CN201707454U - 一种检测动静态人体的智能探测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种检测动静态人体的智能探测装置，该装置可工作在动静态人体检测两种模式下。此装置的动态人体检测主要是利用热释电传感器的被动检测功能；静态人体的检测主要是使热释电传感器和菲涅尔透镜相对人体做最佳速度运动输出最大的控制信号，实现准确检测静态人体的功能。此装置能耗少，检测精度高，可广泛应用于人来人在用电设备开，人走用电设备关等节能控制中。

Description

一种检测动静态人体的智能探测装置

技术领域

本实用新型涉及一种检测动静态人体的智能探测装置，尤其是利用热释电传感器检测静态人体技术。

背景技术

利用红外、微波等方式检测人体应用已很广泛，目前实现的人体检测基本是检测运动的人体，当人静止不动时，除利用红外成像、图像分析外，还没有一种传感器可以精确检测到静止不动的人体，而低成本可以精确检测到静止人体的是十分重要和必要的，例如当办公室、学校教室公共场合，当室内没有人时应关闭室内的照明、空调及其他用电设备，那么准确检测室内是否有人是十分关键的，检测人体主要解决的问题是，第一必须低成本，第二是静止人体的检测，即当人不动时能准确检测到，而低成本精确检测静止人体目前除我们研究已经应用的产品外，还没有见到同类产品。

公开号为CN200989946的中国专利“被动式热释红外静止人体目标探测装置”是在热释红外探头上设置了往复摇摆机构，使其能够对静止人体目标进行有效地探测，产生高灵敏度的控制信息。被动式热释红外静止人体目标探测装置在试验过程中显示，当没有人存在时，由于们装置的往复摇摆机构不断动作，依然有控制信号输出，可靠性较差。

公开号为CN1949001的中国专利“热释电探测器同时识别静止人体与活动人体的方法和结构”是将电机与热释电探测器连接在一起，通过电机的正、反向交替转动，使热释电探测器与静止的人体或活动的人体都形成相对速度差，从而使热释电探测器既能识别活动人体又能识别静止人体。但该装置在人运动时，电机也在运转，浪费电能，并伴随着不必要的机械损耗。另外此专利没有考虑到电机转速的不同对检测精度的影响。

公开号为CN2718902Y的中国专利“一种智能人体开关”给出了实现静态人体的方案，该检测方案主要是通过在菲涅耳透镜及控制电路板，人体热释电传感器和光敏电阻之间设置有电机驱动的带孔转盘。该专利在人体移动和静止时，电机都要带动转盘转动。该专利可实现人体静止人体检测，但电机一直转动，设备损耗大，耗能较多；另外此专利没有考虑到电机转速的不同对检测精度的影响。

实用新型内容

为克服上述现有技术的不足，提供一种耗能少，检测精度高，易安装的检测动静态人体的智能探测装置。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种检测动静态人体的智能探测装置，该装置设有壳体，所述壳体内设有底托，所述底托上安装有电机，电机的转轴与中轴的一端连接，中轴的另一端与上盖连接；所述中轴上还装有热释电检测模块，所述热释电检测模块通过中轴与上盖上的菲涅尔透镜相对应；所述壳体内还设有电源，所述电源分别给热释电检测模块和控制模块供电；所述热释电检测模块还与控制模块连接；所述控制模块分别与用电设备和电机连接。

所述热释电检测模块包括热释电传感器，所述热释电传感器与滤波电路和放大电路依次连接；所述放大电路与控制模块连接。

所述电源由市电经过限流电阻、一个整流桥、稳压二极管后，通过78M05得到5V VCC数字电源；所述VCC数字电源通过一个10uH的电感产生一个AVCC模拟电源。

所述控制模块包括中央处理器。

一种检测动静态人体的智能探测装置的检测方法，该检测方法包括以下步骤：

Step1：装置工作在动态人体检测模式，此时电机处于静止状态，热释电传感器检测有无动态人体；

Step2：当检测到动态人体信号时，控制模块输出控制信号，使用电设备工作；在指定时间内热释电传感器如没有检测到动态人体信号，则进入静态人体检测模式，启动电机，电机以2转/分到12转/分速度带动热释电传感器与菲涅尔透镜转动；

Step3：如热释电传感器输出模拟的动态人体信号，则说明有静止人体存在，用电设备继续工作；

Step4：如热释电传感器在设定时间内没有动态人体信号输出，则说明没有静止人体存在，关闭用电设备，装置自动进入动态人体检测模式，返回step1继续执行。

在所述step2或step3或step4中，动态人体信号是正弦波电压信号。

所述step2中，所述控制信号为低电平时，用电设备工作。

本实用新型的有益效果：本装置既可以检测动态人体，又可以检测静态人体，并且只有检测静态人体时电机才转动，解决了检测动静态人体时电机一直转动的问题，降低了能耗；静态人体的检测利用了热释电传感器和菲涅尔透镜相对人体做最佳速度运动输出最大控制信号的特点，提高了检测精度；该装置可应用于人来人在用电设备开，人走用电设备关等节能控制中。

