CN106354057B - 摄像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种摄像装置，通过菲涅尔透镜及红外传感模块检测物体运动，在菲涅尔透镜接收到红外辐射信号时，将该红外辐射信号发送给红外传感模块处理。然后经由运算放大模块的滤波放大、差动放大模块的差动放大处理，最后由A/D转换器转换后发送给控制模块。控制模块用于将所述数字信号与设定的阈值进行比较，若该数字信号大于所述设定的阈值，则认为检测到有物体运动。由于红外辐射信号经过一系列的放大处理，因而在红外辐射信号值较小时，也能放大到控制模块能够的处理的程度，使得菲涅尔透镜检测的红外辐射信号值可处理范围变大，因此，摄像装置能够自动调整检测距离，使得警戒距离的范围可调。

Description

摄像装置
技术领域
本发明涉及摄像装置，特别是涉及在特定区域以固定菲涅尔透镜尺寸大小来自动调整警戒距离的摄像装置。
背景技术
目前几乎所有的人体运动检测传感器都使用了热释电传感器，在被动红外探测器的关键性元件是热释电红外传感器(PIR)它能将波长为8-12um之间的红外信号变化转变为电信号。因此在被动红外探测器的警戒区内，当无人体移动时，热释电红外感应器到的只是背景温度，当人体进入警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应到的是人体温度与背景温度的差异电信号。
基于目前红外热释电探测器的应用距离主要受控于菲涅尔透镜的尺寸大小。在应用情况下往往需要更换不同型号尺寸的透镜，对产品ID设计和结构设计都带来了很大的挑战，而且对实际探测场景的也造成一定的局限性，使得菲涅尔透镜尺寸大小固定时，菲涅尔透镜的监控距离无法调整。
发明内容
基于此，有必要提供一种在特定区域以固定菲涅尔透镜尺寸大小来自动调整警戒距离的摄像装置。
一种摄像装置，用于自动调整监控距离，包括菲涅尔透镜、红外传感模块、运算放大模块、差动放大模块、A/D转换器及控制模块；
所述菲涅尔透镜覆盖于所述红外传感模块的辐照面；所述红外传感模块连接所述运算放大模块，所述差动放大模块分别连接所述运算放大模块及所述控制模块；
所述菲涅尔透镜用于检测红外辐射信号，并将所述红外辐射信号发送给所述红外传感模块；所述红外传感模块接收红外辐射信号后输出模拟交流信号，并将所述模拟交流信号输出给所述运算放大模块；所述运算放大模块用于对所述模拟交流信号进行滤波放大；所述差动放大模块用于对滤波放大后的模拟交流信号进行差动放大处理，并将处理后的模拟交流信号输出给所述A/D转换器；所述A/D转换器用于将所述模拟交流信号转换成成数字信号，并将所述数字信号发送给所述控制模块；所述控制模块用于将所述数字信号与设定的阈值进行比较，若该数字信号大于所述设定的阈值，则认为检测到有物体运动。
在其中一个实施例中，所述红外传感模块包括热释电红外传感器U2、保险丝FB1、电容C26、电阻R38及电容C27；
所述保险丝FB1、所述电阻R28、所述电容C27依次串联于电源与接地之间；所述电容C26一端接所述保险丝FB1与所述电阻R38的公共连接点，另一端接地；所述热释电红外传感器U2的电源端接所述电阻R38与所述电容C27的公共连接点，所述热释电红外传感器U2的接地端接地，所述热释电红外传感器U2的输出端接所述运算放大模块。
在其中一个实施例中，所述热释电红外传感器包含两个以上互相串联或并联的热释电单元。
在其中一个实施例中，所述运算放大模块包括运算放大器U5、电容C15、电阻R22、电阻R29、电容C19、电容C11、电容C12、电容C13、电阻R18、电阻R19、电容C18、电阻R23、电阻R30、电阻R24、电容C16及电容C17；
所述电阻R18、所述电容C12、所述电容C11、所述电阻R22、所述电阻R29、所述电容C19依次串联于所述运算放大器U5的VINB-端与接地之间；
所述电容C15与所述电阻R22并联，所述电容C15与所述电阻R22的公共连接点分别连接所述运算放大器U5的VOUTA端、所述电容C15与所述电阻R22及所述电阻R29的公共连接点连接所述运算放大器U5的与VINA-端；
