基于單片機和超聲波換能器實現(xiàn)人探測裝置的系統(tǒng)設(shè)計

使用超聲波可以很方便的對一定空間內(nèi)的運動物體進行有效的探測，具有安裝方便，探測效果好的特點。本文介紹一種利用超聲波多普勒效應(yīng)設(shè)計的來人探測裝置。該設(shè)計使用了PIC16F628A單片機，對以往用到的超聲波探測硬件電路進行改進，利用軟件編程對來人情況進行有效地探測，繼而輸出控制信號控制照明裝置的開關(guān)。

1 、工作原理及特點

當(dāng)聲源與聲波接收器之間存在有相對運動時，聲波接收器所接收到的信號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運動速度有關(guān)，這就是多普勒效應(yīng)造成的。本設(shè)計采用超聲波發(fā)送器和接收器均朝同方向固定不動，當(dāng)有障礙物體朝向或者遠離二者運動時，可以看作是由障礙物表面對聲波的反射效應(yīng)所形成的鏡像聲源與接收器之間存在相對運動，同樣可以利用多普勒效應(yīng)，根據(jù)接收器收到的信號來判斷是否有人在探測范圍內(nèi)移動。

該裝置同時具有超聲波發(fā)射和接收換能器，使用時安裝方便。正面最大探測距離在1～5．5 m可調(diào)，可以對該空間內(nèi)運動物體進行有效地探測。當(dāng)探測到運動物體之后輸出+12 V信號控制照明裝置的開關(guān)。其輸出+12 V的持續(xù)時間可以在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，其引腳如圖1所示。該單片機為精簡指令集型處理器（RISC），共有35條匯編指令，使用起來簡捷有效。PIC16F628A共有18個引腳，標準工作電壓為5 V，外接晶振最大可以達到20 MHz。其內(nèi)部資源非常豐富，含有2 KB的Flash程序存儲器、224B的數(shù)據(jù)存儲器、2個模擬比較器、1個PWM控制器、1個16位的定時器／計數(shù)器，1個8位定時器／計數(shù)器，1個8位定時器，以及上電啟動電路、掉電復(fù)位電路和看門狗電路等。PIC16F628A還能夠響應(yīng)定時器、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化外圍電路，降低產(chǎn)品的成本（本設(shè)計未用的片內(nèi)資源此處沒有列出）。

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單片機的PWM控制器，由RB3端口輸出約32．8 kHz的方波信號，并通過三極管Q1和4069進行電壓和電流的放大，從而驅(qū)動發(fā)射換能器發(fā)射出超聲波信號。其中三極管Q2是為系統(tǒng)自檢而設(shè)計的。在正常的探測過程中，RBO端口一直輸出低電平，使三極管Q2保持截止狀態(tài)，不會影響超聲波發(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比較微弱，首先需要通過運算放大器進行放大。這里使用的運算放大器型號為TLO62，為了配合后面進行檢波，分別組成正相和反相放大電路。檢波電路實際上使用了雙向模擬開關(guān)芯片4066，利用超聲波發(fā)送的驅(qū)動信號作為檢波的參考信號，即由RB3控制4066的模擬開關(guān)的切換。當(dāng)RB3電平為高時，連通正相放大電路;當(dāng)RB3電平為低時，連通反相放大電路。這相當(dāng)于把放大之后的信號不停地乘以土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，則模擬開關(guān)所產(chǎn)生的等效信號是頻率為fo，幅值為土1的方波，設(shè)之為uo。則由傅里葉級數(shù)可得uo。的表達式為：

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

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

接著通過一個微分器對u’進一步處理，得到變化更加明顯的波形，從而可以有效提高探測靈敏度。再通過帶通濾波器除去無用信號或者干擾信號之后，經(jīng)過比較器輸出波形送至單片機RB5端口，利用單片機的RB口中斷便可以實時處理接收到的脈沖信號。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距離在1～5．5 m可調(diào)。

