CN109887214B - 基于人体电容感应的非接触式高灵敏度报警器、设计及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于人体电容感应的非接触式高灵敏度报警器、设计及使用方法。首先推导平行板电容器灵敏度与极板间距之间的公式，进而获取变极距型电容器灵敏度；构造LC并联电路，在该电路的电容两端并联并引出了一个金属极板，当人与金属极板之间距离发生变化时，电容的值也会随之发生变化，通过测出LC并联谐振的频率，进而确定电容的容值；采用单线性插值拟合出感应电容与感应距离间的线性关系，当人体靠近或者远离金属极板时，电容值发生变化，从而引起电路谐振频率的变化，进而引发报警。本发明采用LC并联电路谐振测量谐振频率，抗干扰能力较强、环境适应性好等特点，能够大规模生产，市场潜力巨大。

Description

基于人体电容感应的非接触式高灵敏度报警器、设计及使用 方法

技术领域

本发明涉及一种基于人体电容的非接触式高灵敏度感应报警器、设计及使用方法，属于电子设计领域,用于在高档展品防盗报警。

背景技术

防盗报警一直是维护社会治安的必要保证。目前随着电视和摄像机的发展，闭路监控系统逐渐壮大起来。闭路监控系统在这短短的几十年的发展历程中，伴随着新技术革命的不断冲击，经历了一对一监控系统、控制电路系统、处理器监控系统、外挂多媒体的监控系统、过渡型数字视频监控系统以及数字媒体监控管理系统的阶段。

报警探测器是由传感器和信号处理电路组成的，用来探测入侵者入侵行为的，由电子和机械部件组成的装置，是防盗报警系统的关键，而传感器又是报警探测器的核心元件。采用不同原理的传感器件，可以构成不同种类、不同用途、达到不同探测目的的报警探测装置。现在的非接触式传感有超声波传感器、红外传感器、霍尔式传感器、光电传感器、微波传感器等。但这些传感器存在以下缺点：(1)检测范围较小；(2)传感器的安装较为明显，不够隐蔽；(3)传感器检测的灵敏度不够高；(4)会发生误报警现象。

现在市面上的电子报警器主要为红外感应报警器、微波检测报警器、激光检测报警器等形状相对较大且容易被发现的报警器。但是像大型博物馆、拍卖会、高档首饰店等经常展示贵重物品的地方就希望采用形状较小且不易被人发现的非接触式感应报警器，当窃贼进入距离物品一定距离范围内立即触发报警器，并且盗贼不知道报警器藏于何处。这样就会使得盗贼慌张而逃，从而保护物品的安全。

发明内容

本发明的目的：在一些高档奢侈品店展示区和一些博物馆的展区有着十分贵重甚至价值连城的国宝，它们的安全必须要有所保证。市面上卖的电子报警器大多为接触式报警器，需要触摸到才会报警，这样很容易被窃贼发现并且破解，本发明利用人体是一个带电体，设计了一个LC并联电路，在其电容两端并联一个金属极板，它与人体间可以近似看成是一个平行电容器，当人与金属极板间的距离发生变化时，平行板电容器的容值便会发生变化从而引起LC并联谐振的频率发生变化。这样便可以判断检测范围内是否有人靠近，引发报警器，从而保护贵重物品的安全。

本发明的设计方法具体如下：

基于人体电容感应的非接触式高灵敏度报警设计方法，包括以下步骤：1)推导平行板电容器灵敏度与极板间距之间的公式，进而获取变极距型电容器灵敏度；2)构造LC并联电路，在该电路的电容两端并联并引出了一个金属极板，通过测出LC并联谐振的频率，进而确定电容的容值；3)人机交互部分设定，采用单线性插值拟合出感应电容与感应距离间的线性关系，当人体靠近或者远离金属极板时，电容值发生变化，从而引起电路谐振频率的变化，进而引发报警。