所述电阻R23与所述电阻R30串联于电源与接地之间，所述电阻R23与所述电阻R30的公共连接点接所述运算放大器U5的VINB+端；
所述电容C18与所述电阻R30并联；
所述电阻R24两端分别接所述运算放大器U5的VOUTB端及VINB-端；所述电容C17与所述电阻R24并联；
所述电容C16一端接所述运算放大器U5的VOUTB端，另一端接地；
所述运算放大器U5的VINA+端接所述红外传感模块、VOUTB端接所述差动放大模块。
在其中一个实施例中，所述运算放大器U5的型号为SGM8142YS8G/TR。
在其中一个实施例中，所述差动放大模块包括电阻R25、电阻R21、电阻R26、电容C24、电容C25、电容C29、电容C30、电阻R27、保险丝FB2及单片机U6；
所述电阻R21一端接所述运算放大模块，另一端接所述单片机U6的AX+端；所述电阻R25一端接所述运算放大模块，另一端接地；所述电阻R26一端接所述运算放大模块，另一端接所述单片机U6的AX-端；
所述电容C24一端接所述电阻R21与所述单片机U6的公共连接点，另一端接地；所述电容C25一端接所述电阻R26与所述单片机U6的公共连接点，另一端接地；所述电容C29一端接所述单片机U6的P1.2端，另一端接地；
所述保险丝FB2一端接电源，另一端接所述单片机U6的电源端；
所述电容C30一端接所述单片机U6的电源端，另一端接地；所述电阻R27一端接所述单片机U6的RST端，另一端接地；所述单片机U6的P2.6端接所述A/D转换器。
在其中一个实施例中，所述单片机U6的型号为MPS430。
在其中一个实施例中，所述A/D转换器为16位ADC转换器。
在其中一个实施例中，所述控制模块包括微控制器。
上述摄像装置通过菲涅尔透镜及红外传感模块检测物体运动，在菲涅尔透镜接收到红外辐射信号时，将该红外辐射信号发送给红外传感模块处理。然后经由运算放大模块的滤波放大、差动放大模块的差动放大处理，最后由A/D转换器转换后发送给控制模块。控制模块用于将所述数字信号与设定的阈值进行比较，若该数字信号大于所述设定的阈值，则认为检测到有物体运动。由于红外辐射信号经过一系列的放大处理，因而在红外辐射信号值较小时，也能放大到控制模块能够的处理的程度，使得菲涅尔透镜检测的红外辐射信号值可处理范围变大，因此，摄像装置能够自动调整检测距离，使得警戒距离的范围可调。
附图说明
图1为摄像装置的模块图；
图2为红外传感模块及运算放大模块的原理图；
图3为差动放大模块的原理图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示，为摄像装置的模块图。
一种摄像装置，用于自动调整监控距离，包括菲涅尔透镜101、红外传感模块102、运算放大模块103、差动放大模块104、A/D转换器105及控制模块106。
菲涅尔透镜101覆盖于红外传感模块102的辐照面；红外传感模块102连接运算放大模块103，差动放大模块104分别连接运算放大模块103及控制模块106。
菲涅尔透镜101用于检测红外辐射信号，并将红外辐射信号发送给红外传感模块102；红外传感模块102接收红外辐射信号后输出模拟交流信号，并将模拟交流信号输出给运算放大模块103；运算放大模块103用于对模拟交流信号进行滤波放大；差动放大模块104用于对滤波放大后的模拟交流信号进行差动放大处理，并将处理后的模拟交流信号输出给A/D转换器105；A/D转换器105用于将模拟交流信号转换成成数字信号，并将数字信号发送给控制模块106；控制模块106用于将数字信号与设定的阈值进行比较，若该数字信号大于设定的阈值，则认为检测到有物体运动。
请结合图2。
红外传感模块102包括热释电红外传感器U2、保险丝FB1、电容C26、电阻R38及电容C27；保险丝FB1、电阻R28、电容C27依次串联于电源与接地之间；电容C26一端接保险丝FB1与电阻R38的公共连接点，另一端接地；热释电红外传感器U2的电源端接电阻R38与电容C27的公共连接点，热释电红外传感器U2的接地端接地，热释电红外传感器U2的输出端接运算放大模块103。
热释电红外传感器U2包含两个以上互相串联或并联的热释电单元。
