矿用智能型人体感应报警装置 所属技术领域
本实用新型涉及煤矿井下及有爆炸性气体环境下工作人员的安全防护领域，特别是一种利用热释电红外传感器动态检测、对工作人员接近或进入危险区域进行智能判断、实施警示及控制用的矿用智能型人体感应报警装置。
背景技术
热释电红外传感器是一种被动式调制温度传感器，它通过目标与背景的温差来探测目标，能检测人体发出的特定波长红外线信号，故又称人体运动传感器。目前生产有单元、双元、四元、180°以及灵敏度更高的蜂巢式透镜的热释电红外传感器。广泛应用于入侵报警器、自动水阀、危险警戒区域报警器等。《无线电》1998年12期31页“超小型热释电集成红外传感器”一文提出过用该传感器与单片机接口的应用。另外，在“热释电红外探测器的应用”一文中提供了利用两个热释电红外探测器判别被测物通过方向的电路。
在煤矿井下及有爆炸性气体环境下，同样需要应用工作人员进入危险区域时的安全警示装置。尤其是，现代煤矿随着采矿设备向大型机械化发展，存在有安全隐患的工作环境增多，人员疏忽误入危险区域成为造成人身事故发生的重要原因之一。经信息检索表明，国际上尚无用于矿山井下及有爆炸性气体环境下人员误入危险区域的安全保护警示及控制系统。
【发明内容】
为了解决煤矿井下及有爆炸性气体环境下工作人员误入危险区域的安全警示问题，本实用新型提供一种矿用智能型人体感应报警装置，它是防爆电气设备，适用于煤矿井下及有爆炸性气体的环境，能在工作人员接近或误入危险区域时发出声光报警及关停相关设备，保障人身安全、不受设备伤害。
本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
矿用智能型人体感应报警装置，由电源箱、检测单元、热释电红外传感器等组成。电源箱是隔爆兼本安型设备，主机箱及热释电红外传感器均为本安型设备。主机箱内安装的检测单元和热释电红外传感器的电路按本安型电路设计。检测单元是系统的核心部分，由计算机、信号放大器及报警/输出电路等组成。
本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案还可以是：
矿用智能型人体感应报警装置的热释电红外传感器采用两个或多个，以四个为优选，接于主机箱之外；并且，在检测单元增加数据采集电路，以适应处理多个传感器输出信号的需要；采用的计算机是Flash型单片机或者DSP数字信号处理器。
本实用新型的有益效果是：
1.本报警装置为防爆电气设备，适合在煤矿井下以及有爆炸性气体环境中使用。能实现人员接近危险区域前的声光报警、人员进入危险区域后的报警以及相关设备地关停与闭锁，有效保障人员安全、不受设备伤害。
2.本报警装置是由计算机构成的智能型产品，具有多功能、高可靠性。
【附图说明】
图1是本实用新型的主机箱外形及结构示意图轴测图
图2是本实用新型的热释电红外传感器的结构示意图
图3是主机箱内检测单元的构成示意图
图4是热释电红外传感器的电路原理图
图5是检测单元的模拟通道电路原理图
图6是检测单元的计算机部分的线路原理图
图7是检测单元的报警/输出电路原理图
图中：1-传感器罩、2-检测单元、3-玻璃罩、4-红外热释电传感器元件、5-信号线、6-印制板、7-主机板、8-报警输出及电源板、9-报警电源箱接口、10-本安电源接口、11-控制输出接口、12-传感器接口、13-报警指示灯、14-固定螺孔、15-复位按钮、16-电源开关
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
在图1中示出本实用新型的主机箱外形及结构。主机箱的前面板自左向右依次有四个传感器接口(12)、报警电源箱接口(9)、本安电源接口(10)、控制输出接口(11)，主机箱顶面有报警指示灯(13)、复位按钮(15)、电源开关(16)，主机箱底板有板沿，板沿上有固定螺孔(14)。
