基于89C51和紅外對射技術的安全警示系統(tǒng)設計

　　摘要：隨著城市軌道交通的普及，地鐵候車區(qū)的安全問題日益受到重視。采用四對主動對射式紅外傳感器放置于候車區(qū)的兩端，由人眼無法看到的紅外光，形成警戒線。當有人跨越警戒線時，光線被遮擋，接收端信號發(fā)生變化，采用89C51單片機進行信號處理，驅動語音芯片ISD1 820發(fā)出語音警示信號，起到安全警示效果。同時，結合地鐵站內地鐵進站時乘客需要踩踏警戒線進入地鐵的實際情況，將地鐵進站乘客進入地鐵時警示功能設置成失效，在地鐵離站后立即恢復正常功能，并以此循環(huán)往復。該警示系統(tǒng)原理簡單，成本低廉，探測效果好，可實施性高，不僅可以在地鐵站內使用可以在很多領域內進行擴展使用。

　　關鍵詞：紅外傳感器;主動;對射式;警示系統(tǒng);89C51單片機

　　紅外線自1800年被發(fā)現(xiàn)以來，人們對紅外技術的研究從來沒有停止過，已經(jīng)開發(fā)出了眾多的應用產(chǎn)品，應用于醫(yī)療、檢測、航空和軍事等領域。由于紅外線是不可見光，具有較強的隱蔽性和保密性，因此紅外技術主要應用在探測、控制、測量等系統(tǒng)，以及防盜、警戒等安保裝置中。例如軍事或醫(yī)學領域中的紅外熱像儀測溫系統(tǒng)，民用領域內的人體識別、人體運動特征探測和速度測量，安防系統(tǒng)中的紅外報警器等。紅外報警技術是其中最重要、最普及的研究領域之一，隨著集成電路技術和智能信息處理技術的發(fā)展，紅外報警技術逐步走向成熟，設備趨向小型化和智能化，其應用也從最初的軍用，逐漸過渡到公共場合中的警示系統(tǒng)、居民住宅中的防盜系統(tǒng)、事業(yè)單位的防入侵系統(tǒng)等。

　　近年來，隨著社會的快速進步和城市的大力建設，城市軌道交通，也即地鐵，已逐漸成為城市的交通命脈和人們主要的交通工具。對射式紅外傳感器已經(jīng)應用于地鐵閘機的人體識別系統(tǒng)中。但是，地鐵快速、無人售票等特點帶來的安全隱患也相應增加，再加上乘客安全意識不足，導致與地鐵相關的交通事故屢屢發(fā)生，因此安全隱患的消除是目前相關部門急需解決的問題之一。本文設計的人體紅外警示系統(tǒng)旨在解決這一問題。該系統(tǒng)采用紅外對射技術采集報警信號，經(jīng)過單片機進行處理，發(fā)出語音警示信號，提示跨越安全警示線的乘客退回到安全候車區(qū)。

　　目前，在地鐵站已經(jīng)有一些報警系統(tǒng)投入使用，但均有成本高昂等缺陷，本文設計的紅外報警系統(tǒng)成本則相對低廉，只需一塊89C51單片機P89V51RD2、一個語音錄放模塊(ISD1820)和外圍紅外探測電路即可達到報警效果，前景相當可觀。

　　1 紅外線報警技術

　　紅外探測系統(tǒng)是用物理方法或電子技術，自動探測發(fā)生在布防監(jiān)測區(qū)域內的侵入行為.產(chǎn)生報警信號，并輔助提示值班人員發(fā)生報警的區(qū)域部位，顯示可能采取對策的系統(tǒng)。

　　紅外探測技術由于其與人體的關系在報警系統(tǒng)中的應用占據(jù)了相當大的一部分。紅外報警器分為主動式和被動式兩種。被動式紅外探測器主要由光學系統(tǒng)、紅外探測器件(紅外傳感器)及報警控制器等部分組成，如圖1所示。紅外傳感器作為紅外接收部分，其本身不發(fā)射任何能量而只被動接收、探測來自環(huán)境的紅外輻射，通過光學系統(tǒng)的配合作用，它可以探測到位某一個立體防范空間內的熱輻射的變化。當有人體在探測區(qū)域內走動時，就會造成紅外熱輻射能量的變化。紅外傳感器將接收到的活動人體與背景物體之間的紅外熱輻射能量的變化轉換為相應的電信號，經(jīng)適當?shù)奶幚砗?，送往報警控制器，發(fā)出報警信號。

