基于MSP430的智能热释电报警器

万宝月

(西安电子科技大学电子工程学院，陕西西安 710071)

随着经济的发展和科技的进步，在高楼林立的居住环境下，人们对于自己所处环境的安全性有了更高的要求。安全措施和安全系统也应与时俱进，保证居民的人身财产安全。越来越多的小区、家庭安装了智能报警系统，方便安全地保护了居民所处环境的安全。其中热释电红外传感器由于廉价且性能稳定，在智能报警系统中应用广泛。

热释电红外传感器是利用红外辐射的热辐射作用引起元件自身的温度变化［1］，可不受环境影响，昼夜不停地持续工作。近年来，越来越多的科研人员利用热释电传感器研发出了各式各样的报警系统，普遍利用了其功耗小，低价格，隐蔽性好等特点，但传统的报警系统大多采用热释电红外传感器加专用芯片的方式，该方案未考虑温度对报警器灵敏度影响问题，而实际应用过程中灵敏度是该类产品性能的重要指标，针对传统热释电报警器的缺点提出单片机智能控制方案。

1 热释电红外传感器的工作原理

热释电传感器同热电偶一样，均属于具有热电效应的热电型红外传感器，一般由铁钛酸汞陶瓷、钽酸锂以及硫酸三甘铁等高热系数材料构成。当传感器检测到区域内有温度变化时，由于热电效应，会在两个热释电元件表面产生电荷［2］，电流流过传感器内部适当的电阻时，产生微弱的电压信号，经探测头上的场效应管放大后输出。当检测区内温度稳定，或人进入检测区后静止，传感器无输出［3］。图1为热释电红外传感器结构示意图，由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器3部分组成。传感器将两个极性相反、特性相同的探测元串联，可以防止因环境和自身变化而引起的干扰。传感器还需配合菲涅耳透镜使用，可使探测半径扩大5～20倍，并可以在探测器前方形成可见区和盲区，提高探测接收的灵敏度，当目标在透镜前经过时，发出的红外线交替进入可见区和盲区，产生忽强忽弱的脉冲形式的红外信号，增强了其能量幅度。

2 传统的热释电报警器方案

图1 热释电红外传感器结构示意图

传统的热释电红外报警器主要基于专用放大芯片BISS0001，是和热释电红外传感器以及少量外接元器件构成广泛应用的报警系统，BISS0001该芯片其具有较高性能的传感信号处理，独立的高输入阻抗运算放大器，可以同多种传感器匹配，是一种CMOS数模混合专用集成电路。芯片内含有电压比较器、状态控制器、延时电路定时器、封锁时间定时器以及参考电压源等单元电路［4］。

BISS0001芯片具有对输入信号放大，整形输出，报警延时等功能，与音乐芯片和扬声器配套，构成了一个完整的现场报警系统，当有人从热释电传感器通过时，BISS0001的vo口输出一个正向脉冲，报警器启动，若配有GPS系统，则向设定好的无线接收器发送信号。图2为BISS0001的常用应用电路原理图，此报警系统功能单一，不易控制。

图2 BISS0001应用电路图

在温度变化剧烈或有干扰源存在的情况下，报警器容易引起误报警或不报警，且只能监测有无人员闯入的危险状况，对于温度、湿度的监测则需要扩展传感器，但此类报警器不易扩展，必须引入低功耗单片机设计出多功能报警器，如加入节能模块、时钟和温度显示模块等。

3 热释电报警方案

3.1 MSP430G2231及OPA2348

MSP430G2231是TI公司生产的MSP430系列超低功耗混合信号微控制器之一，带有内部基准，采样与保持和自动扫描功能的10 bit/200 ksample·s－1A/D转换器，该A/D用于采集热释电红外经放大器放大的信号，以及采集当前温度值，通过算法计算得出当前报警的门限值，并与当前温度下的门限值比较，判断门限值是否超过，从而及时报警。

