專利名稱：礦用智能型人體感應(yīng)報警裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及煤礦井下及有爆炸性氣體環(huán)境下工作人員的安全防護領(lǐng)域，特別是一種利用熱釋電紅外傳感器動態(tài)檢測、對工作人員接近或進入危險區(qū)域進行智能判斷、實施警示及控制用的礦用智能型人體感應(yīng)報警裝置。
背景技術(shù)：
熱釋電紅外傳感器是一種被動式調(diào)制溫度傳感器，它通過目標與背景的溫差來探測目標，能檢測人體發(fā)出的特定波長紅外線信號，故又稱人體運動傳感器。目前生產(chǎn)有單元、雙元、四元、180°以及靈敏度更高的蜂巢式透鏡的熱釋電紅外傳感器。廣泛應(yīng)用于入侵報警器、自動水閥、危險警戒區(qū)域報警器等?！稛o線電》1998年12期31頁“超小型熱釋電集成紅外傳感器”一文提出過用該傳感器與單片機接口的應(yīng)用。另外，在“熱釋電紅外探測器的應(yīng)用”一文中提供了利用兩個熱釋電紅外探測器判別被測物通過方向的電路。
在煤礦井下及有爆炸性氣體環(huán)境下，同樣需要應(yīng)用工作人員進入危險區(qū)域時的安全警示裝置。尤其是，現(xiàn)代煤礦隨著采礦設(shè)備向大型機械化發(fā)展，存在有安全隱患的工作環(huán)境增多，人員疏忽誤入危險區(qū)域成為造成人身事故發(fā)生的重要原因之一。經(jīng)信息檢索表明，國際上尚無用于礦山井下及有爆炸性氣體環(huán)境下人員誤入危險區(qū)域的安全保護警示及控制系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決煤礦井下及有爆炸性氣體環(huán)境下工作人員誤入危險區(qū)域的安全警示問題，本實用新型提供一種礦用智能型人體感應(yīng)報警裝置，它是防爆電氣設(shè)備，適用于煤礦井下及有爆炸性氣體的環(huán)境，能在工作人員接近或誤入危險區(qū)域時發(fā)出聲光報警及關(guān)停相關(guān)設(shè)備，保障人身安全、不受設(shè)備傷害。
本實用新型為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是礦用智能型人體感應(yīng)報警裝置，由電源箱、檢測單元、熱釋電紅外傳感器等組成。電源箱是隔爆兼本安型設(shè)備，主機箱及熱釋電紅外傳感器均為本安型設(shè)備。主機箱內(nèi)安裝的檢測單元和熱釋電紅外傳感器的電路按本安型電路設(shè)計。檢測單元是系統(tǒng)的核心部分，由計算機、信號放大器及報警/輸出電路等組成。
本實用新型為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案還可以是礦用智能型人體感應(yīng)報警裝置的熱釋電紅外傳感器采用兩個或多個，以四個為優(yōu)選，接于主機箱之外；并且，在檢測單元增加數(shù)據(jù)采集電路，以適應(yīng)處理多個傳感器輸出信號的需要；采用的計算機是Flash型單片機或者DSP數(shù)字信號處理器。
本實用新型的有益效果是1.本報警裝置為防爆電氣設(shè)備，適合在煤礦井下以及有爆炸性氣體環(huán)境中使用。能實現(xiàn)人員接近危險區(qū)域前的聲光報警、人員進入危險區(qū)域后的報警以及相關(guān)設(shè)備的關(guān)停與閉鎖，有效保障人員安全、不受設(shè)備傷害。
2.本報警裝置是由計算機構(gòu)成的智能型產(chǎn)品，具有多功能、高可靠性。


圖1是本實用新型的主機箱外形及結(jié)構(gòu)示意圖軸測圖圖2是本實用新型的熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖圖3是主機箱內(nèi)檢測單元的構(gòu)成示意圖圖4是熱釋電紅外傳感器的電路原理圖圖5是檢測單元的模擬通道電路原理圖圖6是檢測單元的計算機部分的線路原理圖圖7是檢測單元的報警/輸出電路原理圖圖中1-傳感器罩、2-檢測單元、3-玻璃罩、4-紅外熱釋電傳感器元件、5-信號線、6-印制板、7-主機板、8-報警輸出及電源板、9-報警電源箱接口、10-本安電源接口、11-控制輸出接口、12-傳感器接口、13-報警指示燈、14-固定螺孔、15-復(fù)位按鈕、16-電源開關(guān)具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
