基于PICl6F628A的入侵探測(cè)裝置 [日期：2006-8-2] 來(lái)源：?jiǎn)纹瑱C(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 作者：中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 王海松 [字體：換能器，利用多普勒效應(yīng)，在一定空間內(nèi)能夠有效地探測(cè)到是否有人進(jìn)入，并且能夠輸出信號(hào)控制照明設(shè)備的開(kāi)關(guān)。
關(guān)鍵詞 超聲波PIC16F628A運(yùn)動(dòng)物體探測(cè) 多普勒效應(yīng)

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(mén)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32．8±1．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T(mén)LO62，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：

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