基于單片機(jī)和超聲波換能器實(shí)現(xiàn)人探測(cè)裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

使用超聲波可以很方便的對(duì)一定空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行有效的探測(cè)，具有安裝方便，探測(cè)效果好的特點(diǎn)。本文介紹一種利用超聲波多普勒效應(yīng)設(shè)計(jì)的來(lái)人探測(cè)裝置。該設(shè)計(jì)使用了PIC16F628A單片機(jī)，對(duì)以往用到的超聲波探測(cè)硬件電路進(jìn)行改進(jìn)，利用軟件編程對(duì)來(lái)人情況進(jìn)行有效地探測(cè)，繼而輸出控制信號(hào)控制照明裝置的開(kāi)關(guān)。

1 、工作原理及特點(diǎn)

當(dāng)聲源與聲波接收器之間存在有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，聲波接收器所接收到的信號(hào)頻率將與傳播的聲波頻率有所不同，頻率差量與聲源和接收器之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，這就是多普勒效應(yīng)造成的。本設(shè)計(jì)采用超聲波發(fā)送器和接收器均朝同方向固定不動(dòng)，當(dāng)有障礙物體朝向或者遠(yuǎn)離二者運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以看作是由障礙物表面對(duì)聲波的反射效應(yīng)所形成的鏡像聲源與接收器之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同樣可以利用多普勒效應(yīng)，根據(jù)接收器收到的信號(hào)來(lái)判斷是否有人在探測(cè)范圍內(nèi)移動(dòng)。

該裝置同時(shí)具有超聲波發(fā)射和接收換能器，使用時(shí)安裝方便。正面最大探測(cè)距離在1～5．5 m可調(diào)，可以對(duì)該空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行有效地探測(cè)。當(dāng)探測(cè)到運(yùn)動(dòng)物體之后輸出+12 V信號(hào)控制照明裝置的開(kāi)關(guān)。其輸出+12 V的持續(xù)時(shí)間可以在15～1 800 s可調(diào)。

2、 硬件系統(tǒng)

本裝置采用發(fā)射和接收分別獨(dú)立的超聲波換能器，硬件系統(tǒng)基本可以分為微處理器部分、發(fā)射部分和接收部分。

微處理器使用的是Microchip公司生產(chǎn)的PIC16F628A單片機(jī)，其引腳如圖1所示。該單片機(jī)為精簡(jiǎn)指令集型處理器（RISC），共有35條匯編指令，使用起來(lái)簡(jiǎn)捷有效。PIC16F628A共有18個(gè)引腳，標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為5 V，外接晶振最大可以達(dá)到20 MHz。其內(nèi)部資源非常豐富，含有2 KB的Flash程序存儲(chǔ)器、224B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、2個(gè)模擬比較器、1個(gè)PWM控制器、1個(gè)16位的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，1個(gè)8位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，1個(gè)8位定時(shí)器，以及上電啟動(dòng)電路、掉電復(fù)位電路和看門(mén)狗電路等。PIC16F628A還能夠響應(yīng)定時(shí)器、比較器、RB端口等多種硬件中斷合理地使用這些資源可以有效簡(jiǎn)化外圍電路，降低產(chǎn)品的成本（本設(shè)計(jì)未用的片內(nèi)資源此處沒(méi)有列出）。

發(fā)射部分電路圖如圖2所示。超聲波發(fā)射換能器采用328STl60，其中心頻率為32．81．O kHz。使用PIC16F628A單片機(jī)的PWM控制器，由RB3端口輸出約32．8 kHz的方波信號(hào)，并通過(guò)三極管Q1和4069進(jìn)行電壓和電流的放大，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器發(fā)射出超聲波信號(hào)。其中三極管Q2是為系統(tǒng)自檢而設(shè)計(jì)的。在正常的探測(cè)過(guò)程中，RBO端口一直輸出低電平，使三極管Q2保持截止?fàn)顟B(tài)，不會(huì)影響超聲波發(fā)送換能器的正常發(fā)射。

