一種入侵探測(cè)裝置的軟硬件設(shè)計(jì)

　　使用超聲波可以很方便的對(duì)一定空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行有效的探測(cè),具有安裝方便,探測(cè)效果好的特點(diǎn)。本文介紹一種利用超聲波多普勒效應(yīng)設(shè)計(jì)的來(lái)人探測(cè)裝置。該設(shè)計(jì)使用了PICl6F628A單片機(jī),對(duì)以往用到的超聲波探測(cè)硬件電路進(jìn)行改進(jìn),利用軟件編程對(duì)來(lái)人情況進(jìn)行有效地探測(cè),繼而輸出控制信號(hào)控制照明裝置的開(kāi)關(guān)。

1 工作原理及特點(diǎn)

　　當(dāng)聲源與聲波接收器之間存在有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),聲波接收器所接收到的信號(hào)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(duì)運(yùn)動(dòng)速度有關(guān),這就是多普勒效應(yīng)造成的。本設(shè)計(jì)采用超聲波發(fā)送器和接收器均朝同方向固定不動(dòng),當(dāng)有障礙物體朝向或者遠(yuǎn)離二者運(yùn)動(dòng)時(shí),可以看作是由障礙物表面對(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng),同樣可以利用多普勒效應(yīng),根據(jù)接收器收到的信號(hào)來(lái)判斷是否有人在探測(cè)范圍內(nèi)移動(dòng)。

　　該裝置同時(shí)具有超聲波發(fā)射和接收換能器,使用時(shí)安裝方便。正面最大探測(cè)距離在1～5．5 m可調(diào),可以對(duì)該空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行有效地探測(cè)。當(dāng)探測(cè)到運(yùn)動(dòng)物體之后輸出+12 V信號(hào)控制照明裝置的開(kāi)關(guān)。其輸出+12 V的持續(xù)時(shí)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(dú)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(jī),其引腳如圖1所示。該單片機(jī)為精簡(jiǎn)指令集型處理器(RISC),共有35條匯編指令,使用起來(lái)簡(jiǎn)捷有效。PICl6F628A共有18個(gè)引腳,標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為5 V,外接晶振最大可以達(dá)到20 MHz。其內(nèi)部資源非常豐富,含有2 KB的Flash程序存儲(chǔ)器、224B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、2個(gè)模擬比較器、1個(gè)PWM控制器、1個(gè)16位的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器,1個(gè)8位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器,1個(gè)8位定時(shí)器,以及上電啟動(dòng)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(shí)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(jiǎn)化外圍電路,降低產(chǎn)品的成本(本設(shè)計(jì)未用的片內(nèi)資源此處沒(méi)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(jī)的PWM控制器,由RB3端口輸出約32．8 kHz的方波信號(hào),并通過(guò)三極管Q1和4069進(jìn)行電壓和電流的放大,從而驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器發(fā)射出超聲波信號(hào)。其中三極管Q2是為系統(tǒng)自檢而設(shè)計(jì)的。在正常的探測(cè)過(guò)程中,RBO端口一直輸出低電平,使三極管Q2保持截止?fàn)顟B(tài),不會(huì)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(hào)比較微弱,首先需要通過(guò)運(yùn)算放大器進(jìn)行放大。這里使用的運(yùn)算放大器型號(hào)為TLO62,為了配合后面進(jìn)行檢波,分別組成正相和反相放大電路。檢波電路實(shí)際上使用了雙向模擬開(kāi)關(guān)芯片4066,利用超聲波發(fā)送的驅(qū)動(dòng)信號(hào)作為檢波的參考信號(hào),即由RB3控制4066的模擬開(kāi)關(guān)的切換。當(dāng)RB3電平為高時(shí),連通正相放大電路;當(dāng)RB3電平為低時(shí),連通反相放大電路。這相當(dāng)于把放大之后的信號(hào)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(kāi)關(guān)所產(chǎn)生的等效信號(hào)是頻率為fo,幅值為土1的方波,設(shè)之為uo。則由傅里葉級(jí)數(shù)可得uo。的表達(dá)式為：

　　,

　　設(shè)接收信號(hào)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(guò)檢波電路之后的信號(hào)u的表達(dá)式為：