　　主動式紅外探測器，也稱對射式紅外傳感器，全名叫“光束遮斷式感應器”，是一種能檢測人體發(fā)出的特定波長紅外線的敏感元件。紅外對射式探測器由瞄準孔、光束強度指示燈、球面鏡片、LED指示燈等組成。其偵測原理是利用紅外線經(jīng)LED紅外光發(fā)射二極體，再經(jīng)光學鏡面做聚焦處理使光線傳至很遠距離，由受光器接收，當光線被遮斷時就會給出報警信號。紅外對射報警器由收、發(fā)裝置兩部分組成，如圖2所

　　示。發(fā)射裝置向裝在幾米遠的接收裝置輻射一束紅外線，當被遮斷時，接收裝置即發(fā)出報警信號。

　　被動紅外技術基本應用于室內防范，而主動紅外技術不僅可用于室內還可用于室外，并具有隱蔽性強、靈敏度高等特點。此外，由紅外對射管構成的探測裝置一般在6～15米的距離之內準確地感測運動人體的存在，較之微波、超聲探測方式具有穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、耗電微、敏感度高，且能準確鑒別生物體和非生物體的運動，誤報率低，目前被認為是最可靠的人體探測技術。因此，本論文所設計的地鐵安全警示系統(tǒng)，主要采用主動式紅外對射報警器的設計模式。

　　2 系統(tǒng)結構與工作原理

　　文中所設計的地鐵安全警示系統(tǒng)主要運用紅外線檢測、信號傳輸和單片機控制等技術。將該報警器安裝在地鐵站的黃線警示線的兩端，采用紅外對射技術對人侵信號進行檢測，若有人踩踏黃線，進入警示區(qū)，則光線被遮斷，系統(tǒng)就會采集到入侵信號，傳遞給核心控制單片機，發(fā)出警示信號。結合地鐵站的實際情況，可以在每個地鐵門的兩端放置一對紅外對射設備，并在每個地鐵門前安裝一個帶有紅色警示燈的語音警示模塊(ISD1820)，從而實現(xiàn)一塊單片機集中處理入侵信號，各個地鐵門分開報警的功能。

　　當光束遮斷式感應器檢測到入侵信號時，將該入侵信號的輸出端接向單片機P89V51RD2的管腳上，通過在C語言環(huán)境下對該信號進行處理，使用P89V51RD2的控制功能，用以驅動語音錄放模塊，發(fā)出“請在黃線外候車”的語音警示信號，再配合警示燈實時亮紅燈，達到報警效果。并在C語言環(huán)境下設置延時，以實現(xiàn)當?shù)罔F進站乘客踩踏警戒線上車時報警功能失效，在地鐵離站后立即恢復正常，并以此循環(huán)往復，從節(jié)約單片機資源、充分利用單片機管腳的角度出發(fā)，可是使用一塊P89V51RD2去控制4個紅外對射設備，從而實現(xiàn)一塊P89V51RD2控制多個地鐵門的功能，而且相互不干擾。再者，對開發(fā)板上的數(shù)碼管編程設置一個電子表，使其與報警系統(tǒng)啟動開始同步實時顯示系統(tǒng)運行時間，以方便工作人員進行管理。

　　系統(tǒng)設計的總體結構和電路原理圖如圖3所示，電路設計軟件的限制，圖中用蜂鳴器模擬語音錄放模塊(ISD1820)。結合系統(tǒng)設計總體結構圖，可將系統(tǒng)總體功能劃分為硬件和軟件兩方面分別進行設計。系統(tǒng)硬件設計部分主要完成發(fā)送端和接收端的電路設計，語音報警電路設計，及其與核心控制單片機的接口電路等。系統(tǒng)軟件設計部分主要指進行核心信號處理的89C51單片機的C語言程序結構規(guī)劃和內容設計。