热释电红外传感器应用与车流量检测系统
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任何发热物体都会产生红外线 ,而凡是温度高于绝 对零度的物体都是红外辐射源 。环境与自身的温度变 化由其内部结构决定了不向外输出信号 ,而传感器的低
修改稿收到日期 : 2009 - 08 - 14。 第一作者王捷 ,男 , 1962年生 , 1984年毕业于天津大学自动化仪表专 业 ,讲师 ;主要从事自动化仪表方面的研究 。
部分红外线的干扰 [2] 。热释电红外传感器以非接触形 式检测来自外界物体放射出的微弱红外线能量 ,并转化 成电信号输出 。它既有主动式又有被动式 。被动式热 释电红外传感器本身不产生任何类型的辐射 ,功耗小且 价格低廉。但是热释电传感器也有缺点 ,如信号幅度 小 ,易受各种热源、光源以及射频辐射的干扰。
Abstract: In traffic control, the flow rate of vehicles is one of the critical factors to decide the control strategy. By using pyroelectric infrared
sensors, the automatic counting and detecting system for flow rate of vehicles has been designed. In this detecting system , the pyroelectric infra2
《自动化仪表 》第 31卷第 3期 2010年 3月
73
热释电红外传感器应用与车流量检测系统 王 捷 ,等
4 车流量检测系统
车流量检测系统由热释电红外传感器检测电路 、 放大电路 、单片机 AT89C51、MAX813L 组成的看门狗 电路 、串行 E2 PROM 存储器电路和液晶显示器电路等 组成 。该系统可以实现对应车道的车流量显示 [6 ] 。车 流量检测系统的方案设计如图 2所示 。
Keywords: Detection Amp lifying circuit Pyroelectric Infrared sensor Flow rate of vehicles Count
0 引言
是热释电效应 ,它是一种温度敏感传感器 。当传感器 监测范围内温度有 ΔT 的变化时 ,热释电效应会在两
为了提高物体辐射的红外线在大气中的对比度 , 传感器的光谱带要与大气窗口相吻合 ,通常在热释电 传感器前加装一块光学干涉滤光片 。滤光片能使带宽 内的红外辐射有效通过并抑制带宽外的红外辐射 ,排 除了近红外辐射对热释电传感器的干扰 。
红外辐射的物理本质是热辐射 ,是由于物体内部 分子的转动及振动而产生的 。这类振动是由物体受热 而引起的 。在常温下 ,所有物体都是红外辐射源 ,如火 焰 、汽车 、动植物等都是红外辐射源 。但发射的红外波 长不同 ,红外线和所有电磁波一样 ,具有反射 、折射 、干 涉和吸收等特性 ;且温度愈低的物体 ,其辐射的红外线 波长愈长 。
如图 4所示 。
图 2 车流量检测系统框图 Fig. 2 B lock diagram of the detection system
for flow rate of vehicles
热释电红外传感器安装于道路上方适当的高度位 置 。当有车辆通过时 ,传感器输出的微弱信号被送到 检测放大电路 ,经放大整形后输出脉冲信号 ,最终形成 矩形脉冲送入单片机进行计数 ,再通过液晶显示器显 示 。设计电路包含滤波电路 、二级放大电路 ,以及窗口 比较电路 ,其中单片机选用 AT89C51。
1. 1 热释电效应原理 当一些晶体受热时 ,在晶体两端会产生数量相等
而极性相反的电荷 ,这种由热变化产生的电极化现象 被称为热释电效应 。当温度变化时 ,晶体结构中的正 负电荷重心发生相对移位 ,晶体表面产生电荷耗尽 ,电 荷耗尽的状况正比于极化程度 。热释电传感器利用的