在本实施例中，热释电红外传感器U2具有一个内置的光学滤波器，能够将检测到的辐射限制在人体辐射8-14um波长的范围内。
凡是温度超过绝对0℃的物体都能产生热辐射(红外光谱)，而温度低于1725℃的物体，产生的热辐射光谱主要集中在红外光区域，因此自然界的所有物体都能向外辐射红外热，不同温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的；人体恒定的体温约37度，所发出红外线的波长为10UM左右的。
热释电红外传感器U2覆盖有特殊的菲涅尔滤光片，就是专门针对人体红外专门设计的器件，而对环境的其他波长红外成份则有明显的抑止作用。
热释电红外传感器U2内一般包含两个(或更多的)互相串联或并联的热释电单元。而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是环境背景辐射对探测器是无信号输出的。
如探测区域内识别到人体红外辐射通过部分菲涅尔透镜101聚焦，并被热释电红外传感器U2接收，热释电红外传感器U2在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，因为两片热释电单元接收到的热量不同，不能相互抵消，输出脚便会有与人体一致的变化的信号输出，供后级电路做信号处理，以便实现不同的控制输出。
热释电红外传感器U2，有不同的窗口形状及尺寸，窗口面积越大，灵敏度也越高，相应成本也会更高，可依据产品的要救选择相应的型号。
请结合图2。
运算放大模块103包括运算放大器U5、电容C15、电阻R22、电阻R29、电容C19、电容C11、电容C12、电容C13、电阻R18、电阻R19、电容C18、电阻R23、电阻R30、电阻R24、电容C16及电容C17。
电阻R18、电容C12、电容C11、电阻R22、电阻R29、电容C19依次串联于运算放大器U5的VINB-端与接地之间。
电容C15与电阻R22并联，电容C15与电阻R22的公共连接点分别连接运算放大器U5的VOUTA端、电容C15与电阻R22及电阻R29的公共连接点连接运算放大器U5的与VINA-端。
电阻R23与电阻R30串联于电源与接地之间，电阻R23与电阻R30的公共连接点接运算放大器U5的VINB+端。
电容C18与电阻R30并联。
电阻R24两端分别接运算放大器U5的VOUTB端及VINB-端；电容C17与电阻R24并联。
电容C16一端接运算放大器U5的VOUTB端，另一端接地。
运算放大器U5的VINA+端接红外传感模块102、VOUTB端接差动放大模块104。
运算放大器U5的型号为SGM8142YS8G/TR。
在本实施例中，菲涅尔透镜101将红外辐射信号能量聚焦辐射转换为偏移电压输出，一般百毫伏信号，因此，必须将信号放大到可以使用的范围，送入外部放大器可行的解决方案。放大器的增益取决于后端处理的，即最终的模数(AD)转换。设计中通常针对AD转换采用简单比较器，其输出可驱动微控制器以执行某些功能。在这种情况下，运算放大器U5的电容C19、电容C12为红外信号提供低频交流通道，运算放大器U5通过电阻R23和电阻R30分压将同相端偏置在Vcc3v3*R30/(R23+R30)电源电压，C15为高频滤波电容，其两级放大器中的电阻R22、电阻R29、电阻R18、电阻R24决定其放大增益。
在本实施例中，运算放大模块103包括2级运算放大，第一级别放大增益G1＝R22/R29，第二级放大增益G2＝R24/R18。
请结合图3。
差动放大模块104包括电阻R25、电阻R21、电阻R26、电容C24、电容C25、电容C29、电容C30、电阻R27、保险丝FB2及单片机U6。
电阻R21一端接运算放大模块103，另一端接单片机U6的AX+端；电阻R25一端接运算放大模块103，另一端接地；电阻R26一端接运算放大模块103，另一端接单片机U6的AX-端。
电容C24一端接电阻R21与单片机U6的公共连接点，另一端接地；电容C25一端接电阻R26与单片机U6的公共连接点，另一端接地；电容C29一端接单片机U6的P1.2端，另一端接地。