进一步，所述推导平行板电容器灵敏度与极板间距之间的公式，进而获取变极距型电容器灵敏度具体包括：

步骤1.1：在忽略边缘效应的情况下，根据以下公式可以推导出两平行极板电容的电量与介质的介电常数、极板正对面积、极板间距离之间的关系：

式中：ε₀为真空的介电常数：ε₀＝8.854×10¹²F·m^-1；ε为极板间介质的相对介电常数，空气：ε＝1；A为极板的重合面积；d₀为两平行极板之间的距离；当被测量d₀，A或ε发生变化时，都会引起电容的变化，如果保持其中的两个参数不变，仅改变另一个参数，就可以把该参数的变化变换为单一电容量的变化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出；

步骤1.2：根据以下公式可推导出变极距型电容器灵敏度，当d从d₀→d₀-Δd时，电容C₀→C₀+ΔC，其中Δd为极距变化，ΔC为电容变化；

即

当

时，近似线性，并级数展开；

保留二次项，并以此作为非线性误差：

此时灵敏度K为：

进一步，所述确定电容的容值的具体过程为：

LC并联电路的电容两端并联并引出了一个金属极板，外界的人与金属极板可以近似看成一个平行板电容器，当人与金属极板之间距离发生变化时，电容的值也会随之发生变化，从而引起LC并联谐振频率的变化；利用传感器能够测出LC并联谐振的频率并且通过IIC通信协议将谐振频率数据传给MCU，MCU再对原始频率数据通过一系列的滤波算法进行处理，最终给出稳定有效的频率值，从而可以确定电容的容值。

进一步，所述步骤3)具体包括：

步骤3.1：人机交互部分：人机交互界面通过用户使用不同的按键选择近距离报警模式(人距离30厘米以内小声提醒)、远距离报警模式(人距离10厘米以内大声报警)、保存当前环境下对应的电容参数(当前环境下初始电容值)；

步骤3.2：对数据的滤波：滤波算法采用的是增强型的中值滤波算法，将读取到的频率数据存进一个长度为20的一维数组中，先用冒泡排序算法对数组中的数进行排序，找到最大值和最小值，将数组中数的和减去最大值和最小值再取平均数就会得到相对较为可靠的数据；

步骤3.3：由于金属极板的面积限制只有中间三位数是有效的，其他位的数据都在飘动，于是在一开始用按键1读取一个初始值，之后用读取到的实际值减去初始值得到有效数据，再通过整除和求余的方法提取出中间的三位有效数字，经过稳定处理后的数据抗干扰能力强，不会产生数据漂移，在有效范围内变化明显；

步骤3.4：单线性插值拟合：MCU采用单线性插值的方法拟合出感应容值与感应距离的关系：假设点Α(ξ₀,ψ₀),B(ξ₁,ψ₁)，在A点与B点间插入一点P(ξ,ψ),有单线性插值可以将这三点近似拟合于一条直线

通过采集较多的已知点并且分段进行插值，可以较为精确地拟合出感应电容与感应距离间的线性关系。

本发明装置的技术方案为：基于人体电容感应的非接触式高灵敏度报警器，包括LC并联谐振电路、传感器、MCU、报警部分、人机交互部分；所述LC并联谐振电路连接传感器输入端，传感器输出端连接MCU数据输入端，MCU还连接报警部分和人机交互部分；其中LC并联谐振电路由LC并联电路和人体与金属极板组成的电容器并联组成，当人体靠近或者远离金属极板时，电容值发生变化，从而引起电路谐振频率的变化，进而引发报警部分的报警。

进一步，传感器由输入和输出两部分组成，传感器的输入由两根线连接在LC并联谐振电路两端实时采集谐振频率数据；传感器的输出通过两根线与MCU相连；MCU部分包括输入与输出两部分，MCU输入端以固定的频率通过IIC通信协议读取传感器内部的数据从而对数据进行进一步的解算和滤波，MCU的模式输入端与人机交互部分的按键相连，MCU能够根据按键的不同选择进入不同的工作模式，MCU的报警输出与报警部分相连，在一定条件下发出报警信号，触发蜂鸣器报警。