成。其中 ,滤光片设置在窗口处 ,组成红外线通过的窗 口 ,即滤去无用的红外线 ,让有用的红外线进入窗口 ;场 效应管起到阻抗变换的作用 ;热释电元件将红外信号的 微弱变化转变为电信号 。 1. 2 热释电红外传感器的性能
重要 。车流量检测的方法一般采用在路面埋设地感线 电荷 ΔQ 会与空气中的离子所结合而消失。当环境温
圈和红外检测两种方式 。由于红外检测方式具有工程 度稳定不变 ,即 ΔT = 0时 ,传感器无输出 ;当检测区间的
量小的优点 ,因此 ,本文采用了红外检测方式对车流量 温度分布发生变化产生 ΔT时 ,则有信号输出 ;当检测区
单片机 T1 工作在定时中断方式 ,其主要用于分析 在一定时间内 T0引脚产生的脉冲序列 ,并进行相应判 断 ,从而得到准确的车流量结果 。
车流量检测装置通过道路测试 ,记录的输出波形 如图 3所示 。图中信息表明了车辆通过时的红外特 征 ,且通过判别分组内的高低电平和组与组之间的间 隔 ,可以得到车流量信息 。
王 捷 1 艾 红 2
(北方工业大学自动化及现场总线北京市重点实验室 1 ,北京 100144;北京信息科技大学自动化学院 2 ,北京 100192)
摘 要 : 在道路交通管理过程中 ,车流量是决定控制策略的关键因素之一。利用热释电红外传感器 ,设计了车流量自动计数检测系统。 该红外检测系统采用红外传感器作为探头来检测外界是否有车辆通过 ,红外传感器输出的微弱电信号经运算放大器放大以及比较器电 路滤除干扰后 ,由单片机进行脉冲序列的分析 ,从而完成对车流量的检测。整个系统成本低 ,在未来应用中将有很大的发展空间。 关键词 : 检测 放大电路 热释电 红外传感器 车流量 计数 中图分类号 : TP274. 5 文献标志码 : A
red sensors are used to detect if any vehicle is passing, the weak signal output of the sensor is amp lified through the operation amp lifier; and in2
热释电红外传感器应用与车流量检测系统 王 捷 ,等
热释电红外传感器应用与车流量检测系统
App lica tio n o f Pyro e le c tric Infra re d Se n so r and M o n ito ring Sys tem fo r Flow Ra te o f Ve h ic le s
图 1中 : PT为高灵敏度热释电红外传感器 ,放大 器选用 LM324 集成运算放大器 。当检测区间有车辆 通过时 , PT输出相应的电压脉冲信号 ,经 U1D 放大 、电 容 C5隔直后 ,由 U1 C 进行第二级放大 ,输出信号进入 窗口电压比较器 。电位器 RW2决定了一个窗口电压 区间 ,低于该电压区间 ,则或门 U3 A 输出为低电平 ;高 于该电压区间 ,则或门 U3 A 输出为高电平 。或门的输 出与单片机 T0 端和 INT0端同时相连接 。R2和 C1构成 阻容滤 波 , 其 他 滤 波 电 路 根 据 测 试 情 况 进 行 调 整 。 RW1是对放大倍数进行调整 。
在城市管理和维护过程中 ,交通道路的建设尤为 个电极上产生电荷 ΔQ ,并在两电极之间产生一个微
重要 ,合理的安排道路可以保证人们日常工作生活的 弱电压 ΔV [1 ] 。
需要 。在市区道路车流管理过程中 ,车流量是分析道
由于热释电元件的输出阻抗极高 ,因此 ,传感器中
路情况的重要指标 ,因此 ,车流量检测的研究也越来越 有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的
的正确显示 [7 ] 。液晶显示采用串行接口方式 ,因此 ,在 编写程序时 ,时序很复杂 ,需要严格按照时序来完成 。 如果将一个八位数据送入液晶显示器 ,则首先须定义 一个变量 mybit2 作为需要传送数据的第 7 位 ,每传送 一个位数据 ,就使用 x = x << 1 左移指令 ,使得下一位 又变为第 7位 ,循环八次可以将一个字节的八位数据 写入到液晶显示器中 。车流量检测系统基本软件流程
