一種入侵探測裝置的軟硬件設(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PICl6F628A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PICl6F628A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。PICl6F628A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。PICl6F628A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PIcl6F628A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RB3電平為高時,連通正相放大電路;當RB3電平為低時,連通反相放大電路。這相當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：

　　,

　　設(shè)接收信號為u1=Usin(2πf1t+π),設(shè)正相和反相放大電路的放大倍數(shù)為A,則通過檢波電路之后的信號u的表達式為：