进一步，人机交互部分包括3个按键和1个OLED显示屏，3个按键可以使操作人员校准初始环境的电容参数(当前环境下初始电容值)、选择近距离报警模式(人距离30厘米以内小声提醒)、远距离报警模式(人距离10厘米以内大声报警)以及设定不同的报警距离(上述近距离报警、距离远距离模式中的30厘米、10厘米可更改为50以内任意值)，OLED屏上可显示不同的工作模式以及谐振频率数据。

本发明的使用方法具体包括如下步骤：

步骤S1：按下按键1校准，并记录下周围环境参数；

步骤S2：用按键2调节触发报警器报警的极距范围；

步骤S3：按下按键3后，系统进入低功耗模式，直到有人进入报警区域内唤醒报警器。

上述使用方法中，步骤S1是系统记录下检测范围内没有人时的初始值，此初值在不同环境下是不同的，所以当系统被转移位置时需要通过校准当前环境来改变初始值；由此便可以增强系统的适应性和抗环境干扰性。

上述技术方案中，步骤S2，S3是用户根据不同要求的安全范围设定系统的有效报警距离。用户通过按键2可以设定不同的有效报警距离，此有效距离即对应系统报警谐振频率的阈值。按键3按下后，系统进入低功耗模式，当LC并联谐振频率大于阈值时，系统将一直处于低功耗模式，不会被唤醒；当LC谐振频率小于阈值时，系统被唤醒启动报警器与相应的灯光警示。

本发明的有益效果是：

对比传统的非接触式感应报警器以及测量人体感应电容的方法，本发明的特有之处在于：

(1)相对于传统的红外、电磁等传感器来说，本发明的隐蔽性较好，只需将展品下方的展柜换成一块金属极板即可，不会被人察觉。

(2)相对于传统的红外、电磁等传感器来说，本发明的成本低廉，检测范围广，传统的红外、电磁等传感器只能检测某一个面，本发明能够检测到已金属极板为球心，设定感应距离为半径的球体内部范围，且无死角。

(3)相对于有类似想法测量人体感应电容想法的专利，他们只是用了纯硬件的电桥来测量感应电容的变化，这样不仅精度低而且受环境干极强，环境适应性差。本发明采用测量LC并联电路的频率来反映感应距离的变化，并且通过MCU来对数据进行滤波，线性插值拟使得测得的距离数据较为准确并且不会受到外界突然的干扰，并且任意环境下只需上时通过按键校准即可适应当前环境，环境适应性较强。

附图说明

附图1为LC并联电路与金属极板连接电路图。

附图2为本发明各部分之间接线图。

附图3为本发明在人体靠近不同距离时感应电容变化的波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作更进一步的说明：

图1为LC并联电路与金属极板连接电路图。电路主要包括一个10uH电感、33pF电容，它们采取并联方式连接，在电容的两端再并联一块金属极板并且引出，由于人体能够近似看作一个带电体，于是金属极板和人体之间就可以近似看成一个平行板电容器。当人体靠近金属极板时会使得电容器的容值发生变化，从而引起LC并联谐振的频率发生变化，出发报警器报警，上述便是本发明的基本原理。