附图说明

图1检测动静态人体的智能探测装置示意图；

图2静止人体检测组成框图；

图3检测部分原理框图；

图4传感器输出信号值与传感器运动速度关系；

图5热释电传感器相对人体速度为0.5转/分时，输出与时间关系曲线；

图6热释电传感器相对人体速度为2转/分时，输出与时间关系曲线；

图7热释电传感器相对人体速度为3转/分时，输出与时间关系曲线；

图8热释电传感器相对人体速度为14转/分时，输出与时间关系曲线；

图9热释电传感器相对人体速度为20转/分时，输出与时间关系曲线；

图10获得5V数字电源电路图；

图11获得AVCC模拟电源电路图；

图12热释电传感器及放大电路电路图；

图13控制部分电路图；

图14LAMP管脚控制用电设备开关电路图；

图15MOTO管脚控制电机开关电路图；

其中，1电源，2热释电检测模块，3控制模块，4传动机构，5用电设备，6热释电传感器，7滤波电路，8放大电路，9上盖，10中轴，11底托，12菲涅尔透镜，13电机。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明：

一种检测动静态人体的智能探测装置，如图1所示，该装置设有壳体，所述壳体内设有底托11，所述底托11上安装有电机13，电机13的转轴与中轴10的一端连接，中轴10的另一端与上盖9连接；所述中轴10上还装有热释电检测模块2，所述热释电检测模块2通过中轴10与上盖9上的菲涅尔透镜12相对应；所述壳体内还设有电源1，所述电源1分别给热释电检测模块2和控制模块3供电；所述热释电检测模块2还与控制模块3连接；所述控制模块3分别与用电设备5和电机13连接。

检测动静态人体的智能探测装置电路包括热释电检测模块2、控制模块3、传动机构4、电源1和用电设备5组成，如图2所示。

1、电源部分：

如图11所示，220V的交流电通过引线到达线路板后，经过限流电阻限流，通过一个整流桥获得一个直流的18V左右的直流电压，再经过稳压二极管获得一个稳定的9V的直流电压，通过78M05得到一个稳定的5V的VCC数字电源，该电源1通过导线给CPU供电。如图12所示VCC数字电源通过一个10uH的电感产生一个AVCC模拟电源，给热释电检测模块2供电。

2检测部分功能说明及原理

热释电检测模块2是整个产品的核心部分，热释电检测模块2的框图如图3所示。该部分属于模拟电路放大，所以电源1使用AVCC模拟电源。如图12所示，热释电传感器6通过R8获得电源，当有动态的人体红外线信号到达热释电传感器6后，热释电传感器6会输出一个微弱的几毫伏的电压，该电压无法驱动AD转化器工作，必须通过放大电路8来放大后才能进行测量，在进入放大之前先经过滤波电路7的阻容滤波滤除尖脉冲等没用的噪声信号。该放大电路8使用了2级放大，将信号的峰峰值放大到0-5V，然后输入到CPU的AD转化管脚进行AD转化，将电压值转化为数字量，根据数字量来检测有人没人。如果输出的数字量大于设定的阈值则判为有人，反之判为没人。热释电传感器6只能检测动态人体信号，当有人运动时，人体红外线经过菲涅尔透镜12聚焦后照射到热释电传感器6上，当人在菲涅尔透镜12前运动时，人体的红外线通过菲涅尔透镜12的明暗区，红外线信号被转换成强弱不同的红外线信号照射到热释电传感器6上，热释电传感器6输出类似于正弦波的信号。当静止的人站在菲涅尔透镜12前时，热释电传感器6没有类似于正弦波的信号输出，而是输出一个平稳的电压信号，这跟没人的情况是一致的，所以无法检测静止的人。

热释电传感器6属于热型传感器，是基于热释电效应工作的。入射热流通过红外投射窗，投射到面积为A的热释电响应单元上，辐射热流被响应单元吸收层吸收产生一个温升θ，θ的大小取决于吸收层传递给热释电材料的热传导。θ变化引起热释电薄膜自发极化，自发极化结果使响应单元上下表面电极产生热释电电荷，外接前置放大电路就形成热释电电流i。

$i=\mathrm{PA}\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

式中：P：热释电系数

A：热释电响应单元上下电极重叠部分受光照的面积

θ：热释电响应单元的温度

t：时间

从(1)式我们可知热释电电流i，只与热释电相应单元的温度变化有关系。又已知热释电传感器的比探测率D的计算公式为：

$D=\frac{\mathrm{\η}}{\sqrt{4K{\mathrm{\θ}}^{2}G{A}^{-1}+8\mathrm{K\θ\ω}{\mathrm{\ξ}}_0{M}^{-2}d}}---\left(2\right)$