热释电红外的信号方案选择OPA2348放大器，该放大器是一种单电源、低功耗的CMOS运算放大器，具有宽范围的高性能运放，宽范围可以是功能方面、性能方面或技术方面。特有1 MHz的扩展带宽和45μA的电源电流，适用于由2.1～5.5 V单电源供电的低功耗应用。45μA的低电源电流和0.5 pA的输入偏置电流使OPA348系列成为诸如烟感检测器，红外传感器以及其它传感器等低功耗、高阻抗应用的最佳选择。

3.2 单片机控制方案系统框图

热释电红外传感器输出的微弱电压信号，经由OPA2348运放放大信号后，由单片机采集并进行运算处理，计算出当前温度的采集值，并于当前温度下的门限值比较，若超出，则启动报警系统，系统框图如图3所示。单片机将采集到的信号计算处理后，根据温度的变化做出相应调整，实时控制报警器。

图3 单片机方案系统框图

3.3 单片机控制方案系统原理

图4为单片机方案原理图，分为4个模块，虚线A区为热释电放大及滤波模块，由于热释电传感器的输出信号太弱以及混杂噪声，因此采用OPA2348在对该信号放大的同时滤除噪声，达到只放大输出信号的目的。B区为温度采集模块，主要采用热敏电阻加普通电阻分压的方式，输出信号经单片机ADC采集后转换为温度信号。C区报警系统模块，主要控制蜂鸣器及LED闪烁达到声光报警的目的。D区为MSP430单片机信号处理控制模块，主要负责热释电红外信号及温度信号的数据采集与处理，当超过系统报警门限值时，驱动声光报警模块完成报警。单片机程序下载采用SBW方式，在实验板上也留出了该下载口，同时留出单片机未用引脚，以备后续系统升级。

图4 单片机方案原理图

3.4 单片机控制方案算法流程

系统通电开始工作，初始化系统配置信息，热释电传感器门限值以5℃为间隔，其次配置MSP430G2231内部ADC为多通道连续采样，配置定时器为800 ms中断，此刻单片机进入低功耗模式，随后等待800 ms定时器中断唤醒单片机，读取ADC的热释电信号采样值及温度采样值，并计算当前温度值下的热释电信号是否超过程序设定的门限值，超出则发出报警信号;否则单片机进入低功耗模式并继续等待800 ms中断唤醒，重复上述过程，如图5所示。

4 实验结论

传统的热释电报警器有3大缺陷:(1)容易受其他热源、光源的干扰。(2)被动红外穿透力差，而且人体的红外辐射容易被遮挡，使得探头不易接收。(3)当环境温度与人体温度相近，探测和灵敏度便明显下降，甚至短暂失灵，而且容易受外界温度的影响。

图5 算法流程图

单片机控制方案，解决了其第(3)种缺陷，可以根据外界温度的变化，实时调节门限值，提高了热释电红外报警器灵敏度，使其不受外界温度影响而失灵。图6为Matlab仿真的传统方案和单片机方案的灵敏度随温度变化的对比图，可以看出，传统方案灵敏度变化比较大，当温度过高时，热噪声增大，灵敏度降低，报警不稳定，有警不报极易发生，当温度降低时，热噪声减小，灵敏度过高，引起无警却报的现象。单片机方案在温度变化时，调节了热噪声引起的门限值波动，灵敏度趋于稳定。图中单片机方案小幅度波动是由于取样间隔引起的，间隔越小，幅度越小，实验取5℃的取样间隔。其功能不再单一，可扩展性增强，可改变成多通道多功能的实时报警系统。最后当有热源接近时，单片机可以适当的延迟发送信号，以避免误报，若使用了更高性能的单片机，当人体温度与环境温度接近时，亦可以区分并报警。

5 结束语

基于MSP430单片机的智能热释电红外报警系统经过连续多次测试，在模拟夏季高温和冬季低温，或接近人体温度的环境下，热释电传感报警器均工作在稳定状态，灵敏度稳定在正常工作要求的范围之内。单片机智能热释电报警器的缺点是设计较复杂，成本偏高，但随着科技的进步，设计的复杂性将会更为优化，成本问题也会得到很好解决。

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［3］李静，王德兴，贾伟强.基于热释电红外传感器的人防警报器防盗系统设计［J］.电脑开发与应用，2010，23(12):26－27.

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