图2是本发明的系统连接框图。图中包括五个部分：LC并联谐振电路部分、传感器部分、MCU部分、报警部分、人机交互部分。其中LC并联谐振电路部分由固有LC并联电路和人体与金属极板组成的电容器并联组成，当人体靠近或者远离金属极板时，电容值发生变化，从而引起电路谐振频率的变化；传感器由输入和输出两部分组成，传感器的输入由两根线连接在LC并联电路两端实时采集谐振频率数据；传感的的输出通过两根线与MCU相连；MCU部分包括输入与输出两部分，MCU输入端以固定的频率通过IIC通信协议读取传感器内部的数据从而对数据进行进一步的解算和滤波，MCU的模式输入端与人机交互部分的按键相连，MCU能够根据按键的不同选择进入不同的工作模式，MCU的显示输出与报警部分相连，在一定条件下发出报警信号，触发蜂鸣器报警；MCU的显示输出与人机交互部分相连；报警部分包括蜂鸣器和放大电路，报警部分的输入与MCU的报警输出相连，当到达报警条件时，MCU给报警部分一个触发信号，报警部分的放大电路使蜂鸣器发出报警；人机交互部分包括3个按键和1个OLED显示屏，3个按键可以使操作人员校准环境参数、选择不同的工作模式以及设定不同的报警距离，OLED屏上可显示不同的工作模式以及谐振频率数据。

图3是人体靠近金属极板不同距离时感应电容容值变化的波形图。由波形图可以看出，在没有人靠近时容值基本不变，当人体靠近时容值会有突变，并且距离越近变化值越大，由此便可以设定不同的阈值而改变报警范围大小。

本发明的设计包括：

步骤1.1：在忽略边缘效应的情况下，根据以下公式可以推导出两平行极板电容的电量与介质的介电常数、极板正对面积、极板间距离之间的关系：

式中：ε₀为真空的介电常数：ε₀＝8.854×10¹²F·m^-1；ε为极板间介质的相对介电常数，空气：ε＝1；A为极板的重合面积；d₀为两平行极板之间的距离；当被测量d₀，A或ε发生变化时，都会引起电容的变化，如果保持其中的两个参数不变，仅改变另一个参数，就可以把该参数的变化变换为单一电容量的变化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出；

步骤1.2：根据以下公式可推导出变极距型电容器灵敏度，当d从d₀→d₀-Δd时，电容C₀→C₀+ΔC，其中Δd为极距变化，ΔC为电容变化；

即

当

时，近似线性，并级数展开；

保留二次项，并以此作为非线性误差：

此时灵敏度K为：

步骤2，LC并联电路的电容两端并联并引出了一个金属极板，外界的人与金属极板可以近似看成一个平行板电容器，当人与金属极板之间距离发生变化时，电容的值也会随之发生变化，从而引起LC并联谐振频率的变化；利用传感器能够测出LC并联谐振的频率并且通过IIC通信协议将谐振频率数据传给MCU，MCU再对原始频率数据通过一系列的滤波算法进行处理，最终给出稳定有效的频率值，从而可以确定电容的容值。

步骤3.1：人机交互部分：人机交互界面通过用户使用不同的按键选择近距离报警模式、远距离报警模式、保存当前环境下对应的电容参数；

步骤3.2：对数据的滤波：滤波算法采用的是增强型的中值滤波算法，将读取到的频率数据存进一个长度为20的一维数组中，先用冒泡排序算法对数组中的数进行排序，找到最大值和最小值，将数组中数的和减去最大值和最小值再取平均数就会得到相对较为可靠的数据；

步骤3.3：由于金属极板的面积限制只有中间三位数是有效的，其他位的数据都在飘动，于是在一开始用按键1读取一个初始值，之后用读取到的实际值减去初始值得到有效数据，再通过整除和求余的方法提取出中间的三位有效数字，经过稳定处理后的数据抗干扰能力强，不会产生数据漂移，在有效范围内变化明显；

步骤3.4：单线性插值拟合：MCU采用单线性插值的方法拟合出感应容值与感应距离的关系：假设点Α(ξ₀,ψ₀),B(ξ₁,ψ₁)，在A点与B点间插入一点P(ξ,ψ),有单线性插值可以将这三点近似拟合于一条直线