在图3中示出主机箱内检测单元(2)的构成。检测单元(2)由主机板(7)、报警/输出电源板(8)、报警输出接口(9)、本安电源接口(10)、控制输出接口(11)、传感器接口(12)、报警指示灯(13)等组成。
本实用新型矿用智能型人体感应报警装置，主要由电源箱、检测单元、热释电红外传感器组成。电源箱是隔爆兼本安型设备。检测单元是系统的核心部分，其电路由高速处理单片机、信号放大器、滤波器、数据采集电路、报警/输出电路等组成，分别安装在主机箱内的主机板(7)、报警/输出电源板(8)上。四个热释电红外传感器安装在主机箱之外，通过电缆、分别由四个传感器接口(12)接入主机箱内、与检测单元连接，可同时处理四个传感器通道的数据。电源箱通过本安电源接口(10)为主机箱内的检测单元供电。通过报警输出接口(9)接主机箱外的声报警器，通过控制输出接口(11)接主机箱外的相关设备。位于主机箱顶的报警指示灯(13)用于发出光报警信号。安装检测单元的主机箱及其外接的热释电红外传感器均设计为本安型设备。
在图2中示出传感器的结构，主要由传感器罩(1)，玻璃罩透镜(3)，热释电红外传感元件(4)，信号线(5)，印制板(6)构成。本传感器采用蜂巢式透镜，即菲涅尔透镜，每个透镜对应四个象元的探测区域，大大提高探测的灵敏度，增大探测距离，探测视场可达100°×82°以上。环境温度的变化和光线是影响传感器输出灵敏度的主要因素，选用特定波长的专用于人体特征的窄带滤光片，可有效地滤出可见光及其它热源的噪声影响。传感器采用模拟信号输出，经过A/D转换后输入到单片机，通过数字滤波处理后提取人体的特征信号。
在图4中示出的传感器电路，主要由热释电红外传感器元件(SENSOR)、前置放大器和有源滤波器组成。
热释电红外传感器元件(SENSOR)由热释电红外晶体(CRYSTAL)、负载电阻(RES2)、场效应管(Q0)构成。电阻(R1)、电阻(R2)为其场效应管(Q0)的外接漏极、源极电阻。
前置放大器由集成运算放大器(A1)OP07E及其外围元件：电阻(R3、R4)、电容器(C1、C2、C3、C5)、失调调节电位器(W1)构成。
有源滤波器由集成运算放大器(A2)OP07E及其外围元件：电阻(R5、R8)、电容器(C6～C8)、反馈调节电位器(W2)构成。OP07E为低失调集成运放。
电容器(C4)、电阻(R5)是级间耦合元件。电容器(C11、C12)是电源滤波电容。传感器输出模拟电压信号通过探测信号传输线路插座(Sout1)输出。
在图5中示出的模拟通道电路、即数据采集电路，由模拟通道选择开关(U2)、压跟随器(A3)、滤波电路、A/D转换器(U1)等组成。
单八通道模拟开关(U2)4051的四路信号输入端(X0～X3)，与探测信号传输线路插座的四路传感信号端(Sout1～Sout4)对应连接；模拟开关(U2)的输出端(X)接电压跟随器(A3)；输入端(X4)接基准电压端，基准电压由精密基准电压电路(D1)LM385与电阻(R9)构成的稳压电路提供；多路开关地址选择输入端(A、B、C)通过计算机芯片通信口插座P1.0～P1.2端接单片机P1口P10～P12端。
集成运放(A3)OP07E构成电压跟随器，其输出端经由电阻(R10)、电容器(C8)构成的滤波电路，接A/D转换器的模拟信号输入端(AIN)。
A/D转换器为10位A/D转换器(U1)TLC549。其数据输出端(DOUT)接计算机芯片通信口插座的P1.4端，转换定时时钟脉冲输入端(I/O CLK)接P1.3端，两参考电压输入端(REF+、REF-)分别接+5V电源和地端，片选端(CS)接计算机芯片通信口插座的P1.5端。计算机芯片通信口插座的P1.0～P1.7端与单片机(U3)P1口的P10～P17端对应连接。
在图6中所示的单片机部分的线路，由单片机及其外围电路：RAM、锁存器、触发器、译码器/多路转换器、微处理器监控电路、或非门等组成。
单片机(U3)采用闪存(Flash型)单片机89C55WD。有P0～P3四个双向口。
