红外检测系统的设计
红外检测系统的设计
摘 要
红外技术已成为当今先进科学技术的重要组成部分，它在各领域中都得到广泛的应用。而红外检测技术又是红外技术应用的关键技术。文章旨在介绍实用红外检测系统电路设计方法，以及阐述基于CPLD的红外控制系统的实际应用。
关键词：红外检测；信号采集；CPLD
综 述
红外技术是研究红外辐射的产生、传播、转化、测量及其应用的技术科学，其研究范围相当广泛，主要包括红外辐射特性及背景特性；红外元件和部件的研制；由各种红外元部件构成系统的光学、电子学和精密机械；红外技术的应用等四个方面。
红外检测技术是红外技术应用的关键技术。在研究红外检测技术中，应从以下方面入手：首先，产生红外辐射的物体就是红外辐射源。在自然界中，任何温度高于绝对零度（0°K 或-273°C）的物体都会向外辐射各种波长的红外线，物体的温度越高，其辐射红外线的强度也越大。根据各类目标和背景辐射特性的差异，就可以利用红外技术在白天和黑夜对目标进行探测、跟踪和识别，以获取目标信息。其次，红外检测系统主要是一个红外接收系统。红外接收系统接收的是红外辐射，它所输出信号与可见光相比具有一定的差异。一般说来，它所输出的是高背景、低反差的信号，其动态范围比较宽、信噪比较低。再次，当红外接收系统距离目标较远时，接收到的红外辐射非常小，产生的信号也非常微弱；而当红外接收系统距离目标较近时，接收到的红外辐射非常强。本文就红外检测系统电路设计方法进行初步探讨。
1. 红外信号的采集
红外检测系统设计是基于红外信号采集系统的设计基础之上。因此，首先要明确红外信号采集系统的设计。世界上一切物体每时每刻都在向外发射红外线，无论白天黑夜，空间都充满了红外线。但不论强弱，人们都看不到红外线。因此，必须借助信号采集系统收集红外线。红外信号采集系统可以由热释电红外探测模块构成，也可以由一对红外发光二极管和基本单元电路组成。
1.1 热释电红外探测模块
热释电红外探测模块是一种专用的传感器，它的内部含有高灵敏度红外传感器、带通放大器、滤波器、信号处理电路、延时电路和高、低电平输出电路等，当防范区内无人移动时，即红外探测器件没有接收到移动人体辐射出的红外信号时，整个模块处于静止状态；当有人进入监视场内时，红外探测器件检测到移动人体辐射出的微弱红外能量，通过放大、滤波后，由比较电路进行比较鉴别，再经信号处理电路处理和延时后，由驱动级输出高、低电平信号。图1是典型的热释电红外探测模块的内部组成框图。
图1 热释电红外探测模块的内部组成框图
2.2 红外发光二极管和基本单元电路组成的信号采集系统
当外界温度接近人体温度时，由热释电红外探测模块构成的信号采集系统容易产生虚警。因而我们采用由红外发光二极管和基本单元电路组成的主动式信号采集系统。它由接收和发射两部分电路组成，通过发射端主动发射红外线，接收端接收红外线，形成红外线的网状。这种探测器不会因小宠物穿越或气候的影响而产生警情误报，从而最大限度降低误报率。
主动式信号采集系统按红外发射二极管和接收二极管所处的位置不同，又分为直接式和反射式。所谓直接式是指发射二极管和接收二极管处于相对的位置，当监控区无人时，高灵敏红外接收电路能接收到发射电路发出的红外信号，而当有人闯入监控区时，由于人体的遮挡，接收电路收不到发射电路发出的红外信号，这种电路的缺点是红外接收电路一直处于工作状态，且红外线网的面积不易改变，监控范围小；反射式是指发射二极管和接收二极管处于同一侧，当监控区无人时，红外接收电路收不到发射电路发出的红外信号，而当有人闯入监控区时，通过人体的反射，接收电路才能收到发射电路发出的红外信号，这种电路的优点在于只有监控区有人时，接收电路才工作，并且通过调节发射二极管和接收二极管的位置，能形成红外线扇形网，监控范围大。
