一種入侵探測裝置的軟硬件設計

　　使用超聲波可以很方便的對一定空間內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設計的來人探測裝置。該設計使用了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。

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,這就是多普勒效應造成的。本設計采用超聲波發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,根據接收器收到的信號來判斷是否有人在探測范圍內移動。

　　該裝置同時具有超聲波發射和接收換能器,使用時安裝方便。正面最大探測距離在1～5．5 m可調,可以對該空間內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。其輸出+12 V的持續時間可以在15～1 800 s可調。

2 硬件系統

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

　　微處理器使用的是Microchip公司生產的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。其內部資源非常豐富,含有2 KB的Flash程序存儲器、224B的數據存儲器、2個模擬比較器、1個PWM控制器、1個16位的定時器／計數器,1個8位定時器／計數器,1個8位定時器,以及上電啟動電路、掉電復位電路和看門狗電路等。PICl6F628A還能夠響應定時器、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,降低產品的成本(本設計未用的片內資源此處沒有列出)。

　　發射部分電路圖如圖2所示。超聲波發射換能器采用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,從而驅動發射換能器發射出超聲波信號。其中三極管Q2是為系統自檢而設計的。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,不會影響超聲波發送換能器的正常發射。

　　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芯片4066,利用超聲波發送的驅動信號作為檢波的參考信號,即由RB3控制4066的模擬開關的切換。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送頻率一樣。設該頻率為,fo,則模擬開關所產生的等效信號是頻率為fo,幅值為土1的方波,設之為uo。則由傅里葉級數可得uo。的表達式為：

　　,

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