接收部分電路圖如圖3所示。超聲波接收換能器采用328SRl60，其中心頻率亦為32．8士1．0 kHz。由于接收換能器直接接收到的信號(hào)比較微弱，首先需要通過(guò)運(yùn)算放大器進(jìn)行放大。這里使用的運(yùn)算放大器型號(hào)為T(mén)LO62，為了配合后面進(jìn)行檢波，分別組成正相和反相放大電路。檢波電路實(shí)際上使用了雙向模擬開(kāi)關(guān)芯片4066，利用超聲波發(fā)送的驅(qū)動(dòng)信號(hào)作為檢波的參考信號(hào)，即由RB3控制4066的模擬開(kāi)關(guān)的切換。當(dāng)RB3電平為高時(shí)，連通正相放大電路;當(dāng)RB3電平為低時(shí)，連通反相放大電路。這相當(dāng)于把放大之后的信號(hào)不停地乘以土1，其切換頻率和超聲波的發(fā)送頻率一樣。設(shè)該頻率為，fo，則模擬開(kāi)關(guān)所產(chǎn)生的等效信號(hào)是頻率為fo，幅值為土1的方波，設(shè)之為uo。則由傅里葉級(jí)數(shù)可得uo。的表達(dá)式為：

其中，fo。為超聲波發(fā)送信號(hào)的頻率，θ0為其初相角，f1為接收到的超聲波信號(hào)的頻率，θ1為其初相角，U為其幅值。

由于多普勒效應(yīng)，如果沒(méi)有運(yùn)動(dòng)物體反射超聲波，則，fo=f1;一旦有運(yùn)動(dòng)物體反射超聲波，則fo一f1≠O。雖然fo和f1都比較大，但是由人體運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的頻差，即，fo一fl的絕對(duì)值卻不會(huì)太大。

接著通過(guò)一個(gè)微分器對(duì)u’進(jìn)一步處理，得到變化更加明顯的波形，從而可以有效提高探測(cè)靈敏度。再通過(guò)帶通濾波器除去無(wú)用信號(hào)或者干擾信號(hào)之后，經(jīng)過(guò)比較器輸出波形送至單片機(jī)RB5端口，利用單片機(jī)的RB口中斷便可以實(shí)時(shí)處理接收到的脈沖信號(hào)。如圖3，調(diào)節(jié)R可以改變電平比較電路的比較電平，從而使該裝置的正面最大探測(cè)距離在1～5．5 m可調(diào)。

如圖4所示，利用PIC16F628A單片機(jī)RA4端口為集電極開(kāi)路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可直接在RA4端口加個(gè)上拉電阻，即可方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)照明裝置的控制。PIC系列單片機(jī)端口的驅(qū)動(dòng)能力非常強(qiáng)，能夠直接驅(qū)動(dòng)LED。當(dāng)探測(cè)到運(yùn)動(dòng)物體時(shí)，單片機(jī)通過(guò)RA4端口輸出+12 V電平信號(hào)驅(qū)動(dòng)照明設(shè)備，同時(shí)通過(guò)RB2端口控制LED閃亮一次。

另外，調(diào)節(jié)R3可以使+12V電平信號(hào)的持續(xù)時(shí)間在15～1800 s變化。該功能主要利用單片機(jī)內(nèi)部的兩個(gè)比較器，結(jié)合外圍RC充電電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)：R3位置的檢測(cè)。具體過(guò)程如下：通過(guò)對(duì)單片機(jī)的控制字進(jìn)行設(shè)置，使比較器P1和P2的正相輸入端在單片機(jī)內(nèi)部連接在一起并與RA2端口相連，RA0、RAl、RA2都為輸入端口，如圖4所示。

在正常狀態(tài)下RA3為輸出端口，且輸出為低電平，此時(shí)電容Cl和比較器P1、P2處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)需要測(cè)試R3滑動(dòng)頭的位置時(shí)，RA3端口則從輸出變?yōu)檩斎?，并且單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)。這樣一來(lái)+12 V便通過(guò)電阻R1開(kāi)始對(duì)電容C1進(jìn)行充電，當(dāng)端口RA2的電平超過(guò)端口RAl時(shí)，比較器P2的輸出會(huì)發(fā)生變化，引起單片機(jī)的比較器中斷。在中斷服務(wù)程序里，讀取定時(shí)器的數(shù)值便可以計(jì)算出電阻R3滑動(dòng)頭的位置。然后再把端口．RA3恢復(fù)成輸出低電平，使電容C1放電，整個(gè)電路回到初始的狀態(tài)，為下一次檢測(cè)做好準(zhǔn)備。比較器P1的作用是防止比較器P2出現(xiàn)意外。當(dāng)端口RA2的電平超過(guò)端口RAl時(shí)還沒(méi)產(chǎn)生中斷的話，就由比較器P1產(chǎn)生中斷，并使電容C1停止充電，避免端口RA2和RA3的電平過(guò)高，使單片機(jī)損壞。對(duì)電阻R3的測(cè)量是為了設(shè)定照明設(shè)備的點(diǎn)亮?xí)r間，精度要求并不高，所以使用該電路進(jìn)行測(cè)量不但簡(jiǎn)單方便成本低，而且實(shí)際當(dāng)中使用效果良好。