在圖1中示出本實用新型的主機箱外形及結(jié)構(gòu)。主機箱的前面板自左向右依次有四個傳感器接口(12)、報警電源箱接口(9)、本安電源接口(10)、控制輸出接口(11)，主機箱頂面有報警指示燈(13)、復(fù)位按鈕(15)、電源開關(guān)(16)，主機箱底板有板沿，板沿上有固定螺孔(14)。
在圖3中示出主機箱內(nèi)檢測單元(2)的構(gòu)成。檢測單元(2)由主機板(7)、報警/輸出電源板(8)、報警輸出接口(9)、本安電源接口(10)、控制輸出接口(11)、傳感器接口(12)、報警指示燈(13)等組成。
本實用新型礦用智能型人體感應(yīng)報警裝置，主要由電源箱、檢測單元、熱釋電紅外傳感器組成。電源箱是隔爆兼本安型設(shè)備。檢測單元是系統(tǒng)的核心部分，其電路由高速處理單片機、信號放大器、濾波器、數(shù)據(jù)采集電路、報警/輸出電路等組成，分別安裝在主機箱內(nèi)的主機板(7)、報警/輸出電源板(8)上。四個熱釋電紅外傳感器安裝在主機箱之外，通過電纜、分別由四個傳感器接口(12)接入主機箱內(nèi)、與檢測單元連接，可同時處理四個傳感器通道的數(shù)據(jù)。電源箱通過本安電源接口(10)為主機箱內(nèi)的檢測單元供電。通過報警輸出接口(9)接主機箱外的聲報警器，通過控制輸出接口(11)接主機箱外的相關(guān)設(shè)備。位于主機箱頂?shù)膱缶甘緹?13)用于發(fā)出光報警信號。安裝檢測單元的主機箱及其外接的熱釋電紅外傳感器均設(shè)計為本安型設(shè)備。
在圖2中示出傳感器的結(jié)構(gòu)，主要由傳感器罩(1)，玻璃罩透鏡(3)，熱釋電紅外傳感元件(4)，信號線(5)，印制板(6)構(gòu)成。本傳感器采用蜂巢式透鏡，即菲涅爾透鏡，每個透鏡對應(yīng)四個象元的探測區(qū)域，大大提高探測的靈敏度，增大探測距離，探測視場可達100°×82°以上。環(huán)境溫度的變化和光線是影響傳感器輸出靈敏度的主要因素，選用特定波長的專用于人體特征的窄帶濾光片，可有效地濾出可見光及其它熱源的噪聲影響。傳感器采用模擬信號輸出，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后輸入到單片機，通過數(shù)字濾波處理后提取人體的特征信號。
在圖4中示出的傳感器電路，主要由熱釋電紅外傳感器元件(SENSOR)、前置放大器和有源濾波器組成。
熱釋電紅外傳感器元件(SENSOR)由熱釋電紅外晶體(CRYSTAL)、負載電阻(RES2)、場效應(yīng)管(Q0)構(gòu)成。電阻(R1)、電阻(R2)為其場效應(yīng)管(Q0)的外接漏極、源極電阻。
前置放大器由集成運算放大器(A1)OP07E及其外圍元件電阻(R3、R4)、電容器(C1、C2、C3、C5)、失調(diào)調(diào)節(jié)電位器(W1)構(gòu)成。
有源濾波器由集成運算放大器(A2)OP07E及其外圍元件電阻(R5、R8)、電容器(C6～C8)、反饋調(diào)節(jié)電位器(W2)構(gòu)成。OP07E為低失調(diào)集成運放。
電容器(C4)、電阻(R5)是級間耦合元件。電容器(C11、C12)是電源濾波電容。傳感器輸出模擬電壓信號通過探測信號傳輸線路插座(Sout1)輸出。
在圖5中示出的模擬通道電路、即數(shù)據(jù)采集電路，由模擬通道選擇開關(guān)(U2)、壓跟隨器(A3)、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換器(U1)等組成。
單八通道模擬開關(guān)(U2)4051的四路信號輸入端(X0～X3)，與探測信號傳輸線路插座的四路傳感信號端(Sout1～Sout4)對應(yīng)連接；模擬開關(guān)(U2)的輸出端(X)接電壓跟隨器(A3)；輸入端(X4)接基準電壓端，基準電壓由精密基準電壓電路(D1)LM385與電阻(R9)構(gòu)成的穩(wěn)壓電路提供；多路開關(guān)地址選擇輸入端(A、B、C)通過計算機芯片通信口插座P1.0～P1.2端接單片機P1口P10～P12端。
