微波傳感技術(shù)在智能馬桶上的應(yīng)用

引言

智能馬桶使用比較多的人體運(yùn)動檢測方式是PSD(Position Sensitive Device，位置敏感器件)和PIR(Passiveinfrared Detector，被動紅外檢測器)。PSD是主動式發(fā)射，可比較準(zhǔn)確地檢測出位置，但是容易受到周邊環(huán)境和障礙物的影響而導(dǎo)致誤檢測;PIR通常通過檢測人體輻射出來的紅外線來識別人體，是一種運(yùn)動傳感器，但是也容易受到溫度等周邊環(huán)境的影響。同時(shí)，PSD和PIR檢測方式均無法透過非透明的材質(zhì)，通常需要另外開窗口以檢測接收信號，這在一定程度上破壞了產(chǎn)品外觀的完整性和協(xié)調(diào)性。與目前衛(wèi)浴領(lǐng)域簡潔時(shí)尚的風(fēng)格相違背。

為了充分保證產(chǎn)品外觀上的完整性及更好的檢測效果，本文提出了一種利用多普勒原理實(shí)現(xiàn)的微波人體檢測方法。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)在硬件上主要包含微波傳感器HB100、陷波器、數(shù)控增益可調(diào)放大器、整形電路和單片機(jī)PIC16F1824等部分，設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)工作過程如下：首先單片機(jī)PIC16F1824控制微波傳感器HB100發(fā)射微波信號，并不斷地檢測接收反射波，并根據(jù)多普勒原理將發(fā)射波和反射波進(jìn)行混頻，然后輸出一個(gè)具有中頻特性的多普勒信號，該信號經(jīng)過陷波器濾除系統(tǒng)中的一些干擾信號后，輸入到數(shù)控增益可調(diào)放大器進(jìn)行信號放大。數(shù)控增益可調(diào)放大器的輸出分別接至單片機(jī)和整形電路，整形電路的輸出接至單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)系統(tǒng)的外接靈敏度條件輸出控制數(shù)控增益可調(diào)放大器的放大增益。信號在單片機(jī)控制器中經(jīng)過波形采集處理單元、頻率檢測處理單元、幅值檢測處理單元和信號處理單元進(jìn)行處理，并根據(jù)多普勒信號的波形趨勢，結(jié)合預(yù)先確定的幅值和頻率條件來判斷出人體的行為狀況，并輸出對應(yīng)的控制信號。

本設(shè)計(jì)充分利用了多普勒波形的強(qiáng)度變化規(guī)律，采用了判斷信號強(qiáng)度變化趨勢，并且結(jié)合強(qiáng)度和頻率的限制，達(dá)到良好、可靠的檢測效果。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 PIC16F1824單片機(jī)

PIC16F1824是美國微芯公司設(shè)計(jì)的一款低成本、高性能8位單片機(jī)，最高工作頻率為32 MHz，具有4 KB的閃存程序存儲器、256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器以及256字節(jié)的EEPROM數(shù)據(jù)存儲器，可用于存儲系統(tǒng)中的一些參數(shù)設(shè)置，如數(shù)控增益可調(diào)放大器的增益設(shè)置，系統(tǒng)的軟件靈敏度設(shè)置(包括靈敏度模式、靈敏度值、靈敏度檔位等)。該單片機(jī)還有豐富的外設(shè)資源，如內(nèi)部振蕩器、10位A/D轉(zhuǎn)換器、增強(qiáng)型串口通信模塊、比較器等，無需額外的外部資源，既增強(qiáng)了系統(tǒng)的緊湊性和可靠性，又節(jié)省了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本。

本文主要應(yīng)用10位A/D轉(zhuǎn)換器對系統(tǒng)的多普勒信號進(jìn)行采集，并輸送給后端的處理單元進(jìn)行分析處理。應(yīng)用增強(qiáng)型串口通信模塊與智能馬桶的主控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，接收系統(tǒng)的相關(guān)靈敏度設(shè)置調(diào)整信息及發(fā)送人體感應(yīng)檢測信息給主控制系統(tǒng)。

1.1.2 微波傳感器

HB100微波移動傳感器是X波段移動傳感多普勒模塊，具有低功耗、高靈敏度、體積小等特點(diǎn)，是理想的低成本移動檢測器。由介質(zhì)振蕩器(DRO)和一對微帶天線(包括發(fā)送天線和接收天線)組成;用來向空間發(fā)射10.525GHz的高頻電磁波，接收該高頻電磁波遇到障礙物后折回的反射波，并將接收波和發(fā)射波混頻后，輸出一個(gè)具有中頻信號特征的多普勒信號。微波移動傳感器框圖如圖2所示。

1.1.3 陷波器

智能馬桶中需檢測人體的靠近和離開，經(jīng)過分析相關(guān)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)人體的運(yùn)行頻率集中在30～80Hz，容易受到環(huán)境和電網(wǎng)中100 Hz或120 Hz的輻射干擾，造成誤觸發(fā)動作，因此設(shè)計(jì)中增加了陷波器實(shí)現(xiàn)濾除功能，如圖3所示。