P0口(P00～P07)通过地址/数据总线，直接与数据存储器(U5)6264的数据线(D0～D7)、八D型触发器(U6)74HC273的数据线(D1～D8)相连接，同时又与八D锁存器(U4)的数据线(D0～D7)连接，锁存器(U4)的输出端(Q0～Q7)与数据存储器(U5)的低八位地址线(A0～A7)连接；单片机(U3)的允许地址锁存信号输出端(ALE/P)接锁存器(U4)的选通端(LE)。
P2口(P20～P27)为高八位地址线，其中的五位(P20～P24)接数据存储器(U5)6264的高位地址线(A8～A12)，三位(P25～P27)接3-8线译码器(U7)74HC138的地址选择输入端(A、B、C)。
P1口(P10～P17)作通用I/O口，通过计算机芯片通信口插座P1.0～P1.7端分别接模拟通道电路及报警指示灯电路的相应接线端。
P3口作多用途端口，其输出端INT1、INT0通过闭锁信号传输线路插座的P3.2、P3.3端，接报警/输出电路的光耦(OT2、OT4)。定时器1、定时器0的外部输入端(T1、T0)接DIP开关(SW)；外接晶振端(X1、X2)接晶振(QY1)、电容(C9、C10)；复位端(RESET)接二或非门(U8B)输出端；内、外存储器选择端(EA/VP)接电源正端(VCC)；外部数据存储器读写选通信号输出端(RD、WR)接数据存储器(U5)的读允许线(OE)、写允许线(WE)，写允许线(WR)还与二或非门(U8A)的输入端连接。
八D锁存器(U4)74HC373除D0～D7接数据总线、Q0～Q7接地址总线、选通端(LE)接单片机允许锁存输出端(ALE/P)外，其输出使能端OE接地。
8×8K位CMOS静态RAM(U5)6264除D0～D7接数据总线、A0～A12接地址总线外，片选端(CS1)接译码器(U7)的Y0端，片选端(CS2)接电源正端(VCC)。
八D型触发器(U6)74HC273的D1～D8接数据总线，输出端(Q1～Q4)分别接四路绿色LED(LD1～LD4)，用于传感器状态指示。电阻(R11～R14)是LED(LD1～LD4)的限流电阻。CLK端接或非门(U8A)输出端，CLR端接电源正端。
3-8线译码器(U7)74HC138的地址选择输入端(A、B、C)接地址总线，输出端(Y1)接二或非门(U8A)输入端，输出端(Y2、Y3)作备用地址端口(ADDR1、ADDR2)，E1、E2接线端，E3接电源正端。
二输入或非门(U8A)和(U8B)是4×2输入或非门74HCO2中的两个，其第三个(U8C)在图7中接成非门使用。
微处理器监控电路(U9)MAX706及其外围的复位按钮(RST)、二极管(D21)及非门(U8A)组成监控复位电路，其输出端接单片机(U3)的复位端(RESET)。
在图7中示出的报警/输出电源板上的报警输出电路，由光电耦合器、晶体管(Q1～Q3)、继电器(J0、J1)、发光二极管(LD5、LD6)等组成。
二输入或非门(U8C)接成非门后，其输入端接单片机(U3)的输出端(P16)，其输出端经电阻(R16)接晶体管(Q1)基极，作报警指示灯用的红色LED(LD5、LD6)与限流电阻(R15)串联后在晶体管(Q1)的集电极回路中作负载。
晶体管(Q2)构成第二路报警/输出回路。单片机(U3)的INT1端，经闭锁信号传输线路插座P3.2端接光耦(OT2)初级的负端，两光耦(OT1、OT2)的输入端顺向串联后、经电阻(R17)接电源正端(VCC)，光耦(OT2)的输出端接于晶体管(Q2)基极、集电极之间，继电器(J0)作晶体管(Q2)集电极回路的负载、与保护二极管(D22)并联。继电器(J0)的常开点(J0-1)接入现场相关设备控制回路中。
晶体管(Q3)、光耦(OT3、OT4)、继电器(J1)及二极管(D23)构成第三路报警/输出回路，与第二路相同；该回路的输入端、即光耦(OT4)输入两端的负端，经报警执行信号传输线路插座的P3.3端接单片机(U3)的INT0端。继电器(J1)的常开点(J1-1)接入铃声报警器执行回路中。
