一種入侵探測(cè)裝置的軟硬件設(shè)計(jì)

　　其中,fo。為超聲波發(fā)送信號(hào)的頻率,θ0為其初相角,f1為接收到的超聲波信號(hào)的頻率,θ1為其初相角,U為其幅值。

　　由于多普勒效應(yīng),如果沒(méi)有運(yùn)動(dòng)物體反射超聲波,則,fo=f1;一旦有運(yùn)動(dòng)物體反射超聲波,則fo一f1≠O。雖然fo和f1都比較大,但是由人體運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的頻差,即,fo一fl的絕對(duì)值卻不會(huì)太大。由上面的公式推導(dǎo)結(jié)果可以看出,只要經(jīng)過(guò)一個(gè)低通RC濾波器把高頻信號(hào)濾掉,便可以得到由人體運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的特征信號(hào)

　　接著通過(guò)一個(gè)微分器對(duì)u’進(jìn)一步處理,得到變化更加明顯的波形,從而可以有效提高探測(cè)靈敏度。再通過(guò)帶通濾波器除去無(wú)用信號(hào)或者干擾信號(hào)之后,經(jīng)過(guò)比較器輸出波形送至單片機(jī)RB5端口,利用單片機(jī)的RB口中斷便可以實(shí)時(shí)處理接收到的脈沖信號(hào)。如圖3,調(diào)節(jié)R可以改變電平比較電路的比較電平,從而使該裝置的正面最大探測(cè)距離在1～5．5 m可調(diào)。

　　如圖4所示,利用PICl6F628A單片機(jī)RA4端口為集電極開路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可直接在RA4端口加個(gè)上拉電阻,即可方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)照明裝置的控制。PIC系列單片機(jī)端口的驅(qū)動(dòng)能力非常強(qiáng),能夠直接驅(qū)動(dòng)LED。當(dāng)探測(cè)到運(yùn)動(dòng)物體時(shí),單片機(jī)通過(guò)RA4端口輸出+12 V電平信號(hào)驅(qū)動(dòng)照明設(shè)備,同時(shí)通過(guò)RB2端口控制LED閃亮一次。

　　另外,調(diào)節(jié)R3可以使+12V電平信號(hào)的持續(xù)時(shí)間在15～1800 s變化。該功能主要利用單片機(jī)內(nèi)部的兩個(gè)比較器,結(jié)合外圍RC充電電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)：R3位置的檢測(cè)。具體過(guò)程如下：通過(guò)對(duì)單片機(jī)的控制字進(jìn)行設(shè)置,使比較器P1和P2的正相輸入端在單片機(jī)內(nèi)部連接在一起并與RA2端口相連,RA0、RAl、RA2都為輸入端口,如圖4所示。

　　在正常狀態(tài)下RA3為輸出端口,且輸出為低電平,此時(shí)電容Cl和比較器P1、P2處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)需要測(cè)試R3滑動(dòng)頭的位置時(shí),RA3端口則從輸出變?yōu)檩斎?并且單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器開始計(jì)時(shí)。這樣一來(lái)+12 V便通過(guò)電阻R1開始對(duì)電容C1進(jìn)行充電,當(dāng)端口RA2的電平超過(guò)端口RAl時(shí),比較器P2的輸出會(huì)發(fā)生變化,引起單片機(jī)的比較器中斷。在中斷服務(wù)程序里,讀取定時(shí)器的數(shù)值便可以計(jì)算出電阻R3滑動(dòng)頭的位置。然后再把端口．RA3恢復(fù)成輸出低電平,使電容C1放電,整個(gè)電路回到初始的狀態(tài),為下一次檢測(cè)做好準(zhǔn)備。比較器P1的作用是防止比較器P2出現(xiàn)意外。當(dāng)端口RA2的電平超過(guò)端口RAl時(shí)還沒(méi)產(chǎn)生中斷的話,就由比較器P1產(chǎn)生中斷,并使電容C1停止充電,避免端口RA2和RA3的電平過(guò)高,使單片機(jī)損壞。對(duì)電阻R3的測(cè)量是為了設(shè)定照明設(shè)備的點(diǎn)亮?xí)r間,精度要求并不高,所以使用該電路進(jìn)行測(cè)量不但簡(jiǎn)單方便成本低,而且實(shí)際當(dāng)中使用效果良好。