图 4 车流量检测系统软件流程图 Fig. 4 Software flowchart of the detection system
在不同条件下 ,如冬季和夏季 ,采集波形的数据和 设计的电路参数可能会作修改 。因此 ,在今后的研究 中 ,需要采集更多的信息进行分析和整理 ; 同时 ,通过 实验测试 ,并收集不同天气和路况的车辆类型实验数 据 ,对电路和判断程序进行调整 ,使车辆检测系统能在 多种情况下工作 ,以适应不同的工作环境和状况下的 车辆信息 。为防止车辆之外人员引起的误检 ,可将传 感器安放于道路的正上方 ,并根据人的移动和车辆移 动的差别 ,忽略行人所引起的脉冲信号 。
3 车流量检测放大电路
在本设计中 ,采用新型热释电红外传感器探测外 界信息 ,并将其转换成微弱的电信号输出 [4 ] ,再经运算 放大器放大及比较器滤去干扰后 ,所得信号被送入单 片机以启动计数器计数 ,最后通过液晶显示器显示 。 检测放大电路的原理图如图 1所示 。
图 1 检测放大电路原理图 Fig. 1 Princip le of the detecting and amp lifying circuits
当 U1 C的输出在 V1 (U1 B - )和 V2 (U1 A + ) 之间 时 ,比较器 1 (U1B )和比较器 2 (U1A)均输出低电压 ,或 门 U3A输出为低电平 ;当 U1 C的输出高于 V1 (U1 B - ) 时 ,比较器 1 (U1 B )输出高电平 ,或门 U3 A 输出为高电 平 ; U1 C的输出低于 V2 (U1A + ) 时 ,比较器 2 (U1A)输出 高电平 ,或门 U3A 输出为高电平 ,即 U1 B 和 U1 A 的输 出经逻辑或输出脉冲信号到单片机 。变阻器 RW2用 于设定窗口的阀值电平 , RW1和 RW2可调节检测放大 电路的灵敏度 ,使得低于车辆红外特征的干扰信号被 滤除 [ 5 ] 。
terference is filtered out by the comparer. Finally, the pulse sequence analysis is conducted in single chip computer, thus the flow rate of vehi2
cles is detected. The whole system is in low cost, so it possesses large develop ing space in future.
频响应和特定的红外波长响应决定了传感器只对外界 的红外辐射敏感并引起本身的温度变化 ,即只对相关物 体的运动敏感。因此 ,传感器可以抵抗可见光及其中大
72
PROCESS AUTOM AT IO N INSTRUM ENTAT IO N Vol131 No13 M arch 2010
热释电红外传感器应用与车流量检测系统 王 捷 ,等
菲涅耳透镜的工作原理是当移动物体发射的红外 线进入透镜的监视范围时 ,透镜会产生一个交替的“盲 区 ”和“高敏感区 ”,从而使传感器晶片的两个反向串联 的热释电元件轮流感受到运动物体 ,此时 ,物体的红外 辐射以光脉冲的形式不断改变热释电元件的温度 ,使它 输出一串脉冲信号 。如果物体静止不动地位于热释电 元件前 ,红外元件将会无输出 [3 ] 。
进行检测 ,即利用热释电传感器为核心元件 ,配以相应 间的温度分布保持稳定时 ,传感器没有输出。因此 ,传
的测量电路和单片机 ,实现车流量的自动检测 、判别 、 感器能够根据温度场的变化检测物体的移动状态。传
计数和数据传输等功能 。
感器主要由外壳 、滤光片 、热释电元件 、场 效 wenku.baidu.com 管 等组
1 热释电红外传感器的性能
2 菲涅尔透镜的应用
使用热释电红外传感器时 ,其表面必须罩上一块菲 涅尔透镜 。所谓的菲涅尔透镜就是一种特殊设计的 、由
塑料制成的光学透镜组 ,是根据菲涅耳原理制成的。它 把红外光线分成可见区和盲区 ,具有聚焦的功能 ;其与 热释电元件配合 ,可以提高传感器的灵敏度 ,扩大监视 范围。菲涅耳透镜有折射式形式 ,它的聚焦作用是增加 灵敏度 ,使进入检测区的移动物体能以温度变化的形式 影响红外传感器 ,这样红外传感器就能产生变化的电信 号。当传感器加上菲涅尔透镜后 ,其检测距离大约可以 增加到原来的五倍 。