集成運放(A3)OP07E構(gòu)成電壓跟隨器，其輸出端經(jīng)由電阻(R10)、電容器(C8)構(gòu)成的濾波電路，接A/D轉(zhuǎn)換器的模擬信號輸入端(AIN)。
A/D轉(zhuǎn)換器為10位A/D轉(zhuǎn)換器(U1)TLC549。其數(shù)據(jù)輸出端(DOUT)接計算機芯片通信口插座的P1.4端，轉(zhuǎn)換定時時鐘脈沖輸入端(I/O CLK)接P1.3端，兩參考電壓輸入端(REF+、REF-)分別接+5V電源和地端，片選端(CS)接計算機芯片通信口插座的P1.5端。計算機芯片通信口插座的P1.0～P1.7端與單片機(U3)P1口的P10～P17端對應(yīng)連接。
在圖6中所示的單片機部分的線路，由單片機及其外圍電路RAM、鎖存器、觸發(fā)器、譯碼器/多路轉(zhuǎn)換器、微處理器監(jiān)控電路、或非門等組成。
單片機(U3)采用閃存(Flash型)單片機89C55WD。有P0～P3四個雙向口。
P0口(P00～P07)通過地址/數(shù)據(jù)總線，直接與數(shù)據(jù)存儲器(U5)6264的數(shù)據(jù)線(D0～D7)、八D型觸發(fā)器(U6)74HC273的數(shù)據(jù)線(D1～D8)相連接，同時又與八D鎖存器(U4)的數(shù)據(jù)線(D0～D7)連接，鎖存器(U4)的輸出端(Q0～Q7)與數(shù)據(jù)存儲器(U5)的低八位地址線(A0～A7)連接；單片機(U3)的允許地址鎖存信號輸出端(ALE/P)接鎖存器(U4)的選通端(LE)。
P2口(P20～P27)為高八位地址線，其中的五位(P20～P24)接數(shù)據(jù)存儲器(U5)6264的高位地址線(A8～A12)，三位(P25～P27)接3-8線譯碼器(U7)74HC138的地址選擇輸入端(A、B、C)。
P1口(P10～P17)作通用I/O口，通過計算機芯片通信口插座P1.0～P1.7端分別接模擬通道電路及報警指示燈電路的相應(yīng)接線端。
P3口作多用途端口，其輸出端INT1、INT0通過閉鎖信號傳輸線路插座的P3.2、P3.3端，接報警/輸出電路的光耦(OT2、OT4)。定時器1、定時器0的外部輸入端(T1、T0)接DIP開關(guān)(SW)；外接晶振端(X1、X2)接晶振(QY1)、電容(C9、C10)；復(fù)位端(RESET)接二或非門(U8B)輸出端；內(nèi)、外存儲器選擇端(EA/VP)接電源正端(VCC)；外部數(shù)據(jù)存儲器讀寫選通信號輸出端(RD、WR)接數(shù)據(jù)存儲器(U5)的讀允許線(OE)、寫允許線(WE)，寫允許線(WR)還與二或非門(U8A)的輸入端連接。
八D鎖存器(U4)74HC373除D0～D7接數(shù)據(jù)總線、Q0～Q7接地址總線、選通端(LE)接單片機允許鎖存輸出端(ALE/P)外，其輸出使能端OE接地。
8×8K位CMOS靜態(tài)RAM(U5)6264除D0～D7接數(shù)據(jù)總線、A0～A12接地址總線外，片選端(CS1)接譯碼器(U7)的Y0端，片選端(CS2)接電源正端(VCC)。
八D型觸發(fā)器(U6)74HC273的D1～D8接數(shù)據(jù)總線，輸出端(Q1～Q4)分別接四路綠色LED(LD1～LD4)，用于傳感器狀態(tài)指示。電阻(R11～R14)是LED(LD1～LD4)的限流電阻。CLK端接或非門(U8A)輸出端，CLR端接電源正端。
3-8線譯碼器(U7)74HC138的地址選擇輸入端(A、B、C)接地址總線，輸出端(Y1)接二或非門(U8A)輸入端，輸出端(Y2、Y3)作備用地址端口(ADDR1、ADDR2)，E1、E2接線端，E3接電源正端。
二輸入或非門(U8A)和(U8B)是4×2輸入或非門74HCO2中的兩個，其第三個(U8C)在圖7中接成非門使用。
微處理器監(jiān)控電路(U9)MAX706及其外圍的復(fù)位按鈕(RST)、二極管(D21)及非門(U8A)組成監(jiān)控復(fù)位電路，其輸出端接單片機(U3)的復(fù)位端(RESET)。
