基于Atmega8低功耗智能微波探測器的設計

摘要：微波具有直線傳播、波段寬、設備小、穿透力和抗干擾能力強等優(yōu)點，基于此設計了一種基于Atmega8低功耗智能微波探測器，經(jīng)測試，該探測器靈敏度高、功耗低、穩(wěn)定性好，適用于自動門控制開關、室內(nèi)外安全防范系統(tǒng)、ATM自動提款機的自動錄像控制系統(tǒng)、野外安全警示等場所。

微波是頻率范圍在300 MHz到300 GHz的高頻電磁波，其波長從1 mm到1 m。微波具有如下主要特點：直線傳播，很容易被反射;波段寬，可利用的頻率多;微波設備比較小;對一些非金屬材料有一定的穿透力，金屬物體對微波有良好的反射特性;不受其他電磁波干擾?；谖⒉ǖ纳鲜鎏攸c，設計了一種基于Atmega8低功耗、網(wǎng)絡化、微型化、抗干擾能力強的微波探測器，該探測器主要用于自動門開關，室內(nèi)外安全防范系統(tǒng)、野外安全警示場所等。

1 硬件系統(tǒng)結構

微波探測器由電源、單片機最小系統(tǒng)、脈沖電源、放大整形電路、微波模塊組成。其結構如圖1所示。

1.1 電源

微波探測器采用直流供電，該電源的穩(wěn)壓芯片采用HT7550低壓差三端穩(wěn)壓芯片，該芯片具有超低功耗、低輸入輸出壓差、低輸出電壓溫漂、輸出電壓5 V，可以提供100 mA的輸出電流。電源電路如圖2所示。

1.2 脈沖電源

為了降低系統(tǒng)功耗以及延長微波模塊的壽命，本探測器對微波模塊采用脈沖供電，利用單片機產(chǎn)生頻率為1 kHz，占空比為2%的脈沖為微波模塊供電，這樣可以節(jié)省98%的能量，同時在脈沖供電環(huán)境下微波模塊并不是時刻都在工作，所以又可以延長微波模塊的使用年限。該脈沖電源的電路如圖3所示，三極管的基極通過一個電阻連到單片機的脈沖輸出引腳，發(fā)射極連到VCC上這樣便構成了一個簡單穩(wěn)定的脈沖電源。

1.3 單片機最小系統(tǒng)

本文采用Atmel公司的8位高性能AVR單片機Atmega8作為主控制芯片，硬件部分電路如圖4所示。圖中R1和R4構成了分壓電路對模塊的輸入電壓進行分壓，然后送入單片機進行AD轉(zhuǎn)換，當檢測到外部供電電池的電壓低于標準值時進行報警。J1和R10構成了環(huán)境亮度檢測電路，當環(huán)境亮度不同時該電路分出的電壓也不同，將該電壓送入單片機進行采樣通過軟件智能判斷是黑夜還是白天，當白天時模塊處于休眠狀態(tài)，黑夜時模塊處于警戒狀態(tài)，起到低功耗作用。S1及其外部電阻構成了外部硬件靈敏度調(diào)節(jié)接口，可以進行16級靈敏度調(diào)節(jié)，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。S2及其外部電阻構成了報警時長接口，一共可以設置4種報警時長。B1為蜂鳴器，它可以進行現(xiàn)場報警，以及進行開機初始化提示，電池低電壓報警等。接口J4為在線調(diào)試接口，通過該接口可以隨時向單片機中下載程序，方便進行軟硬件調(diào)試。電阻R27為工作模式選擇電阻，當焊接上該電阻時選擇為單點工作模式，通過硬件調(diào)節(jié)靈敏度以及報警時長，當該電阻未焊接時選擇為聯(lián)網(wǎng)工作模式，在該模式下相關設置可以通過串行接口發(fā)送到模塊，同時模塊也會向外不斷地發(fā)送模塊的工作狀態(tài)，比如電池電壓，報警信號，當前設置等信息。單片機的第9引腳為報警輸出端，可以用它去驅(qū)動繼電器來控制自動門的開關等。單片機的13引腳經(jīng)過一個PNP型三極管后變?yōu)檎伎毡葹?%的脈沖信號，該脈沖信號去驅(qū)動MOS管Q2來控制中頻信號的通斷，避免了在微波模塊上電的瞬間產(chǎn)生的電流沖擊信號送入信號處理電路造成誤報警，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。