通过采集较多的已知点并且分段进行插值，可以较为精确地拟合出感应电容与感应距离间的线性关系。

本发明的使用方法具体包括如下步骤：

步骤S1：按下按键1校准，并记录下周围环境参数；

步骤S2：用按键2调节触发报警器报警的极距范围；

步骤S3：按下按键3后，系统进入低功耗模式，直到有人进入报警区域内唤醒报警器。

上述使用方法中，步骤S1是系统记录下检测范围内没有人时的初始值，此初值在不同环境下是不同的，所以当系统被转移位置时需要通过校准当前环境来改变初始值；由此便可以增强系统的适应性和抗环境干扰性。

上述技术方案中，步骤S2，S3是用户根据不同要求的安全范围设定系统的有效报警距离。用户通过按键2可以设定不同的有效报警距离，此有效距离即对应系统报警谐振频率的阈值。按键3按下后，系统进入低功耗模式，当LC并联谐振频率大于阈值时，系统将一直处于低功耗模式，不会被唤醒；当LC谐振频率小于阈值时，系统被唤醒启动报警器与相应的灯光警示。

综上所述，本发明公开了一种基于人体电容感应的非接触式高灵敏度报警器及其设计方法。本发明利用人体与金属极板之间的平行板电容效应，通过LC并联电路的谐振频率测出感应电容的容值大小，并且将电容的容值数据与距离数据进行单线性插值拟合得到相对较为准确的对应关系，大大提高了系统感应的灵敏度。目前来说利用LC谐振电路来测量人体感应电容的发明还未有过，本发明为第一例。市面上类似的非接触式感应报警器大多采用红外、电磁等传感器，测量范围较小，即使有很少数测量人体感应电容想法的专利因为采用硬件电桥电路来测量容值，因为测量灵敏度不高，容值测量精度不高、抗干扰能力不强、环境适应性差等原因没有批量生产，但是本发明采用LC并联电路谐振测量谐振频率，加以巧妙的滤波算法和单线性插值拟合等算法使得测量精度较高、抗干扰能力较强、环境适应性好等特点，能够大规模生产，市场潜力巨大。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种基于人体电容感应的非接触式高灵敏度报警器，其特征在于：包括LC并联谐振电路、传感器、MCU、报警部分、人机交互部分；所述LC并联谐振电路连接传感器输入端，传感器输出端连接MCU数据输入端，MCU还连接报警部分和人机交互部分；其中LC并联谐振电路由LC并联电路和人体与金属极板组成的电容器并联组成，当人体靠近或者远离金属极板时，电容值发生变化，从而引起电路谐振频率的变化，进而引发报警部分的报警；

传感器由输入和输出两部分组成，传感器的输入由两根线连接在LC并联谐振电路两端实时采集谐振频率数据；传感器的输出通过两根线与MCU相连；MCU数据输入端以固定的频率通过IIC通信协议读取传感器内部的数据从而对数据进行进一步的解算和滤波，MCU的模式输入端与人机交互部分的按键相连，MCU能够根据按键的不同选择进入不同的工作模式，MCU的报警输出与报警部分相连，在一定条件下发出报警信号，触发蜂鸣器报警；

人机交互部分包括3个按键和1个OLED显示屏，3个按键可以使操作人员校准初始环境的电容参数、选择近距离报警模式、远距离报警模式以及设定不同的报警距离，OLED屏上可显示不同的工作模式以及谐振频率数据；

该报警器的设计方法包括以下步骤：1)推导平行板电容器灵敏度与极板间距之间的公式，进而获取变极距型电容器灵敏度；2)构造LC并联电路，在该电路的电容两端并联并引出了一个金属极板，通过测出LC并联谐振的频率，进而确定电容的容值；3)人机交互部分设定，采用单线性插值拟合出感应电容与感应距离间的线性关系，当人体靠近或者远离金属极板时，电容值发生变化，从而引起电路谐振频率的变化，进而引发报警；