如圖4所示，利用PIC16F628A單片機RA4端口為集電極開路的結(jié)構(gòu)特點，可直接在RA4端口加個上拉電阻，即可方便地實現(xiàn)對照明裝置的控制。PIC系列單片機端口的驅(qū)動能力非常強，能夠直接驅(qū)動LED。當(dāng)探測到運動物體時，單片機通過RA4端口輸出+12 V電平信號驅(qū)動照明設(shè)備，同時通過RB2端口控制LED閃亮一次。

另外，調(diào)節(jié)R3可以使+12V電平信號的持續(xù)時間在15～1800 s變化。該功能主要利用單片機內(nèi)部的兩個比較器，結(jié)合外圍RC充電電路來實現(xiàn)對：R3位置的檢測。具體過程如下：通過對單片機的控制字進行設(shè)置，使比較器P1和P2的正相輸入端在單片機內(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，此時電容Cl和比較器P1、P2處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)需要測試R3滑動頭的位置時，RA3端口則從輸出變?yōu)檩斎耄⑶覇纹瑱C內(nèi)部的定時器開始計時。這樣一來+12 V便通過電阻R1開始對電容C1進行充電，當(dāng)端口RA2的電平超過端口RAl時，比較器P2的輸出會發(fā)生變化，引起單片機的比較器中斷。在中斷服務(wù)程序里，讀取定時器的數(shù)值便可以計算出電阻R3滑動頭的位置。然后再把端口．RA3恢復(fù)成輸出低電平，使電容C1放電，整個電路回到初始的狀態(tài)，為下一次檢測做好準備。比較器P1的作用是防止比較器P2出現(xiàn)意外。當(dāng)端口RA2的電平超過端口RAl時還沒產(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的電平過高，使單片機損壞。對電阻R3的測量是為了設(shè)定照明設(shè)備的點亮?xí)r間，精度要求并不高，所以使用該電路進行測量不但簡單方便成本低，而且實際當(dāng)中使用效果良好。

3 、軟件編程

在硬件處理的基礎(chǔ)上，到達單片機的波形已經(jīng)比較理想了，但是并不能單純以收到脈沖信號作為探測的標準，仍然需要利用軟件編程進一步增加抗干擾性能。由于該裝置主要目的是探測人體的運動情況，而人體稍微地一個小動作至少都能使單片機接收到幾百個ms時間的脈沖信號。為了提高可靠性，本設(shè)計對于持續(xù)時間不到100 ms的信號忽略不計。另外，如果多臺裝置同時工作，由于各種硬件誤差可能導(dǎo)致發(fā)送出來的超聲波頻率不能完全相同，當(dāng)差別比較大時會持續(xù)收到一定頻率的脈沖信號，如果不作處理，這也會影響正常的探測。考慮到在沒有人通過時，如果有干擾，且干擾源穩(wěn)定的話，單片機收到脈沖信號的頻率是基本不變的，所以，比較理想的探測機制為：根據(jù)返回頻差信號的頻率是否變化來判斷是否有人體運動存在。

在本設(shè)計中，對連續(xù)2個100 ms時間段內(nèi)對接收到脈沖信號進行計數(shù)，如果計數(shù)值有增加，則判斷為探測成功。在計數(shù)的同時，如果1OOms內(nèi)的計數(shù)值小于5，則舍棄不計。為了在使用期間確?？煽浚狙b置間隔一定時間就進行自檢。如圖2所示，在正常的探測過程中，RBO端口一直輸出低電平，只有在需要自檢時，RB0端口才輸出一定頻率的方波，作為自檢信號。此時，超聲波信號在發(fā)射之前就已經(jīng)被自檢信號調(diào)制了，如果整個裝置工作正常，即使在沒有運動物體反射超聲波的情況下，單片機也能接收到脈沖信號。依此便可進行自檢，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信號控制照明裝置常亮，避免影響行人正常通過。

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)探測的靈敏度，延時時間旋鈕可以調(diào)節(jié)來人之后照明裝置點亮的時間。頂部的LED能夠指示正常狀態(tài)下的探測情況以及自檢失敗時的故障。

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