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(dòng)檢測(cè)方式是PSD(Position Sensitive Device，位置敏感器件)和PIR(Passiveinfrared Detector，被動(dòng)紅外檢測(cè)器)。PSD是主動(dòng)式發(fā)射，可比較準(zhǔn)確地檢測(cè)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(cè);PIR通常通過(guò)檢測(cè)人體輻射出來(lái)的紅外線來(lái)識(shí)別人體，是一種運(yùn)動(dòng)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(cè)方式均無(wú)法透過(guò)非透明的材質(zhì)，通常需要另外開(kāi)窗口以檢測(cè)接收信號(hào)，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(jiǎn)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(cè)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(cè)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(guò)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(hào)，并不斷地檢測(cè)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(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)陷波器濾除系統(tǒng)中的一些干擾信號(hào)后，輸入到數(shù)控增益可調(diào)放大器進(jìn)行信號(hào)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(hào)在單片機(jī)控制器中經(jīng)過(guò)波形采集處理單元、頻率檢測(cè)處理單元、幅值檢測(cè)處理單元和信號(hào)處理單元進(jìn)行處理，并根據(jù)多普勒信號(hào)的波形趨勢(shì)，結(jié)合預(yù)先確定的幅值和頻率條件來(lái)判斷出人體的行為狀況，并輸出對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)。

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(hào)強(qiáng)度變化趨勢(shì)，并且結(jié)合強(qiáng)度和頻率的限制，達(dá)到良好、可靠的檢測(cè)效果。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 PIC16F1824單片機(jī)

PIC16F1824是美國(guó)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(chǔ)器、256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及256字節(jié)的EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可用于存儲(chǔ)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(wú)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(duì)系統(tǒng)的多普勒信號(hào)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(cè)信息給主控制系統(tǒng)。

1.1.2 微波傳感器

HB100微波移動(dòng)傳感器是X波段移動(dòng)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(dòng)檢測(cè)器。由介質(zhì)振蕩器(DRO)和一對(duì)微帶天線(包括發(fā)送天線和接收天線)組成;用來(lái)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(hào)特征的多普勒信號(hào)。微波移動(dòng)傳感器框圖如圖2所示。

1.1.3 陷波器

智能馬桶中需檢測(cè)人體的靠近和離開(kāi)，經(jīng)過(guò)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(dòng)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(guò)試驗(yàn)，該陷波器對(duì)各頻率的衰減情況如圖4所示。陷波器對(duì)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(duì)于人體運(yùn)動(dòng)的頻率50 Hz(對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)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(hào)。

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(lái)對(duì)微弱的多普勒信號(hào)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(dòng)時(shí)，微波傳感器會(huì)輸出多普勒信號(hào)，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(hào)很微弱，所以需要一個(gè)高增益的低頻放大器來(lái)處理該信號(hào)，使其能被處理器所識(shí)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(dòng)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(guò)調(diào)整數(shù)字電位器MCP4011—50K的電阻值來(lái)實(shí)現(xiàn)64級(jí)的增益調(diào)整。MCP4011—50K是美國(guó)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(jiǎn)單的遞增/遞減(U/D)串行接口控制滑動(dòng)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(dòng)端設(shè)置值，因此該滑動(dòng)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(duì)變化緩慢或不規(guī)則的信號(hào)進(jìn)行整形，同時(shí)可剔除輸入信號(hào)中的干擾信號(hào);單片機(jī)借此來(lái)衡量多普勒信號(hào)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(lái)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(cè)處理模塊、幅值檢測(cè)處理模塊和信號(hào)處理分析模塊等，具體軟件流程如圖7所示。

2 人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)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(dòng)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(hào)，即多普勒信號(hào)。

該多普勒信號(hào)先經(jīng)過(guò)陷波器濾除信號(hào)中的噪聲，然后再進(jìn)入數(shù)控增益可調(diào)放大器，信號(hào)被放大后被單片機(jī)識(shí)別;放大后的信號(hào)一路直接送入單片機(jī)，另一路經(jīng)過(guò)整形電路后將不規(guī)則的信號(hào)整形后再送入單片機(jī)，借此來(lái)衡量多普勒信號(hào)的頻率。