經(jīng)過試驗(yàn)，該陷波器對各頻率的衰減情況如圖4所示。陷波器對100 Hz或120 Hz頻率的衰減在70 dB(3 162倍)以上，而在80 Hz頻率的衰減只有40 dB(100倍)。對于人體運(yùn)動的頻率50 Hz(對應(yīng)運(yùn)動速度0.7 m/s)的衰減更是直線下降，只有不到23 dB(14倍)，可以忽略不計(jì)。因此該陷波器能有效地濾除干擾信號。

1.1.4 數(shù)控可調(diào)增益放大器

數(shù)控可調(diào)增益放大器用來對微弱的多普勒信號進(jìn)行放大處理，是一個(gè)增益可調(diào)的低頻放大器。當(dāng)有物體在微波傳感器覆蓋的面積內(nèi)移動時(shí)，微波傳感器會輸出多普勒信號，輸出強(qiáng)度與發(fā)射能量的發(fā)射強(qiáng)度有關(guān)，一般情況下該信號很微弱，所以需要一個(gè)高增益的低頻放大器來處理該信號，使其能被處理器所識別，數(shù)控增益可調(diào)放大器正是起到了這個(gè)作用。同時(shí)，該放大器可由控制器根據(jù)情況自動調(diào)節(jié)靈敏度。數(shù)控增益可調(diào)放大器包括固定增益放大器和可調(diào)增益放大器，放大電路如圖5所示。

該數(shù)控可調(diào)增益放大器主要通過調(diào)整數(shù)字電位器MCP4011—50K的電阻值來實(shí)現(xiàn)64級的增益調(diào)整。MCP4011—50K是美國微芯公司推出的低成本易失性50 kΩ數(shù)字電位器，其具有64個(gè)抽頭，且采用簡單的遞增/遞減(U/D)串行接口控制滑動端的設(shè)置。但其為易失性數(shù)字電位器，斷電后不保存滑動端設(shè)置值，因此該滑動端設(shè)置值由單片機(jī)PIC16F1824內(nèi)部的EEPROM進(jìn)行保存，并在上電初始化時(shí)恢復(fù)到MCP4011—50K芯片上。

1.1.5 整形電路

整形電路的作用是對變化緩慢或不規(guī)則的信號進(jìn)行整形，同時(shí)可剔除輸入信號中的干擾信號;單片機(jī)借此來衡量多普勒信號中的頻率成分;該部分電路主要使用單片機(jī)內(nèi)部的比較器來完成。原理框圖如圖6所示。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)軟件主要包含系統(tǒng)初始化模塊、串口通信模塊、靈敏度設(shè)置處理模塊、波形采集處理模塊、頻率檢測處理模塊、幅值檢測處理模塊和信號處理分析模塊等，具體軟件流程如圖7所示。

2 人體運(yùn)動檢測原理

微波傳感器不斷地向空間發(fā)射高頻電磁波。當(dāng)人體在微波傳感器覆蓋的面積內(nèi)移動時(shí)，微波傳感器發(fā)出的高頻電磁波遇到人體發(fā)生反射后折回，被微波傳感器接收;微波傳感器將接收波與發(fā)射波混頻后輸出一個(gè)中頻信號，即多普勒信號。

該多普勒信號先經(jīng)過陷波器濾除信號中的噪聲，然后再進(jìn)入數(shù)控增益可調(diào)放大器，信號被放大后被單片機(jī)識別;放大后的信號一路直接送入單片機(jī)，另一路經(jīng)過整形電路后將不規(guī)則的信號整形后再送入單片機(jī)，借此來衡量多普勒信號的頻率。

多普勒信號進(jìn)入單片機(jī)后，由波形采集處理模塊、頻率檢測處理模塊和幅值檢測處理模塊進(jìn)行相應(yīng)的處理，得出幅值和頻率，然后由信號處理單元利用電平變化趨勢和幅值頻率的限制來做最終判斷。最后，單片機(jī)根據(jù)本次判定結(jié)果執(zhí)行翻蓋、沖刷等任務(wù)。

當(dāng)目標(biāo)物體靜止時(shí)，多普勒信號的幅值和頻率保持不變。當(dāng)目標(biāo)物體向多普勒微波傳感器運(yùn)動時(shí)，多普勒信號的幅值會呈現(xiàn)出上升趨勢，頻率也會呈現(xiàn)變大趨勢;當(dāng)目標(biāo)物體遠(yuǎn)離多普勒微波傳感器運(yùn)動時(shí)，多普勒信號的幅值會呈現(xiàn)出下降趨勢，頻率也會呈現(xiàn)變小趨勢;而多普勒信號的幅值與目標(biāo)物體的具體位置有關(guān)，目標(biāo)物體運(yùn)動所產(chǎn)生的多普勒頻率取決于目標(biāo)物體與馬桶之間的相對運(yùn)動速度。