保险丝FB2一端接电源，另一端接单片机U6的电源端；电容C30一端接单片机U6的电源端，另一端接地；电阻R27一端接单片机U6的RST端，另一端接地；单片机U6的P2.6端接A/D转换器105。
单片机U6的型号为MPS430。
由于热释电红外传感器U2在复杂环境所导致的各种不连续态干扰源信号被运算放大模块103进行滤波放大后输出，容易对后续微控制器的采样电路导致各种误触发。因此，需要采用差动放大模块104作进一步的处理。
具体的，该差动放大器Vout＝VAX+-VAX-调节电阻R21、电容C24和电阻R26、电容C25的电压来限制滤除由热释电红外传感器U2外部耦合出的干扰尖峰等不连续信号，其中，VAX+＝V0+(V1-V0)*(1-EXP(-t/R21*C24)，VAX-＝V0+(V1-V0)*(1-EXP(-t/R26*C25)且根据触发距离的远近触发的信号电平幅值有所不同，当VAX+-VAX-差动电压经过放大后再与用户门限设定幅值对比，如果大于阀値门限电压则CONTROL_OUT输出高低电平，为触发有效。如果VAX+-VAX-差动电压经过放大后小于阈值门限电压则触发无效。整机继续进入待机状态。对于参考门限值的设定，在网络摄像机的应用场景中，手机APP或客户端可通过云端将门限值通过I2C设置到微控制器中。实现灵活的布防触发区域。
在本实施例中，差动放大增益控制可用二级放大输出S经由小型抗混淆信号RC滤波器(R26/C25)向可编程增益放大器PGA的非反相输入端提供所需的输出信号。另外，可将该输出信号用于为差分对的P1.0输入端创建所需的DC偏压，这可通过在P1.0输入端使用较大型RC低通滤波器(R21/C24)来完成。RC滤波器足够大时，不仅能够过滤信号的噪声，而且还能过滤相关的信息信号，从而创建可根据VCC进行自动调整的DC电平。其优势在于，无需附加电路便可创建独立的偏移电压。
A/D转换器105为16位ADC转换器。
16位ADC转换器使测量精度更高，而且对热释电红外传感器U2的增益需求较低，微控制器将重要的特性集成于可编程增益放大器PGA、再嵌入到A/D转换器105中，以便直接进行热释电红外传感器U2连接，要使模拟连接更简单直接，PGA及AD转换器的输入应为全差动，这不仅有利于处理信号的放大偏移，而且还能使热释电红外传感器U2小信号输出与AD转换器动态范围的匹配最大化。
在本实施例中，A/D转换器105输出约为60uV/LSB，这一结果是基于如下条件计算得出：1.2V内部参考电压、PGA增益为16倍(VLSB＝[(1.2/2)/16]/[216-1])。尽管许多运动现场检测系统(presence detection system)可能需要单位数(single digit)毫伏级的灵敏度，但检测范围为几十米的通用系统也可采用本实施例。由于上述摄像装置具有极高的分辨率，因而需要额外放大热释电红外传感器U2的输出。
控制模块106包括微控制器。
在大多数情况下微控制器可以在低于1毫安的低功耗模式下工作，可以延长电池的使用寿命。
上述摄像装置通过菲涅尔透镜101及红外传感模块102检测物体运动，在菲涅尔透镜101接收到红外辐射信号时，将该红外辐射信号发送给红外传感模块102处理。然后经由运算放大模块103的滤波放大、差动放大模块104的差动放大处理，最后由A/D转换器105转换后发送给控制模块106。控制模块106用于将数字信号与设定的阈值进行比较，若该数字信号大于设定的阈值，则认为检测到有物体运动。由于红外辐射信号经过一系列的放大处理，因而在红外辐射信号值较小时，也能放大到控制模块106能够的处理的程度，使得菲涅尔透镜101检测的红外辐射信号值可处理范围变大，因此，摄像装置能够自动调整检测距离，使得警戒距离的范围可调。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种摄像装置，用于自动调整监控距离，其特征在于，包括菲涅尔透镜、红外传感模块、运算放大模块、差动放大模块、A/D转换器及控制模块；
所述菲涅尔透镜覆盖于所述红外传感模块的辐照面；所述红外传感模块连接所述运算放大模块，所述差动放大模块分别连接所述运算放大模块及所述控制模块；
