浅析单片机的红外测控系统

胡铭

（安徽工业大学电气与信息工程学院，安徽马鞍山，243000）

近年来，一些城市将路灯作为了城市修建重要项目之一，随着路灯数量的增加，所需电能越来越高。为了实现节能控制目标，路灯测控装置应运而生[1]。其中，应用比较多的是红外测控系统。本文将选取单片机作为核心控制装置，设计一套红外测控系统。

1 单片机与红外测控系统相关介绍

1.1 单片机运行原理

单片机是一种在线实时控制方式，将其安装于控制现场进行测控。该装置自身具有较强的抗干扰能力，不易受到外界环境干扰，开发成本较低，因此，成为了众多系统开发的首要选择[2]。单片机又被称作单片微控制器，将计算机系统集成到一个芯片上，开发功能强大，主要由3部分构成，包括存储器、控制器、运算器，可以将其看作一个微控制器[3]。

在实际开发中，根据控制功能需求，利用C语言、C++等程序开发语言编写程序，通过程序编写来实现不同控制功能。所有编写出的程序经过烧写下载到单片机中，最终存储到存储器中，根据指令要求下达操控命令[4]。目前，应用比较多的单片机为89C51单片机，属于通用型单片机，支持C语言、C++语言程序开发[5]。

1.2 红外测控系统相关理论

红外技术是一种新型检测、跟踪、成像等多功能综合技术，在军事上应用较多。经过多年发展，红外技术发展为红外检测、红外防伪、红外理疗、红外遥感等技术，在多个领域得到了广泛应用[6]。利用红外传感器采集到信号后，根据信号变化情况，采取控制处理措施，形成了基于红外技术的测控系统，由检测和控制两部分组成。其中，红外检测部分是利用传感器，搭建红外传感信息采集电路，从而实现信号采集[8]。按照功能不同，可以将红外传感信息采集系统划分为5种类型：

（1）搜索与跟踪系统。该系统主要用于跟踪目标，可以依据监控需求设置跟踪目标，通过分析目标运动轨迹，实时获取目标所在地理位置。

（2）热成像系统。根据热效应原理生成分布图像。

（3）辐射计。该类型信息采集系统主要用于辐射和测量光谱。

（4）混合系统。由两个或者两个以上不同类型系统组合而成。

（5）红外测距。该类型系统属于通信类系统，主要用于测量目标与参考点距离。

2 单片机红外测控系统设计功能要求与芯片选择

2.1 系统功能要求与构成

本文以节能灯为测控对象，采用红外技术，设计一套单片机红外测控系统。对于该系统功能设计要求如下：

利用红外反射式光电传感器采集信号，通过分析信号变化情况，判断是否有物体从路灯下经过；利用声音传感器采集车辆行驶声音信号，根据信号变化确定是否有车辆通过；利用红外人体识别传感器采集路人经过信号，将其作为路灯工作状态控制主要依据。要求检测到信号后点亮路灯，反之，延时一段时间切断路灯线路，使得路灯线路转为断开状态。另外，在电路中还要添加明暗程度检测器件，用于检测路灯是否发生故障，如果路灯处于故障状态，则通过报警装置发出警示，并锁定故障路灯所处位置。

图1 红外测控方案结构图

根据上述要求，设计如图1所示的红外测控方案结构图。

在图1中，系统利用光敏电阻检测路灯是否发生故障，如果无损坏，则利用红外反射式光电传感器采集光纤信号，并将检测到的信号分别经过声音传感器、红外人体识别传感器判断信号类型，从而确定路灯下经过的是行人还是车辆，根据确定结果，利用单片机控制路灯工作状态，实现节能照明目的。

2.2 芯片选型与功能介绍

89C51单片机是一种通用型单片机，不仅开发成本低，而且不容易受到外界干扰，由1个串行中断、2个定时计数中断、2个外中断、4个8位并行输入口组成。该装置内部设有时钟电路，通过外接电容和石英晶体构成。目前，89C51单片机数据采集与时间精度逐渐完善，产生的误差在允许范围之内，在各个领域得到了广泛应用。因此，本文选取89C51型号单片机作为红外测控系统核心控制器，以下为引脚功能。

根据引脚功能不同，可以将单片机引脚划分为4种类型，包括电源、控制、时钟、I/O引脚。

（1）电源

该芯片有两个电源，包括VCC和VSS。前者指的是微处理器芯片电源，工作电压为+5V，后者指的接地电源。

（2）控制

89C51单片机有4根控制线，包括ALE/PROG、PSEN、RST/VPD、EA/VPP。

②PSEN控制线：该控制线指的是外ROM读选通信号。

③RST/VPD控制线：该控制线指的是复位/备用电源。其中，RST作为信号复位的输入端；VPD用于连接备用电源，以免芯片VCC掉电情况。

④EA/VPP控制线：该控制线用于选择ROM，通过程序控制EPROM。其中，EA作为内外ROM选择端；VPP内部含有EPROM芯片，为微处理器提供编程电源。

（3）时钟

微控制器的时钟分为两部分，包括XTAL1和XTAL2，前者为晶体振荡电路反相输入端，后者指的是电路反相输出端。

（4）I/O引脚

该类型微处理器含有32个I/O端口，包括P0、P1、P2、P3。其中，P0口与上拉电阻连接，P3口用于输入与输出特殊信号，除此之外，该端口还支持控制信号的输入与输出。本文研究的89C51微处理器以“1”为使能端。

