本文设计模块需要体积微小,方便嵌入。所设计的硬件电路需要采用集成度较高的器件,本节将对模块采用的硬件型号与电路进行设计,各个基本单元的设计如下。
 
2.1STM8单片机基本单元
本文采用STM8型号单片机作为扫描模块主控制芯片,其引脚的主要连接如图2所示,除外围其他工作模块外,本模块还设计了单片机外围复位电路,当复位按键按下时,整个模块将被复位,红外热释电模块将被复位,WiFi模块也会停止收发数据,但为了保证用电器的安全,继电器模块也将控制用电器关闭。
 
 
2.2红外热释电扫描部分
红外热释电探测器的灵敏度、稳定性决定了探测器的技术指标,但是探测器能否发挥其应有的探测效果,主要还取决于与之配合的光学模块设计和信号处理电路设计。目前被动红外探测技术主要是探测移动人体红外热源。移动目标探测主要考虑两方面:一是红外传感器要能探测到目标中红外到远红外频段的热辐射,及人体热辐射频段,这主要靠热释电材料的研究和制备技术水平来保证;二是基于热释电器件频率响应的要求,将探测范围分割成若干防护区域,当红外目标在防范区域穿越时,红外传感器会输出相应热电信号。本文所设计模块采用Fresnel透镜(菲涅耳透镜)和红外滤光片来帮助红外热释电传感器扫描红外信号。菲涅耳透镜能够实现对活动目标的温度场进行不断切换。整个模块主要由菲涅尔透镜、红外热释电传感器、信号滤波放大电路等部分组成,其组成框图如图3所示。
 
 
本文所设计的红外热释电模块将扫描采集信号通过运算放大电路LM258传入单片机,LM258运算放大电路的使用,可以对热释电传感器扫描到的人体红外信号进行放大处理,放大后的信号辨识度会显著提高,能够有效地区别环境已有的红外信号与人体红外信号的不同,从而减少误差,防止模块误操作。设计电路如图4所示。图中DS205B封装方式是为了方便安装菲涅耳透镜,本文采用的DS205B红外热释电传感器利用材料自发极化随温度变化的特征来探测红外信号,采用了四灵敏元的设计方式。该种传感器可以有效抑制环境温度改变时造成的干扰,信号的输出强度较比双灵敏元的热释电传感器要强很多,其工作状态更加稳定。
 
2.3WiFi模块部分
本设计采用RT5350 CPU实现终端设备和服务器的通信,RT5350 CPU内部集成了802.11n1*1MAC/基带处理器、2.4 GHz1*1 射频单元和射频功率放大器,是一款高性能的MIPS 24Kc CPU内核(最高主频360 MHz)。RT5350芯片通过移植OPENWRT嵌入式模块,实现CPU与服务器的通信,并通过与微处理器串口UART相连,实现CPU与微处理器的信息交互。
 
 
RT5350的串口1用于和计算机通信,是RT5350微处理器的控制台。串口2和微处理器相连,将接收到的网络信息转发至串口2。RT5350芯片采用OPENWRT嵌入式模块,具有很高的扩展性,通过控制IO17端口的输出电压大小,触发继电器的断开和闭合。
 
2.4继电器模块部分
 
 
采用的继电器模块在控制电路中的工作功率不超过500 mW,远低于很多家庭用电设备的功率,利用单片机作为控制器可进行更为复杂的编程工作,便于对模块进行所需要的升级。本文所设计模块可根据用户需要进行程序编写,满足对不同用电设备的控制。其电路图如图5所示。
 
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