1.4 微波模塊

本文采用的微波模塊是GH100微波移動傳感器，GH100微波移動傳感器是X波段移動傳感多譜勒模塊，它由介質(zhì)振蕩器(DRO)和一對微帶天線組成，微波頻率為10.525 GHz。原理圖如圖5所示。該模塊的工作原理是基于微波的多普勒效應。多普勒效應是當發(fā)射信號與接收者之間存在相對徑向運動時，接收到的回波信號的頻率(或相位)將發(fā)生變化。GH100微波模塊集收發(fā)為一體，通過天線向周圍空間發(fā)射無線電磁波，同時又由天線接收周圍物體反射的回波，通過模塊內(nèi)部電路對收、發(fā)信號的相位進行比較，如果周圍空間有移動物體存在，回波信號將產(chǎn)生頻移與相差，最后從傳感器輸出一個低頻率的電壓。微波移動傳感器是一種非接觸式、功耗低、靈敏度高、體積小，不受熱、噪音、濕度、氣流、塵埃等周圍環(huán)境因素影響，適合惡劣環(huán)境，理想的低成本移動檢測器。

1.5 放大整形電路

由于傳感器信號輸出(IF)端的輸出強度與發(fā)射能量的反射強度有關，一般在微伏級，所以需要一個高增益的低頻放大器來處理該信號使它能達到用處理器來處理。放大整形電路如圖6所示。圖中MOS管Q2為信號開關，當微波模塊上電時打開信號開關，當微波模塊失電時關閉信號開關，這樣可以防止干擾信號進入放大電路。信號通過信號開關后送入集成運放U1A的同相輸入端進行放大，濾除高頻的干擾信號后經(jīng)電容C9耦合至后級電路，后級電路是一個引入了輕微負反饋的比較器電路，引入負反饋后可以增強本電路的抗干擾性能，改善輸出波形，擴寬通頻帶，同時還可以消除電路的靜態(tài)干擾信號，將低于門限的靜態(tài)干擾信號濾除，然后將經(jīng)過放大濾波整形后的信號直接送入單片機的AD采樣通道進行采樣，通過設置不同的閾值來改變靈敏度。放大整形后的部分測試波形如圖7所示。

2 軟件設計

微波探測器的主程序流程如圖8所示。主程序初始化完硬件后進行工作模式選擇，然后在選定的模式下循環(huán)掃描，有報警事件時進行報警，電池電壓過低時停機，白天時關閉PWM輸出，進入低功耗模式。兩個主分支的結構基本相同，唯一不同的是右分支在進行報警的同時可以向主機發(fā)送信息，同時也可以接收主機的命令。串口通信的發(fā)送采用主動方式，需要發(fā)送的時候才發(fā)送，接收采用中斷方式，一旦緩存器里面有數(shù)據(jù)立即進入中斷去處理。

3 微波探測器的PCB圖

微波探測器的PCB圖如圖9所示。

4 實驗數(shù)據(jù)

軟硬件統(tǒng)調(diào)是完成電路設計最關鍵的一步，通過不斷地修改程序，微波探測器的功能已經(jīng)達到要求，不同觸發(fā)方式下的報警時長如表1所示。不同靈敏度時對應的有效檢測距離是將微波探測器安裝在半球型塑料殼內(nèi)，并將其固定在室內(nèi)2.6 m高處測試的，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

5 結束語

本探測器充分利用了Atmega8單片機內(nèi)部的軟件資源，16級靈敏度調(diào)整，感應距離在0.8～10 m內(nèi)可調(diào)。電路結構簡單、體積小、功耗低、精度較高、軟件的升級和更新方便，適用于自動門控制開關、室內(nèi)外安全防范系統(tǒng)、ATM自動提款機的自動錄像控制系統(tǒng)、野外安全警示等場所。