在红外发射电路中，红外发光二极管应工作于脉冲状态，因为脉冲调制光与直流光相比，一方面增强了抵御环境杂散光和机电干扰的能力；另一方面，由于发光管工作于脉冲状态，其寿命相对延长；再者，红外发光二极管发射的红外线控制相应的受控装置，其控制的距离与发射功率成正比. 而脉动光（调制光）的有效传送距离与脉冲的峰值电流成正比，因此只需尽量提高峰值Ip，就能增加红外光的发射距离. 而提高Ip的方法是减小脉冲占空比，如一些彩电红外遥控器，其红外发光管的工作脉冲占空比约为1/4-1/3；而一些电气产品红外遥控器，其占空比是1/10。
要使红外发光二极管产生调制光，只需在驱动管上加上一定频率的脉冲电压。图2 是由CD4069和一对红外发光二极管组成的红外发射电路。驱动管上的脉冲电压的占空比可以通过调节R9、W1和C10来改变。
图2 红外发射电路
3 红外检测系统的设计
用红外发光二极管发射红外线去控制受控装置时，受控装置中均应有相应的红外光一电转换元件，如红外接收二极管，光电三极管等。红外检测系统主要是一个红外接收系统。它由红外接收二极管、专用的红外接收前置放大模块uPC1373等组成。uPC1373是一个8端元件，使用单电源+9V，具有功耗低、抗干扰能力强、输入灵敏度高、增益高等特点。它的工作原理是：首先，通过红外接收二极管将接收到的脉冲调制红外光信号转化为电信号，再由前置放大器和自动增益控制电路进行放大处理。然后，通过带通滤波器进行滤波，滤波后的信号由解调电路进行解调。最后，由输出级电路进行反向放大输出。图3是它的基本组成电路。
图3 红外接收系统基本组成电路
uPC1373H、CX20106A等红外接收专用放大电路是前些年常用的放大器件。最近几年不论是业余制作还是正式产品，大多都采用成品红外接收头。成品红外接收头均有三只引脚，即电源正（VDD）、电源负（GND）和数据输出（VO或OUT）。它优点是不需要复杂的调试和外壳屏蔽，使用起来如同一只三极管，非常方便。
由红外检测系统输出的电信号，幅度小，带载能力差，不能直接驱动后续电路。为此，我们将红外检测系统输出的电信号送普通放大电路放大（如uA741），再送锁相环KA567。当红外接收二极管接收不到红外光时，锁相环输出高电平；一旦红外接收二极管接收到红外光，且输出信号的频率和电路内部自身的中心频率（本电路设为430 Hz）一致时，电路输出为低电平。KA567的基本功能是：当器件第3脚输入的信号幅度＞25 mV，并且频率在器件带宽内时，第8脚由高电平变为低电平作为逻辑输出。中心频率
，捕捉带宽由C19决定。
可见，加入锁相环KA567之后，提高了系统的稳定性（红外检测系统输出的信号，如果频率和电路的中心频率不一致，则锁相环仍输出高电平），并且由锁相环输出的高、低电平带载能力强，可直接用来控制继电器、单片机等等后续电路，进一步开发应用于各种红外监控等场所。另外也可将锁相环输出的信号送到基于CPLD的可编程逻辑控制器，以实现报警、数据存储等功能，应用前景广泛。图4是KA567的工作原理图。
图4 KA567的工作原理图
尽管红外检测电路的设计多种多样，但在红外信号放大后，用锁相环电路来处理电信号，会使得电路的设计和调试变得简单、可靠，增强了系统的抗干扰性能，也将使红外技术的应用更广泛。
本电路红外监控距离为2-3 m，通常希望增大红外监控范围。增大红外监控距离的方法有：（1）使用大功率红外发光二极管并增大驱动电流；（2）减小红外发光管的工作脉冲占空比；（3）加聚光透镜。另外可在接收二极管前加红色有机玻璃或红色胶片，以滤除日光灯等可见光的干扰。本电路简单实用、工作可靠，可进一步开发应用于各种红外监控场所。
结 论
介绍的红外感应控制系统, 采用了单片机控制技术和红外感应技术, 是集光学、电子、单片机和机械等技术于一体的智能测控系统。
红外感应系统能用于自动淋浴器、自动门、自动烘干机、红外报警、红外遥控以及工业生产在线检测等方面, 并可开放各种类型的相关产品, 具有很好的应用前景。
参考文献
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