所述推导平行板电容器灵敏度与极板间距之间的公式，进而获取变极距型电容器灵敏度具体包括：

步骤1.1：在忽略边缘效应的情况下，根据以下公式可以推导出两平行极板电容的电量与介质的介电常数、极板正对面积、极板间距离之间的关系：

式中：ε₀为真空的介电常数：ε₀＝8.854×10¹²F·m^-1；ε为极板间介质的相对介电常数，空气：ε＝1；A为极板的重合面积；d₀为两平行极板之间的距离；当被测量d₀，A或ε发生变化时，都会引起电容的变化，如果保持其中的两个参数不变，仅改变另一个参数，就可以把该参数的变化变换为单一电容量的变化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出；

步骤1.2：根据以下公式可推导出变极距型电容器灵敏度，当d从d₀→d₀-Δd时，电容C₀→C₀+ΔC，其中Δd为极距变化，ΔC为电容变化；

即

当

时，近似线性，并级数展开；

保留二次项，并以此作为非线性误差：

此时灵敏度K为：

所述确定电容的容值的具体过程为：

LC并联电路的电容两端并联并引出了一个金属极板，外界的人与金属极板可以近似看成一个平行板电容器，当人与金属极板之间距离发生变化时，电容的值也会随之发生变化，从而引起LC并联谐振频率的变化；利用传感器能够测出LC并联谐振的频率并且通过IIC通信协议将谐振频率数据传给MCU，MCU再对原始频率数据通过一系列的滤波算法进行处理，最终给出稳定有效的频率值，从而可以确定电容的容值；

所述步骤3)具体包括：

步骤3.1：人机交互部分：人机交互界面通过用户使用不同的按键选择近距离报警模式、远距离报警模式、保存当前环境下对应的电容参数；

步骤3.2：对数据的滤波：滤波算法采用的是增强型的中值滤波算法，将读取到的频率数据存进一个长度为20的一维数组中，先用冒泡排序算法对数组中的数进行排序，找到最大值和最小值，将数组中数的和减去最大值和最小值再取平均数就会得到相对较为可靠的数据；

步骤3.3：由于金属极板的面积限制只有中间三位数是有效的，其他位的数据都在飘动，于是在一开始用按键1读取一个初始值，之后用读取到的实际值减去初始值得到有效数据，再通过整除和求余的方法提取出中间的三位有效数字；

步骤3.4：单线性插值拟合：MCU采用单线性插值的方法拟合出感应容值与感应距离的关系：假设点A(ξ₀,ψ₀),B(ξ₁,ψ₁)，在A点与B点间插入一点P(ξ,ψ),有单线性插值可以将这三点近似拟合于一条直线

通过采集较多的已知点并且分段进行插值，可以较为精确地拟合出感应电容与感应距离间的线性关系。

2.根据权利要求1所述的一种基于人体电容感应的非接触式高灵敏度报警器，其特征在于：该报警器使用方法包括如下步骤：

步骤S1：按下按键1校准，并记录下周围环境参数；

步骤S2：用按键2调节触发报警器报警的极距范围；

步骤S3：按下按键3后，系统进入低功耗模式，直到有人进入报警区域内唤醒报警器。

3.根据权利要求2所述的一种基于人体电容感应的非接触式高灵敏度报警器，其特征在于：步骤S1是系统记录下检测范围内没有人时的初始值，此初值在不同环境下是不同的，当系统被转移位置时需要通过校准当前环境来改变初始值。

4.根据权利要求3所述的一种基于人体电容感应的非接触式高灵敏度报警器，其特征在于：步骤S2，S3中，是用户根据不同要求的安全范围设定报警器的有效报警距离，用户通过按键2可以设定不同的有效报警距离，此有效距离即对应系统报警谐振频率的阈值；按键3按下后，系统进入低功耗模式，当LC并联谐振频率大于阈值时，系统将一直处于低功耗模式，不会被唤醒；当LC谐振频率小于阈值时，系统被唤醒启动报警器与相应的灯光警示。

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