3 人體運(yùn)動檢測流程分析

以檢測人體接近為例，假設(shè)單片機(jī)檢測人體接近預(yù)設(shè)的參數(shù)為幅值V0，頻率為[F0，F(xiàn)1]，則預(yù)設(shè)的判定條件為：V>V0，F(xiàn)1>F>F0，幅值變化趨勢上升。

人體朝著多普勒微波傳感器的方向運(yùn)動，多普勒微波傳感器就會不斷地輸出多普勒信號，該信號是非常微弱的，而且摻雜了許多雜信。多普勒信號首先經(jīng)過陷波器，初步濾除信號中的雜信，然后通過交流耦合的方法進(jìn)入低頻放大器將信號放大。交流耦合的方法可以去除摻雜在多普勒信號中的直流成分，使多普勒信號更純凈。接著被放大的多普勒信號進(jìn)入了數(shù)控增益可調(diào)放大器，將信號放大到能被單片機(jī)所識別的程度。數(shù)控增益可調(diào)放大器的放大倍數(shù)由單片機(jī)根據(jù)工作模式確定。從數(shù)控增益可調(diào)放大器輸出的多普勒信號(假設(shè)幅值為V，頻率為F)則直接送入單片機(jī)進(jìn)行處理。

人體不斷的運(yùn)動導(dǎo)致V和F也是不斷變化的。通過軟件算法，單片機(jī)識別，記錄并存儲V和F的變化，并不斷地與預(yù)設(shè)的判定條件進(jìn)行比對。當(dāng)檢測到V>V0、F1>F>F0，且幅值是一條上升趨勢的曲線時(shí)，控制器就會認(rèn)為是一次有效的接近檢測，從而執(zhí)行相應(yīng)的輸出。如果三個(gè)條件中的任何一個(gè)都不滿足要求，則單片機(jī)會認(rèn)為是無效的接近檢測，不會執(zhí)行相應(yīng)的輸出。

當(dāng)人體從遠(yuǎn)處移動至多普勒微波傳感器前方時(shí)，微波檢測裝置檢測到的波形如圖8所示?？梢钥闯觯麠l曲線(電平)呈上升趨勢，通過軟件算法可以檢測出該趨勢;圖中的V1限制用來指定目標(biāo)物體出現(xiàn)的有效位置;波形尾部曲線有下降趨勢是因?yàn)槟繕?biāo)物體已到達(dá)位置并停止移動。檢測到人體正在接近馬桶后，馬桶可立刻執(zhí)行自動翻蓋等任務(wù)。

當(dāng)人體從多普勒微波傳感器前方移動至遠(yuǎn)處時(shí)，微波檢測裝置檢測到的波形如圖9所示?？梢钥闯?，整條曲線(電平)呈下降趨勢，通過軟件算法可以檢測出該趨勢;圖中的V2限制用來指定目標(biāo)物體離開的有效位置。檢測到人體已遠(yuǎn)離馬桶后，馬桶可執(zhí)行自動沖刷、自動關(guān)蓋等任務(wù)。

當(dāng)人體從多普勒微波傳感器側(cè)面移動至傳感器前面時(shí)，微波檢測裝置檢測到的波形如圖10所示。可以看出，整條曲線(電平)與圖8的曲線是十分相似的，也是呈上升趨勢。

單片機(jī)采樣輸入多普勒信號，并從中檢測出幅值和頻率;同時(shí)，對輸入的多普勒信號進(jìn)行信號處理，提取出幅值變化的趨勢，即上升趨勢和下降趨勢。單片機(jī)根據(jù)檢測到的這些信息，結(jié)合預(yù)設(shè)的判定條件最終判決是否為有效的檢測，并執(zhí)行相應(yīng)的輸出。

判定的條件有3個(gè)：幅值、頻率和幅值變化趨勢。這3個(gè)條件單片機(jī)中都做有預(yù)設(shè)值，控制器將這3個(gè)條件和預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，如果滿足則視為一次成功有效檢測。比如，假設(shè)檢測目標(biāo)物體接近的時(shí)候，要求幅值為V0、頻率為[F0，F(xiàn)1]、幅值變化為上升趨勢，單片機(jī)檢測到的結(jié)果是V，頻率為F。如果V>V0并且F1>F>F0，同時(shí)幅值變化趨勢是上升的，那么就會視為一次有效的檢測;如果這3個(gè)條件中的任一個(gè)都不能滿足，則視為無效檢測。

結(jié)語

本文從系統(tǒng)方案及關(guān)鍵模塊等方面對硬件和軟件設(shè)計(jì)原理進(jìn)行系統(tǒng)的解析，介紹了微波傳感器HB100在智能馬桶上的應(yīng)用，主要是用于檢測人體靠近或離開，并根據(jù)檢測結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的翻蓋、關(guān)蓋、沖刷等動作，免除了人為動作，達(dá)到智能的效果。該方案已在實(shí)際產(chǎn)品上取得良好的應(yīng)用效果。