3 軟件編程

　　在硬件處理的基礎(chǔ)上,到達(dá)單片機(jī)的波形已經(jīng)比較理想了,但是并不能單純以收到脈沖信號(hào)作為探測(cè)的標(biāo)準(zhǔn),仍然需要利用軟件編程進(jìn)一步增加抗干擾性能。由于該裝置主要目的是探測(cè)人體的運(yùn)動(dòng)情況,而人體稍微地一個(gè)小動(dòng)作至少都能使單片機(jī)接收到幾百個(gè)ms時(shí)間的脈沖信號(hào)。為了提高可靠性,本設(shè)計(jì)對(duì)于持續(xù)時(shí)間不到100 ms的信號(hào)忽略不計(jì)。另外,如果多臺(tái)裝置同時(shí)工作,由于各種硬件誤差可能導(dǎo)致發(fā)送出來(lái)的超聲波頻率不能完全相同,當(dāng)差別比較大時(shí)會(huì)持續(xù)收到一定頻率的脈沖信號(hào),如果不作處理,這也會(huì)影響正常的探測(cè)。考慮到在沒(méi)有人通過(guò)時(shí),如果有干擾,且干擾源穩(wěn)定的話,單片機(jī)收到脈沖信號(hào)的頻率是基本不變的,所以,比較理想的探測(cè)機(jī)制為：根據(jù)返回頻差信號(hào)的頻率是否變化來(lái)判斷是否有人體運(yùn)動(dòng)存在。

　　在本設(shè)計(jì)中,對(duì)連續(xù)2個(gè)100 ms時(shí)間段內(nèi)對(duì)接收到脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),如果計(jì)數(shù)值有增加,則判斷為探測(cè)成功。在計(jì)數(shù)的同時(shí),如果1OOms內(nèi)的計(jì)數(shù)值小于5,則舍棄不計(jì)。為了在使用期間確?？煽?本裝置間隔一定時(shí)間就進(jìn)行自檢。如圖2所示,在正常的探測(cè)過(guò)程中,RBO端口一直輸出低電平,只有在需要自檢時(shí),RB0端口才輸出一定頻率的方波,作為自檢信號(hào)。此時(shí),超聲波信號(hào)在發(fā)射之前就已經(jīng)被自檢信號(hào)調(diào)制了,如果整個(gè)裝置工作正常,即使在沒(méi)有運(yùn)動(dòng)物體反射超聲波的情況下,單片機(jī)也能接收到脈沖信號(hào)。依此便可進(jìn)行自檢,判斷自身工作是否正常。假如自檢失敗,則使LED不停閃爍以指示自身出現(xiàn)故障,并且一直輸出+12 V信號(hào)控制照明裝置常亮,避免影響行人正常通過(guò)。

4 總 結(jié)

　　該裝置外形如圖5所示,底部有懸掛卡口,可以方便地安裝在通道的墻壁上。頂部的靈敏度旋鈕可以調(diào)節(jié)探測(cè)的靈敏度,延時(shí)時(shí)間旋鈕可以調(diào)節(jié)來(lái)人之后照明裝置點(diǎn)亮的時(shí)間。頂部的LED能夠指示正常狀態(tài)下的探測(cè)情況以及自檢失敗時(shí)的故障。

　　實(shí)踐證明,該裝置不僅安裝方便,而且使用效果良好,能夠滿足多種場(chǎng)合下的來(lái)人探測(cè)要求。另外,該裝置探測(cè)靈敏度高,稍作調(diào)整也可以作為安防系統(tǒng)的報(bào)警裝置使用。