修改稿收到日期 : 2009 - 08 - 14。 第一作者王捷 ,男 , 1962年生 , 1984年毕业于天津大学自动化仪表专 业 ,讲师 ;主要从事自动化仪表方面的研究 。
部分红外线的干扰 [2] 。热释电红外传感器以非接触形 式检测来自外界物体放射出的微弱红外线能量 ,并转化 成电信号输出 。它既有主动式又有被动式 。被动式热 释电红外传感器本身不产生任何类型的辐射 ,功耗小且 价格低廉。但是热释电传感器也有缺点 ,如信号幅度 小 ,易受各种热源、光源以及射频辐射的干扰。
Abstract: In traffic control, the flow rate of vehicles is one of the critical factors to decide the control strategy. By using pyroelectric infrared
sensors, the automatic counting and detecting system for flow rate of vehicles has been designed. In this detecting system , the pyroelectric infra2
《自动化仪表 》第 31卷第 3期 2010年 3月
73
热释电红外传感器应用与车流量检测系统 王 捷 ,等
4 车流量检测系统
车流量检测系统由热释电红外传感器检测电路 、 放大电路 、单片机 AT89C51、MAX813L 组成的看门狗 电路 、串行 E2 PROM 存储器电路和液晶显示器电路等 组成 。该系统可以实现对应车道的车流量显示 [6 ] 。车 流量检测系统的方案设计如图 2所示 。
Keywords: Detection Amp lifying circuit Pyroelectric Infrared sensor Flow rate of vehicles Count
0 引言
是热释电效应 ,它是一种温度敏感传感器 。当传感器 监测范围内温度有 ΔT 的变化时 ,热释电效应会在两
为了提高物体辐射的红外线在大气中的对比度 , 传感器的光谱带要与大气窗口相吻合 ,通常在热释电 传感器前加装一块光学干涉滤光片 。滤光片能使带宽 内的红外辐射有效通过并抑制带宽外的红外辐射 ,排 除了近红外辐射对热释电传感器的干扰 。
红外辐射的物理本质是热辐射 ,是由于物体内部 分子的转动及振动而产生的 。这类振动是由物体受热 而引起的 。在常温下 ,所有物体都是红外辐射源 ,如火 焰 、汽车 、动植物等都是红外辐射源 。但发射的红外波 长不同 ,红外线和所有电磁波一样 ,具有反射 、折射 、干 涉和吸收等特性 ;且温度愈低的物体 ,其辐射的红外线 波长愈长 。
如图 4所示 。
图 2 车流量检测系统框图 Fig. 2 B lock diagram of the detection system
for flow rate of vehicles
热释电红外传感器安装于道路上方适当的高度位 置 。当有车辆通过时 ,传感器输出的微弱信号被送到 检测放大电路 ,经放大整形后输出脉冲信号 ,最终形成 矩形脉冲送入单片机进行计数 ,再通过液晶显示器显 示 。设计电路包含滤波电路 、二级放大电路 ,以及窗口 比较电路 ,其中单片机选用 AT89C51。
1. 1 热释电效应原理 当一些晶体受热时 ,在晶体两端会产生数量相等
而极性相反的电荷 ,这种由热变化产生的电极化现象 被称为热释电效应 。当温度变化时 ,晶体结构中的正 负电荷重心发生相对移位 ,晶体表面产生电荷耗尽 ,电 荷耗尽的状况正比于极化程度 。热释电传感器利用的
成。其中 ,滤光片设置在窗口处 ,组成红外线通过的窗 口 ,即滤去无用的红外线 ,让有用的红外线进入窗口 ;场 效应管起到阻抗变换的作用 ;热释电元件将红外信号的 微弱变化转变为电信号 。 1. 2 热释电红外传感器的性能