所述菲涅尔透镜用于检测红外辐射信号，并将所述红外辐射信号发送给所述红外传感模块；所述红外传感模块接收红外辐射信号后输出模拟交流信号，并将所述模拟交流信号输出给所述运算放大模块；所述运算放大模块用于对所述模拟交流信号进行滤波放大；所述差动放大模块用于对滤波放大后的模拟交流信号进行差动放大处理，并将处理后的模拟交流信号输出给所述A/D转换器；所述A/D转换器用于将所述模拟交流信号转换成成数字信号，并将所述数字信号发送给所述控制模块；所述控制模块用于将所述数字信号与设定的阈值进行比较，若该数字信号大于所述设定的阈值，则认为检测到有物体运动；
所述运算放大模块包括运算放大器U5、电容C15、电阻R22、电阻R29、电容C19、电容C11、电容C12、电容C13、电阻R18、电阻R19、电容C18、电阻R23、电阻R30、电阻R24、电容C16及电容C17；所述电阻R18、所述电容C12、所述电容C11、所述电阻R22、所述电阻R29、所述电容C19依次串联于所述运算放大器U5的VINB-端与接地之间；所述电容C15与所述电阻R22并联，所述电容C15与所述电阻R22的公共连接点分别连接所述运算放大器U5的VOUTA端、所述电容C15与所述电阻R22及所述电阻R29的公共连接点连接所述运算放大器U5的与VINA-端；所述电阻R23与所述电阻R30串联于电源与接地之间，所述电阻R23与所述电阻R30的公共连接点接所述运算放大器U5的VINB+端；所述电容C18与所述电阻R30并联；所述电阻R24两端分别接所述运算放大器U5的VOUTB端及VINB-端；所述电容C17与所述电阻R24并联；所述电容C16一端接所述运算放大器U5的VOUTB端，另一端接地，所述运算放大器U5的VINA+端接所述红外传感模块、VOUTB端接所述差动放大模块；所述运算放大器U5的型号为SGM8142YS8G/TR。
2.根据权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，所述红外传感模块包括热释电红外传感器U2、保险丝FB1、电容C26、电阻R38及电容C27；
所述保险丝FB1、所述电阻R28、所述电容C27依次串联于电源与接地之间；所述电容C26一端接所述保险丝FB1与所述电阻R38的公共连接点，另一端接地；所述热释电红外传感器U2的电源端接所述电阻R38与所述电容C27的公共连接点，所述热释电红外传感器U2的接地端接地，所述热释电红外传感器U2的输出端接所述运算放大模块。
3.根据权利要求2所述的摄像装置，其特征在于，所述热释电红外传感器包含两个以上互相串联或并联的热释电单元。
4.根据权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，所述差动放大模块包括电阻R25、电阻R21、电阻R26、电容C24、电容C25、电容C29、电容C30、电阻R27、保险丝FB2及单片机U6；
所述电阻R21一端接所述运算放大模块，另一端接所述单片机U6的AX+端；所述电阻R25一端接所述运算放大模块，另一端接地；所述电阻R26一端接所述运算放大模块，另一端接所述单片机U6的AX-端；
所述电容C24一端接所述电阻R21与所述单片机U6的公共连接点，另一端接地；所述电容C25一端接所述电阻R26与所述单片机U6的公共连接点，另一端接地；所述电容C29一端接所述单片机U6的P1.2端，另一端接地；
所述保险丝FB2一端接电源，另一端接所述单片机U6的电源端；
所述电容C30一端接所述单片机U6的电源端，另一端接地；所述电阻R27一端接所述单片机U6的RST端，另一端接地；所述单片机U6的P2.6端接所述A/D转换器；
所述单片机U6的型号为MPS430。
5.根据权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，所述A/D转换器为16位ADC转换器。
6.根据权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，所述控制模块包括微控制器。
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