在圖7中示出的報警/輸出電源板上的報警輸出電路，由光電耦合器、晶體管(Q1～Q3)、繼電器(J0、J1)、發(fā)光二極管(LD5、LD6)等組成。
二輸入或非門(U8C)接成非門后，其輸入端接單片機(U3)的輸出端(P16)，其輸出端經(jīng)電阻(R16)接晶體管(Q1)基極，作報警指示燈用的紅色LED(LD5、LD6)與限流電阻(R15)串聯(lián)后在晶體管(Q1)的集電極回路中作負載。
晶體管(Q2)構(gòu)成第二路報警/輸出回路。單片機(U3)的INT1端，經(jīng)閉鎖信號傳輸線路插座P3.2端接光耦(OT2)初級的負端，兩光耦(OT1、OT2)的輸入端順向串聯(lián)后、經(jīng)電阻(R17)接電源正端(VCC)，光耦(OT2)的輸出端接于晶體管(Q2)基極、集電極之間，繼電器(J0)作晶體管(Q2)集電極回路的負載、與保護二極管(D22)并聯(lián)。繼電器(J0)的常開點(J0-1)接入現(xiàn)場相關(guān)設(shè)備控制回路中。
晶體管(Q3)、光耦(OT3、OT4)、繼電器(J1)及二極管(D23)構(gòu)成第三路報警/輸出回路，與第二路相同；該回路的輸入端、即光耦(OT4)輸入兩端的負端，經(jīng)報警執(zhí)行信號傳輸線路插座的P3.3端接單片機(U3)的INT0端。繼電器(J1)的常開點(J1-1)接入鈴聲報警器執(zhí)行回路中。
報警/輸出電源板上的電源電路采用電磁兼容性高的開關(guān)穩(wěn)壓電源，將12V直流電壓變換為+12V、-12V、+24V、+5V(VCC)多路電源電壓。
檢測單元為達到本安型電路的要求，所用集成電路一般均選用低功耗CMOS電路。主機箱內(nèi)的電路與外接熱釋電紅外傳感器電路按本質(zhì)安全型(i)設(shè)計，供電由隔爆兼本安型的電源箱提供。
檢測單元的控制輸出為無源觸點，通過本安電源的隔爆腔與其它防爆設(shè)備連接。輸出部分經(jīng)過光電隔離后又經(jīng)過一級繼電器電磁隔離。而且，控制輸出采用設(shè)備停車閉鎖控制，即只控制停止不控制啟動。
電源箱將127V交流電源電壓轉(zhuǎn)換為12V直流輸出，為隔爆兼本安型設(shè)計。輸入為隔爆型、輸出為本安型，具有短路、過流、過壓保護功能。直流輸出與輸入全隔離。
除上例外，本實用新型的檢測單元所用的單片機也可以采用數(shù)據(jù)處理速度更快的DSP計算機，即，軟件可編程數(shù)字信號處理器。它采用哈佛存儲器結(jié)構(gòu)，具有專門的乘法器，采用流水線指令隊列操作，使用DSP指令，用來快速實現(xiàn)各種數(shù)字信號的處理算法。具體采用美國TI公司TMS320VC5402芯片，其外圍電路中擴展數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、WATCHDOG程序運行監(jiān)視電路。該芯片具有16K的內(nèi)部存儲器和1M的外部程序存儲器、64K I/O的尋址能力，具有100MHZ外頻和100MPIS、即每秒一億次指令運算的能力。在本系統(tǒng)中DSP主要用于數(shù)字濾波和人員移動模式數(shù)據(jù)解算。
工作原理在危險區(qū)域安裝多個熱釋電紅外傳感器，當工作人員接近危險區(qū)域并向危險區(qū)域移動時，人體紅外輻射引起的變化將被傳感器探測到、并被轉(zhuǎn)換為電信號，傳感器輸出的電信號經(jīng)前置放大器(A1)放大，濾波器(A2)濾波后，傳送給檢測單元，送入模擬通道選擇開關(guān)(U2)，選擇某一路信號送A/D轉(zhuǎn)換器(U1)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換將輸出的模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送單片機(U3)處理，單片機(U3)系統(tǒng)在程序控制下對數(shù)據(jù)高速處理，判斷移動人員的行動方向后，對報警輸出板輸出兩路控制信號一路由單片機(U3)的P16端輸出低電平，經(jīng)非門(U8C)反相輸出高電平，使報警輸出板的晶體管(Q1)導通，紅色LED(LD5、LD6)發(fā)光，發(fā)出光報警信號；另一路由單片機(U3)的INT0端輸出低電平，經(jīng)光耦(OT3)隔離耦合，晶體管(Q3)導通，繼電器(J1)動作吸合，常開點(J1-1)接通聲報警器，發(fā)出報警鈴聲。