3 单片机红外测控系统设计具体流程

本文选取89C51单片机作为核心控制器，利用该芯片控制路灯工作状态，按照上述提到的系统整体设计方案结构图，将系统划分为硬件部分和软件部分，分别进行设计。

我国是一个钾肥消费大国，但资源匮乏，特别是可溶性钾资源宝贵，让中国不得不重视资源的有序开采。为保障我国钾资源的可持续供应，中国工程院院士郑绵平对我国钾盐行业发展提出建议，他说，“为了我国钾盐行业顺利发展，行业应当居安思危，认真分析前进中存在的问题。我国钾盐可采储量不足，分布不均，尚未找到大型可溶性固体钾盐矿床，枸溶性杂卤石还未得到重视和开发。”

3.1 系统硬件设计

利用89C51单片机采集光电信号，并对这些信号进行处理，将经过处理后的信号导入执行机构中。对于芯片硬件电路连接的设计，本文是将P0、P1、P2、P3作为信号的输出端口与输出端口。如图2所示为系统电路设计图。

依据图2的系统电路设计图，将传感器信号检测与控制电路划分为4个模块分别进行设计，包括光敏电阻控制模块、红外检测模块、声音检测模块、红外人体识别检测模块。

（1）光敏电阻控制模块

将光敏电阻的两极与电压两极连接建立通路，闭合开关后电路中有电流流过，此时阳光照射到电阻上，电流随着光照强度的变化而变化，使得光能转换为电能。当光照强度逐渐增加时，光敏电阻将随之改变。为了使得路灯在不同光线下均能够根据控制需求工作，本文在设计红外测控系统时，在电路中添加了光敏电阻器件，从而实现光电自动控制。

（2）红外检测模块

本文选取LM393作为核心控制器件，利用光敏电阻R20、R21、R6采集路灯信号，在LM393控制下，将采集到的信号转换为电信号，通过电路输出端传输至89C51单片机中。

该实际运行中，利用发光二极管、激光、半导体光源产生光束，更改光束脉宽或者持续发射光束等。在系统接收端连接光电池，为其提供工作电源。为了便于擦空，本文选取接收器前端作为透镜跟光圈布设位置。另外，光敏电阻信号接收端还与检测端建立连接，以此达到检测目的，并且可以将光电信号与其他信号分离。

图3 系统软件流程图

（3）声音检测模块

该功能模块是利用声音传感器采集声音信号，通过话筒器件识别敏感声音。如果有声音，则话筒薄膜将震动，形成脉冲信号，使得电路中的电容发生变化，产生声波能量电压。通常情况下，电压变化范围在0至5V。生成信号经过A/D转换后发送到信号接收端。

本文选取BR-ZS1型号传感器作为声音传感器，用于检测噪声信号。该传感器运行稳定，支持24小时不间断工作。另外，该电路中还添加了报警装置，如果噪声超出了指定范围，则认为此时有车经过路灯，系统在控制路灯工作状态的同时发出警报，判定结果为有车辆经过路灯。

（4）红外人体识别检测模块

人体识别传感器规模较小，灵敏度较高，在各个领域均有所应用。在本文设计的红外测控系统中，该传感器主要用于人脸识别，将采集到的信号进行放大处理、经过透镜处理，从输出端口传输至系统主控端，从而获取人脸识别信号，根据信号情况判断是否有路人经过路灯，从而下达路灯工作控制命令。

3.2 系统软件开发

本文利用上位PC机开发系统软件，利用红外传感器采集信号，判断信号为声音信号还是人通过信号，下达LED路灯控制命令，从而实现红外测控。如图3所示的软件流程图。

第一步：系统初始化处理；

第二步：判断路灯周围环境光线是否较弱，如果较弱，则执行第三步；反之，点亮小功率LED灯；

第三步：等待物体经过红外测控系统监控区域；

第四步：判断信号为声音信号还是人通过信号；

第五步：点亮大功率LED灯；

第六步：判断大功率LED灯是否点亮，如果已经点亮，则结束此程序，开始下一次循环；反之，系统自动发出警报，通过显示屏显示故障位置。

4 结论

本文主要对红外测控系统的设计展开研究，根据系统开发成本、难易程度，选取89C51单片机作为核心控制器，采用红外传感器采集声音信号和光信号，根据信号变化情况，判断路灯下是否有车辆或者路人经过，根据判断结果控制LED路灯工作状态。为了提高系统安全性，本文在电路中设计了安全报警电路，用于提示用户LED路灯是否发生故障。通过本文的研究，可以实现路灯节能控制。