重要 。车流量检测的方法一般采用在路面埋设地感线 电荷 ΔQ 会与空气中的离子所结合而消失。当环境温
圈和红外检测两种方式 。由于红外检测方式具有工程 度稳定不变 ,即 ΔT = 0时 ,传感器无输出 ;当检测区间的
量小的优点 ,因此 ,本文采用了红外检测方式对车流量 温度分布发生变化产生 ΔT时 ,则有信号输出 ;当检测区
单片机 T1 工作在定时中断方式 ,其主要用于分析 在一定时间内 T0引脚产生的脉冲序列 ,并进行相应判 断 ,从而得到准确的车流量结果 。
车流量检测装置通过道路测试 ,记录的输出波形 如图 3所示 。图中信息表明了车辆通过时的红外特 征 ,且通过判别分组内的高低电平和组与组之间的间 隔 ,可以得到车流量信息 。
王 捷 1 艾 红 2
(北方工业大学自动化及现场总线北京市重点实验室 1 ,北京 100144;北京信息科技大学自动化学院 2 ,北京 100192)
摘 要 : 在道路交通管理过程中 ,车流量是决定控制策略的关键因素之一。利用热释电红外传感器 ,设计了车流量自动计数检测系统。 该红外检测系统采用红外传感器作为探头来检测外界是否有车辆通过 ,红外传感器输出的微弱电信号经运算放大器放大以及比较器电 路滤除干扰后 ,由单片机进行脉冲序列的分析 ,从而完成对车流量的检测。整个系统成本低 ,在未来应用中将有很大的发展空间。 关键词 : 检测 放大电路 热释电 红外传感器 车流量 计数 中图分类号 : TP274. 5 文献标志码 : A
red sensors are used to detect if any vehicle is passing, the weak signal output of the sensor is amp lified through the operation amp lifier; and in2
热释电红外传感器应用与车流量检测系统 王 捷 ,等
热释电红外传感器应用与车流量检测系统
App lica tio n o f Pyro e le c tric Infra re d Se n so r and M o n ito ring Sys tem fo r Flow Ra te o f Ve h ic le s
图 1中 : PT为高灵敏度热释电红外传感器 ,放大 器选用 LM324 集成运算放大器 。当检测区间有车辆 通过时 , PT输出相应的电压脉冲信号 ,经 U1D 放大 、电 容 C5隔直后 ,由 U1 C 进行第二级放大 ,输出信号进入 窗口电压比较器 。电位器 RW2决定了一个窗口电压 区间 ,低于该电压区间 ,则或门 U3 A 输出为低电平 ;高 于该电压区间 ,则或门 U3 A 输出为高电平 。或门的输 出与单片机 T0 端和 INT0端同时相连接 。R2和 C1构成 阻容滤 波 , 其 他 滤 波 电 路 根 据 测 试 情 况 进 行 调 整 。 RW1是对放大倍数进行调整 。
在城市管理和维护过程中 ,交通道路的建设尤为 个电极上产生电荷 ΔQ ,并在两电极之间产生一个微
重要 ,合理的安排道路可以保证人们日常工作生活的 弱电压 ΔV [1 ] 。
需要 。在市区道路车流管理过程中 ,车流量是分析道
由于热释电元件的输出阻抗极高 ,因此 ,传感器中
路情况的重要指标 ,因此 ,车流量检测的研究也越来越 有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的
的正确显示 [7 ] 。液晶显示采用串行接口方式 ,因此 ,在 编写程序时 ,时序很复杂 ,需要严格按照时序来完成 。 如果将一个八位数据送入液晶显示器 ,则首先须定义 一个变量 mybit2 作为需要传送数据的第 7 位 ,每传送 一个位数据 ,就使用 x = x << 1 左移指令 ,使得下一位 又变为第 7位 ,循环八次可以将一个字节的八位数据 写入到液晶显示器中 。车流量检测系统基本软件流程
图 4 车流量检测系统软件流程图 Fig. 4 Software flowchart of the detection system