报警/输出电源板上的电源电路采用电磁兼容性高的开关稳压电源，将12V直流电压变换为+12V、-12V、+24V、+5V(VCC)多路电源电压。
检测单元为达到本安型电路的要求，所用集成电路一般均选用低功耗CMOS电路。主机箱内的电路与外接热释电红外传感器电路按本质安全型(i)设计，供电由隔爆兼本安型的电源箱提供。
检测单元的控制输出为无源触点，通过本安电源的隔爆腔与其它防爆设备连接。输出部分经过光电隔离后又经过一级继电器电磁隔离。而且，控制输出采用设备停车闭锁控制，即只控制停止不控制启动。
电源箱将127V交流电源电压转换为12V直流输出，为隔爆兼本安型设计。输入为隔爆型、输出为本安型，具有短路、过流、过压保护功能。直流输出与输入全隔离。
除上例外，本实用新型的检测单元所用的单片机也可以采用数据处理速度更快的DSP计算机，即，软件可编程数字信号处理器。它采用哈佛存储器结构，具有专门的乘法器，采用流水线指令队列操作，使用DSP指令，用来快速实现各种数字信号的处理算法。具体采用美国TI公司TMS320VC5402芯片，其外围电路中扩展数据存储器、程序存储器、WATCHDOG程序运行监视电路。该芯片具有16K的内部存储器和1M的外部程序存储器、64K I/O的寻址能力，具有100MHZ外频和100MPIS、即每秒一亿次指令运算的能力。在本系统中DSP主要用于数字滤波和人员移动模式数据解算。
工作原理：
在危险区域安装多个热释电红外传感器，当工作人员接近危险区域并向危险区域移动时，人体红外辐射引起的变化将被传感器探测到、并被转换为电信号，传感器输出的电信号经前置放大器(A1)放大，滤波器(A2)滤波后，传送给检测单元，送入模拟通道选择开关(U2)，选择某一路信号送A/D转换器(U1)，经A/D转换将输出的模拟量信号转换为数字量，转换后的数字量送单片机(U3)处理，单片机(U3)系统在程序控制下对数据高速处理，判断移动人员的行动方向后，对报警输出板输出两路控制信号：一路由单片机(U3)的P16端输出低电平，经非门(U8C)反相输出高电平，使报警输出板的晶体管(Q1)导通，红色LED(LD5、LD6)发光，发出光报警信号；另一路由单片机(U3)的INT0端输出低电平，经光耦(OT3)隔离耦合，晶体管(Q3)导通，继电器(J1)动作吸合，常开点(J1-1)接通声报警器，发出报警铃声。当人员已进入危险区域时，单片机(U3)输出第三路控制信号：由单片机(U3)INT1端输出低电平，经光耦(OT1)隔离耦合，晶体管(Q2)导通，继电器(J0)动作吸合，常开点(J0-1)接通，通过控制回路使现场相关设备立即停车并闭锁。当人工强制解除闭锁控制时，检测单元的声、光报警信号仍有效。
元件型号与规格：
光电耦合器OT1～OT4：TLP521-2 电阻R8：82～100KΩ
三极管Q1、Q2、Q3：C9013 电阻R9：5.1～12KΩ
发光二极管LD1～LD4：绿色 电阻R10：1～3KΩ
发光二极管LD5、LD6：红色 电阻R11～R15：330～510KΩ
稳压管D1：LM385-2.5 电阻R16：2～4.7KΩ
二极管D21：1N4148 电阻R17、R18：1～2KΩ
二极管D22、D23：1N4001 电容器C1：51～120pF
DIP开关SW：DIP-2 电容器C2：0.01～0.047μF
电位器W1：5.1～12KΩ 电容器C3：3300～6800PF
电位器W2：220～510KΩ 电容器C4、C5：22～47μF
电阻R1：33～62KΩ 电容器C6：0.047～0.1μF
电阻R2：36～62KΩ 电容器C7：1000～2200PF
电阻R3：36～62KΩ 电容器C8：4.7～22μF
电阻R4：5.1～15KΩ 电容器C9、C10：20PF
电阻R5：5.1～15KΩ 电容器C11：0.01～0.022μF
电阻R6：12～33KΩ 电容器C12：10～22μF
电阻R7：82～100KΩ