多普勒信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)后，由波形采集處理模塊、頻率檢測(cè)處理模塊和幅值檢測(cè)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(hào)處理單元利用電平變化趨勢(shì)和幅值頻率的限制來(lái)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(hào)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(dòng)時(shí)，多普勒信號(hào)的幅值會(huì)呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，頻率也會(huì)呈現(xiàn)變大趨勢(shì);當(dāng)目標(biāo)物體遠(yuǎn)離多普勒微波傳感器運(yùn)動(dòng)時(shí)，多普勒信號(hào)的幅值會(huì)呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，頻率也會(huì)呈現(xiàn)變小趨勢(shì);而多普勒信號(hào)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(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)速度。

3 人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)流程分析

以檢測(cè)人體接近為例，假設(shè)單片機(jī)檢測(cè)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(shì)上升。

人體朝著多普勒微波傳感器的方向運(yùn)動(dòng)，多普勒微波傳感器就會(huì)不斷地輸出多普勒信號(hào)，該信號(hào)是非常微弱的，而且摻雜了許多雜信。多普勒信號(hào)首先經(jīng)過(guò)陷波器，初步濾除信號(hào)中的雜信，然后通過(guò)交流耦合的方法進(jìn)入低頻放大器將信號(hào)放大。交流耦合的方法可以去除摻雜在多普勒信號(hào)中的直流成分，使多普勒信號(hào)更純凈。接著被放大的多普勒信號(hào)進(jìn)入了數(shù)控增益可調(diào)放大器，將信號(hào)放大到能被單片機(jī)所識(shí)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(hào)(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(dòng)導(dǎo)致V和F也是不斷變化的。通過(guò)軟件算法，單片機(jī)識(shí)別，記錄并存儲(chǔ)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(duì)。當(dāng)檢測(cè)到V>V0、F1>F>F0，且幅值是一條上升趨勢(shì)的曲線時(shí)，控制器就會(huì)認(rèn)為是一次有效的接近檢測(cè)，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(huì)認(rèn)為是無(wú)效的接近檢測(cè)，不會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的輸出。

當(dāng)人體從遠(yuǎn)處移動(dòng)至多普勒微波傳感器前方時(shí)，微波檢測(cè)裝置檢測(cè)到的波形如圖8所示。可以看出，整條曲線(電平)呈上升趨勢(shì)，通過(guò)軟件算法可以檢測(cè)出該趨勢(shì);圖中的V1限制用來(lái)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(shì)是因?yàn)槟繕?biāo)物體已到達(dá)位置并停止移動(dòng)。檢測(cè)到人體正在接近馬桶后，馬桶可立刻執(zhí)行自動(dòng)翻蓋等任務(wù)。

當(dāng)人體從多普勒微波傳感器前方移動(dòng)至遠(yuǎn)處時(shí)，微波檢測(cè)裝置檢測(cè)到的波形如圖9所示。可以看出，整條曲線(電平)呈下降趨勢(shì)，通過(guò)軟件算法可以檢測(cè)出該趨勢(shì);圖中的V2限制用來(lái)指定目標(biāo)物體離開(kāi)的有效位置。檢測(cè)到人體已遠(yuǎn)離馬桶后，馬桶可執(zhí)行自動(dòng)沖刷、自動(dòng)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(dòng)至傳感器前面時(shí)，微波檢測(cè)裝置檢測(cè)到的波形如圖10所示?？梢钥闯觯麠l曲線(電平)與圖8的曲線是十分相似的，也是呈上升趨勢(shì)。

單片機(jī)采樣輸入多普勒信號(hào)，并從中檢測(cè)出幅值和頻率;同時(shí)，對(duì)輸入的多普勒信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理，提取出幅值變化的趨勢(shì)，即上升趨勢(shì)和下降趨勢(shì)。單片機(jī)根據(jù)檢測(cè)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(cè)，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(shì)。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(cè)。比如，假設(shè)檢測(cè)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(shì)，單片機(jī)檢測(cè)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(shì)是上升的，那么就會(huì)視為一次有效的檢測(cè);如果這3個(gè)條件中的任一個(gè)都不能滿足，則視為無(wú)效檢測(cè)。

結(jié)語(yǔ)

本文從系統(tǒng)方案及關(guān)鍵模塊等方面對(duì)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(cè)人體靠近或離開(kāi)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的翻蓋、關(guān)蓋、沖刷等動(dòng)作，免除了人為動(dòng)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。