式中：ξ₀：真空电容率，ω：入射辐射热流调制频率，G：热传导系数，K：波尔兹曼常数，M：热释电探测率优值，d为热释电薄膜的厚度

从(2)式中看出比探率D与厚度d的平方根成反比，d越小，D越大。当热释电传感器6一定的情况下，d、D是定值，从而可推导出：

D²(4Kθ²GA^-1+8Kθωξ₀M^-2d)＝η²

$4\mathrm{KG}{A}^{-1}{\mathrm{\θ}}^2+8K{\mathrm{\ω\ξ}}_0{M}^{-2}\mathrm{d\θ}-\frac{{\mathrm{\η}}^2}{D^2}=0$

$\mathrm{\θ}=\frac{-2K{\mathrm{\ω\ξ}}_0{M}^{-2}d\±\sqrt{4K^2{\mathrm{\ω}}^2{{\mathrm{\ξ}}_0}^2{M}^{-4}{d}^2+\mathrm{KG}{A}^{-1}{\mathrm{\η}}^2/D^2}}{2{\mathrm{KGA}}^{-1}}$

$\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{d\ω}}=\frac{-{\mathrm{\ξ}}_0{M}^{-2}d}{{\mathrm{GA}}^{-1}}\±\frac{2K{{\mathrm{\ξ}}_0}^2{M}^{-4}{d}^2\mathrm{\ω}}{{\mathrm{GA}}^{-1}\sqrt{4K^2{{\mathrm{\ξ}}_0}^2{\mathrm{\ω}}^2{M}^{-4}{d}^2+K{\mathrm{GA}}^{-1}{\mathrm{\η}}^2/D^2}}$

$i=\mathrm{PA}\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{PA}\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{d\ω}}\×\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{PA}\×(\frac{-{\mathrm{\ξ}}_0{M}^{-2}d}{{\mathrm{GA}}^{-1}}\±\frac{2K{{\mathrm{\ξ}}_0}^2{M}^{-4}{d}^2\mathrm{\ω}}{{\mathrm{GA}}^{-1}\sqrt{4K^2{{\mathrm{\ξ}}_0}^2{\mathrm{\ω}}^2{M}^{-4}{d}^2+K{\mathrm{GA}}^{-1}{\mathrm{\η}}^2/D^2}})\×\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

热释电电流i与ω入射辐射热流调制频率的关系式如(1-3)，既热释电电流i与入射辐射热流调制频率ω的变化有关系。而入射辐射热流调制频率ω为人体敷设频率ω_λ与人体运动频率的调制频率，由于人体敷设频率ω_λ为定值公式为(4)，所以传感器的输出信号是与人体的运动速度有关。

热释电传感器6是利用目标物体所发出的红外辐射信号视线被动探测的，目标物体辐射能量的大小与物体绝对温度有关，关系符合普朗克定律：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\λ}}=2\mathrm{\π}{\mathrm{hc}}^2{\left[{\mathrm{\λ}}^5(e^{\mathrm{hC}/\mathrm{KT}}-1)\right]}^{-1}---\left(4\right)$

式中：h：普朗克常数(6.626×10^-34JS)

C：光速(2.9979×10⁸m/s)

T：绝对黑体温度(K)

λ：波长

K：波尔兹曼常数(1.38×10^-21J/K)

由公式(3)、(4)可知，当ω入射辐射热流调制频率不变时，dw/dt＝0则热释电电流i＝0，从而得出人体敷设频率ω_λ与人体运动频率的调制频率不变时热释电电流为零，就是说人体静止时热释电传感器6是无信号输出的。热释电传感器6的输出，与人体运动速度有关。即热释电传感器6的信号输出和人体运动的速度有关，当人体运动速度过小和过大时信号输出都比较小，甚至为零，不利于作为设备的控制信号，当速度在一定的值时输出信号比较大适合用于作为控制信号。

利用上述结论，当检测静止人体时，就必须让人体与热释电传感器6及菲涅尔透镜12有相对运动，而且相对运动要有一定的规律。当本设备无法检测到动态人体信号时，会启动电机13进行转动，电机13带动菲涅尔透镜12和热释电传感器6一起转动，根据相对运动的原理，相当于人体相对热释电传感器6和菲涅尔透镜12运动，完全模拟人体运动；如果没有人，无论怎样转动都不会有信号输出，如果有人，模拟人体运动后热释电会输出正常的动态人体信号，这样就能检测到静止的人体信号。