當人員已進入危險區(qū)域時，單片機(U3)輸出第三路控制信號由單片機(U3)INT1端輸出低電平，經(jīng)光耦(OT1)隔離耦合，晶體管(Q2)導通，繼電器(J0)動作吸合，常開點(J0-1)接通，通過控制回路使現(xiàn)場相關(guān)設(shè)備立即停車并閉鎖。當人工強制解除閉鎖控制時，檢測單元的聲、光報警信號仍有效。
元件型號與規(guī)格光電耦合器OT1～OT4TLP521-2 電阻R882～100KΩ三極管Q1、Q2、Q3C9013 電阻R95.1～12KΩ發(fā)光二極管LD1～LD4綠色 電阻R101～3KΩ發(fā)光二極管LD5、LD6紅色 電阻R11～R15330～510KΩ穩(wěn)壓管D1LM385-2.5電阻R162～4.7KΩ二極管D211N4148 電阻R17、R181～2KΩ二極管D22、D231N4001電容器C151～120pFDIP開關(guān)SWDIP-2電容器C20.01～0.047μF電位器W15.1～12KΩ 電容器C33300～6800PF電位器W2220～510KΩ電容器C4、C522～47μF電阻R133～62KΩ電容器C60.047～0.1μF電阻R236～62KΩ電容器C71000～2200PF電阻R336～62KΩ 電容器C84.7～22μF電阻R45.1～15KΩ 電容器C9、C1020PF電阻R55.1～15KΩ 電容器C110.01～0.022μF電阻R612～33KΩ 電容器C1210～22μF電阻R782～100KΩ
權(quán)利要求1.一種礦用智能型人體感應(yīng)報警裝置，包括電源部分、檢測單元、熱釋電紅外傳感器，檢測單元包括計算機、信號放大器、報警/輸出電路，其特征在于所說的電源部分為隔爆兼本安型的電源箱，其內(nèi)裝有檢測單元的主機箱及熱釋電紅外傳感器均為本安型設(shè)備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦用智能型人體感應(yīng)報警裝置，其特征在于所說的熱釋電紅外傳感器至少為兩個、接于主機箱之外，檢測單元電路中含有數(shù)據(jù)采集電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的礦用智能型人體感應(yīng)報警裝置，其特征在于所說的熱釋電紅外傳感器為四個。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦用智能型人體感應(yīng)報警裝置，其特征在于所說的計算機為Flash型單片機(U3)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦用智能型人體感應(yīng)報警裝置，其特征在于所說的計算機為DSP數(shù)字信號處理器。
專利摘要一種礦用智能型人體感應(yīng)報警裝置，由電源箱、檢測單元、熱釋電紅外傳感器等組成。電源箱是隔爆兼本安型設(shè)備，主機箱及熱釋電紅外傳感器均為本安型設(shè)備。主機箱內(nèi)的檢測單元是本裝置的核心部分，由計算機、信號放大器、報警/輸出電路等組成。熱釋電紅外傳感器可采用多個、且外接，并增加數(shù)據(jù)采集電路。計算機采用Flash型單片機或DSP數(shù)字信號處理器。適于在煤礦井下以及有爆炸性氣體環(huán)境中使用，能實現(xiàn)人員接近或進入危險區(qū)域時進行聲光報警、以及相關(guān)設(shè)備的關(guān)停與閉鎖，保障人員安全不受設(shè)備傷害。本裝置是由計算機組成的智能型產(chǎn)品，具有多功能、高可靠性。
文檔編號E21F17/18GK2700568SQ20042003981
公開日2005年5月18日 申請日期2004年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月16日
發(fā)明者宮志, 張永亮, 孔慶康, 辛忠玉, 康丹 申請人:兗礦集團有限公司