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基于PICl6F628A的入侵探测装置

1 工作原理及特点
    当声源与声波接收器之间存在有相对运动时,声波接收器所接收到的信号频率将与传播的声波频率有所不同,频率差量与声源和接收器之间的相对运动速度有关,这就是多普勒效应造成的。本设计采用超声波发送器和接收器均朝同方向固定不动,当有障碍物体朝向或者远离二者运动时,可以看作是由障碍物表面对声波的反射效应所形成的镜像声源与接收器之间存在相对运动,同样可以利用多普勒效应,根据接收器收到的信号来判断是否有人在探测范围内移动。

    该装置同时具有超声波发射和接收换能器,使用时安装方便。正面最大探测距离在1~5.5 m可调,可以对该空间内运动物体进行有效地探测。当探测到运动物体之后输出+12 V信号控制照明装置的开关。其输出+12 V的持续时间可以在15~1 800 s可调。

2 硬件系统
    本装置采用发射和接收分别独立的超声波换能器,硬件系统基本可以分为微处理器部分、发射部分和接收部分。

    微处理器使用的是Microchip公司生产的PICl6F628A单片机。该单片机为精简指令集型处理器(RISC),共有35条汇编指令,使用起来简捷有效。PICl6F628A共有18个引脚,标准工作电压为5 V,外接晶振最大可以达到20 MHz。其内部资源非常丰富,含有2 KB的Flash程序存储器、224B的数据存储器、2个模拟比较器、1个PWM控制器、1个16位的定时器/计数器,1个8位定时器/计数器,1个8位定时器,以及上电启动电路、掉电复位电路和看门狗电路等。PICl6F628A还能够响应定时器、比较器、RB端口等多种硬件中断合理地使用这些资源可以有效简化外围电路,降低产品的成本(本设计未用的片内资源此处没有列出)。 

    超声波发射换能器采用328STl60,其中心频率为32.8±1.O kHz。使用PIcl6F628A单片机的PWM控制器,由RB3端口输出约32.8 kHz的方波信号,并通过三极管Q1和4069进行电压和电流的放大,从而驱动发射换能器发射出超声波信号。其中三极管Q2是为系统自检而设计的。在正常的探测过程中,RBO端口一直输出低电平,使三极管Q2保持截止状态,不会影响超声波发送换能器的正常发射。 

    超声波接收换能器采用328SRl60,其中心频率亦为32.8士1.0 kHz。由于接收换能器直接接收到的信号比较微弱,首先需要通过运算放大器进行放大。这里使用的运算放大器型号为TLO62,为了配合后面进行检波,分别组成正相和反相放大电路。检波电路实际上使用了双向模拟开关芯片4066,利用超声波发送的驱动信号作为检波的参考信号,即由RB3控制4066的模拟开关的切换。当RB3电平为高时,连通正相放大电路;当RB3电平为低时,连通反相放大电路。这相当于把放大之后的信号不停地乘以土1,其切换频率和超声波的发送频率一样。设该频率为,fo,则模拟开关所产生的等效信号是频率为fo,幅值为土1的方波,设之为uo。则由傅里叶级数可得uo。的表达式为:,
设接收信号为u1=Usin(2πf1t+π),设正相和反相放大电路的放大倍数为±A,则通过检波电路之后的信号u的表达式为:

    其中,fo。为超声波发送信号的频率,θ0为其初相角,f1为接收到的超声波信号的频率,θ1为其初相角,U为其幅值。

    由于多普勒效应,如果没有运动物体反射超声波,则,fo=f1;一旦有运动物体反射超声波,则fo一f1≠O。虽然fo和f1都比较大,但是由人体运动所产生的频差,即,fo一fl的绝对值却不会太大。由上面的公式推导结果可以看出,只要经过一个低通RC滤波器把高频信号滤掉,便可以得到由人体运动所产生的特征信号
接着通过一个微分器对u’进一步处理,得到变化更加明显的波形,从而可以有效提高探测灵敏度。再通过带通滤波器除去无用信号或者干扰信号之后,经过比较器输出波形送至单片机RB5端口,利用单片机的RB口中断便可以实时处理接收到的脉冲信号。如图3,调节R可以改变电平比较电路的比较电平,从而使该装置的正面最大探测距离在1~5.5 m可调。

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