经过大量的实验数据证明，热释电传感器6的电流输出与热释电传感器6相对人体的运动速度的关系如图4所示。从图5-9中可知当传感器运动相对静止人体运动速度在2转/分到12转/分时，热释电传感器6的输出值可作为控制信号，用于精确检测静止人体。当热释电传感器6运动相对静止人体运动速度过小及过大时都输出信号较小，受干扰较大，不能准确检测静止人体。

3、控制部分：

控制模块3使用了ATmel公司的Atmega48V高性能CPU作为核心处理器，使用VCC数字电源和AVCC模拟电源同时供电，如图13所示，ADC2连接热释电传感器6的输出，分别对输出进行模拟到数字量的转换，将各种相关的模拟信号转换成数字信号然后在CPU内部进行相应的处理。PD5管脚控制一个LED指示灯指示当前的状态，当检测到动态人体时，LED指示灯会亮，如果没有人体信号，LED指示灯会在2s后自动熄灭。当电机13转动启动静止人体检测后LED指示灯会一直亮，直到电机13停止。MOTO管脚控制着电机13的转动，当该脚输出低时电机13转动，当该脚输出高时电机13停止。LAMP管脚控制着用电设备5的开关，当该脚输出低时设备上电供电运行，当该脚为高时设备断电，设备不工作。

控制模块3使用了带零点检测的光可控硅作为隔离间，将强电部分和弱电部分分离。

如图14中在设备控制中LAMP管脚控制着用电设备5的开关，当该脚输出低电平时设备上电供电运行，当该脚为高电平时用电设备5断电，设备不工作。具体工作过程为：

A、当CPU管脚LAMP输出低时，光可控硅MOC3061导通，从而使R7电阻上产生一个压降，来驱动双向可控硅Q1导通，使设备获得电源1从而设备正常工作。

B、当CPU管脚LAMP输出高时，光可控硅MOC3061不导通，当交流的220V电压到0点时，R7上的电压也为0，无法驱动双向可控硅导通，双向可控硅截止，因为MOC3061已经截止，当220V交流电不在0点时R7无法获得电压从而无法驱动双向可控硅Q1导通，设备无法得到电源1而无法工作。

如图15中MOTO管脚控制着电机13的转动，当该脚输出低电平时电机13转动，当该脚输出高电平时电机13停止。具体工作过程如下：

A、当CPU管脚MOTO输出低时，光可控硅MOC3061导通，从而使R13电阻上产生一个压降，来驱动双向可控硅Q3导通，使电机13获得电源1后开始转动。

B、当CPU管脚MOTO输出高时，光可控硅MOC3061不导通，当交流的220V电压到0点时，R13上的电压也为0，无法驱动双向可控硅导通，双向可控硅截止，因为MOC3061已经截止，当220V交流电不在0点时R13无法获得电压从而无法驱动双向可控硅Q3导通，电机13无法得到电源1而无法工作。

4、传动机构

在传动机构4中，如图1所示，电机13固定在底托11中，中轴10跟电机13的转轴连接固定，使中轴10能跟随电机13的转动而转动，中轴10跟上盖9固定在一起，从而一起转动。热释电传感器6安装在中轴10内，菲涅尔透镜12安装在上盖9上，从而实现了热释电传感器6和菲涅尔透镜12相对静止，而中轴10和上盖9的转动模拟了人的移动。即通过将电机13固定在底托11中，中轴10跟电机13的转轴连接固定，热释电传感器6及菲涅尔透镜12固定在中轴10上，实现了热释电传感器6和菲涅尔透镜12相对静止，并随电机13一起转动，而热释电传感器6相对人体做相对运动。

Claims (4)

1.一种检测动静态人体的智能探测装置，其特征是，该装置设有壳体，所述壳体内设有底托，所述底托上安装有电机，电机的转轴与中轴的一端连接，中轴的另一端与上盖连接；所述中轴上还装有热释电检测模块，所述热释电检测模块通过中轴与上盖上的菲涅尔透镜相对应；所述壳体内还设有电源，所述电源分别给热释电检测模块和控制模块供电；所述热释电检测模块还与控制模块连接；所述控制模块分别与用电设备和电机连接。

2.如权利要求1所述的一种检测动静态人体的智能探测装置，其特征在于，所述热释电检测模块包括热释电传感器，所述热释电传感器与滤波电路和放大电路依次连接；所述放大电路与控制模块连接。

3.如权利要求1所述一种检测动静态人体的智能探测装置，其特征在于，所述电源由市电经过限流电阻、一个整流桥、稳压二极管后，通过78M05得到5V VCC数字电源；所述VCC数字电源通过一个10uH的电感产生一个AVCC模拟电源。

4.如权利要求1或2所述的一种检测动静态人体的智能探测装置，其特征是，所述控制模块包括中央处理器。

Images