3 、軟件編程

在硬件處理的基礎(chǔ)上，到達(dá)單片機(jī)的波形已經(jīng)比較理想了，但是并不能單純以收到脈沖信號(hào)作為探測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)，仍然需要利用軟件編程進(jìn)一步增加抗干擾性能。由于該裝置主要目的是探測(cè)人體的運(yùn)動(dòng)情況，而人體稍微地一個(gè)小動(dòng)作至少都能使單片機(jī)接收到幾百個(gè)ms時(shí)間的脈沖信號(hào)。為了提高可靠性，本設(shè)計(jì)對(duì)于持續(xù)時(shí)間不到100 ms的信號(hào)忽略不計(jì)。另外，如果多臺(tái)裝置同時(shí)工作，由于各種硬件誤差可能導(dǎo)致發(fā)送出來(lái)的超聲波頻率不能完全相同，當(dāng)差別比較大時(shí)會(huì)持續(xù)收到一定頻率的脈沖信號(hào)，如果不作處理，這也會(huì)影響正常的探測(cè)?？紤]到在沒(méi)有人通過(guò)時(shí)，如果有干擾，且干擾源穩(wěn)定的話，單片機(jī)收到脈沖信號(hào)的頻率是基本不變的，所以，比較理想的探測(cè)機(jī)制為：根據(jù)返回頻差信號(hào)的頻率是否變化來(lái)判斷是否有人體運(yùn)動(dòng)存在。

在本設(shè)計(jì)中，對(duì)連續(xù)2個(gè)100 ms時(shí)間段內(nèi)對(duì)接收到脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如果計(jì)數(shù)值有增加，則判斷為探測(cè)成功。在計(jì)數(shù)的同時(shí)，如果1OOms內(nèi)的計(jì)數(shù)值小于5，則舍棄不計(jì)。為了在使用期間確?？煽?，本裝置間隔一定時(shí)間就進(jìn)行自檢。如圖2所示，在正常的探測(cè)過(guò)程中，RBO端口一直輸出低電平，只有在需要自檢時(shí)，RB0端口才輸出一定頻率的方波，作為自檢信號(hào)。此時(shí)，超聲波信號(hào)在發(fā)射之前就已經(jīng)被自檢信號(hào)調(diào)制了，如果整個(gè)裝置工作正常，即使在沒(méi)有運(yùn)動(dòng)物體反射超聲波的情況下，單片機(jī)也能接收到脈沖信號(hào)。依此便可進(jìn)行自檢，判斷自身工作是否正常。假如自檢失敗，則使LED不停閃爍以指示自身出現(xiàn)故障，并且一直輸出+12 V信號(hào)控制照明裝置常亮，避免影響行人正常通過(guò)。

4 、總 結(jié)

該裝置外形如圖5所示，底部有懸掛卡口，可以方便地安裝在通道的墻壁上。頂部的靈敏度旋鈕可以調(diào)節(jié)探測(cè)的靈敏度，延時(shí)時(shí)間旋鈕可以調(diào)節(jié)來(lái)人之后照明裝置點(diǎn)亮的時(shí)間。頂部的LED能夠指示正常狀態(tài)下的探測(cè)情況以及自檢失敗時(shí)的故障。

實(shí)踐證明，該裝置不僅安裝方便，而且使用效果良好，能夠滿足多種場(chǎng)合下的來(lái)人探測(cè)要求。另外，該裝置探測(cè)靈敏度高，稍作調(diào)整也可以作為安防系統(tǒng)的報(bào)警裝置使用。