在不同条件下 ,如冬季和夏季 ,采集波形的数据和 设计的电路参数可能会作修改 。因此 ,在今后的研究 中 ,需要采集更多的信息进行分析和整理 ; 同时 ,通过 实验测试 ,并收集不同天气和路况的车辆类型实验数 据 ,对电路和判断程序进行调整 ,使车辆检测系统能在 多种情况下工作 ,以适应不同的工作环境和状况下的 车辆信息 。为防止车辆之外人员引起的误检 ,可将传 感器安放于道路的正上方 ,并根据人的移动和车辆移 动的差别 ,忽略行人所引起的脉冲信号 。
3 车流量检测放大电路
在本设计中 ,采用新型热释电红外传感器探测外 界信息 ,并将其转换成微弱的电信号输出 [4 ] ,再经运算 放大器放大及比较器滤去干扰后 ,所得信号被送入单 片机以启动计数器计数 ,最后通过液晶显示器显示 。 检测放大电路的原理图如图 1所示 。
图 1 检测放大电路原理图 Fig. 1 Princip le of the detecting and amp lifying circuits
当 U1 C的输出在 V1 (U1 B - )和 V2 (U1 A + ) 之间 时 ,比较器 1 (U1B )和比较器 2 (U1A)均输出低电压 ,或 门 U3A输出为低电平 ;当 U1 C的输出高于 V1 (U1 B - ) 时 ,比较器 1 (U1 B )输出高电平 ,或门 U3 A 输出为高电 平 ; U1 C的输出低于 V2 (U1A + ) 时 ,比较器 2 (U1A)输出 高电平 ,或门 U3A 输出为高电平 ,即 U1 B 和 U1 A 的输 出经逻辑或输出脉冲信号到单片机 。变阻器 RW2用 于设定窗口的阀值电平 , RW1和 RW2可调节检测放大 电路的灵敏度 ,使得低于车辆红外特征的干扰信号被 滤除 [ 5 ] 。
terference is filtered out by the comparer. Finally, the pulse sequence analysis is conducted in single chip computer, thus the flow rate of vehi2
cles is detected. The whole system is in low cost, so it possesses large develop ing space in future.
频响应和特定的红外波长响应决定了传感器只对外界 的红外辐射敏感并引起本身的温度变化 ,即只对相关物 体的运动敏感。因此 ,传感器可以抵抗可见光及其中大
72
PROCESS AUTOM AT IO N INSTRUM ENTAT IO N Vol131 No13 M arch 2010
热释电红外传感器应用与车流量检测系统 王 捷 ,等
菲涅耳透镜的工作原理是当移动物体发射的红外 线进入透镜的监视范围时 ,透镜会产生一个交替的“盲 区 ”和“高敏感区 ”,从而使传感器晶片的两个反向串联 的热释电元件轮流感受到运动物体 ,此时 ,物体的红外 辐射以光脉冲的形式不断改变热释电元件的温度 ,使它 输出一串脉冲信号 。如果物体静止不动地位于热释电 元件前 ,红外元件将会无输出 [3 ] 。
进行检测 ,即利用热释电传感器为核心元件 ,配以相应 间的温度分布保持稳定时 ,传感器没有输出。因此 ,传
的测量电路和单片机 ,实现车流量的自动检测 、判别 、 感器能够根据温度场的变化检测物体的移动状态。传
计数和数据传输等功能 。
感器主要由外壳 、滤光片 、热释电元件 、场 效 wenku.baidu.com 管 等组
1 热释电红外传感器的性能
2 菲涅尔透镜的应用
使用热释电红外传感器时 ,其表面必须罩上一块菲 涅尔透镜 。所谓的菲涅尔透镜就是一种特殊设计的 、由
塑料制成的光学透镜组 ,是根据菲涅耳原理制成的。它 把红外光线分成可见区和盲区 ,具有聚焦的功能 ;其与 热释电元件配合 ,可以提高传感器的灵敏度 ,扩大监视 范围。菲涅耳透镜有折射式形式 ,它的聚焦作用是增加 灵敏度 ,使进入检测区的移动物体能以温度变化的形式 影响红外传感器 ,这样红外传感器就能产生变化的电信 号。当传感器加上菲涅尔透镜后 ,其检测距离大约可以 增加到原来的五倍 。