專利名稱：一種基于模式識別的超聲波開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種開關(guān)，具體涉及一種基于模式識別的超聲波開關(guān)。
背景技術(shù)：
目前，采用超聲波原理的各種傳感器和開關(guān)可以分成兩大類一類是發(fā)射脈沖信號，利用反射物的有無回波，來判斷周圍有無物體，這類方案不適合用在走廊、辦公室、商場等具有復(fù)雜反射物的環(huán)境里；另一類是發(fā)射連續(xù)波，利用運(yùn)動物體會導(dǎo)致反射波產(chǎn)生多普勒頻移的特性，來判斷是否有物體靠近，由于只能探測物體動不動，實(shí)際應(yīng)用時，常常受小動物、植物、窗簾等物體的干擾，導(dǎo)致誤判。

實(shí)用新型內(nèi)容發(fā)明目的為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本實(shí)用新型提出一種基于模式識別的超聲波開關(guān)，該開關(guān)可以估計物體大小、測量運(yùn)動速度、加速度和運(yùn)動方向，通過模式識別，可以濾除小動物、盆栽、窗簾等的干擾。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型的一種基于模式識別的超聲波開關(guān)， 包括中央處理器、與中央處理器連接的發(fā)射回路和接收回路，所述的發(fā)射回路包括串聯(lián)連接的第一濾波器、功率放大器和超聲波發(fā)射頭，所述的濾波器與中央處理器連接；所述的接收回路包括串聯(lián)連接的增益放大器、第二濾波器和超聲波接收頭，所述的增益放大器與中央處理器連接；所述的中央處理器還連接有IXD顯示器、輸出驅(qū)動和電源。為了使濾波效果達(dá)到最好，所述的第一濾波器為40kHz濾波器，所述的第二濾波器為雙模濾波器；為了解決超聲波信號隨距離的四次方衰減的問題，所述的增益放大器為可變增益放大器，可變增益放大器包括運(yùn)放、第一數(shù)字電位器和第二數(shù)字電位器，第一數(shù)字電位器與運(yùn)放串聯(lián)連接，第二數(shù)字電位器與運(yùn)放并聯(lián)連接；為了補(bǔ)償聲速隨溫度的變化，所述的中央處理器還與溫度傳感器連接；為了使得信號處理效果好，所述的中央處理器為32 位ARM處理器。本實(shí)用新型中，電源提供工作所需的5V、3. 3V等直流電源；中央處理器產(chǎn)生的 40kHz方波經(jīng)40kHz濾波器濾波成正弦波，經(jīng)功率放大器放大后，送至40kHz超聲波發(fā)射頭， 發(fā)射超聲波信號；反射回來的超聲波信號經(jīng)超聲波接收頭接收，送至雙模式濾波器濾波，經(jīng)可變增益放大器放大后，進(jìn)中央處理器進(jìn)一步處理；中央處理器一旦探測到有效的動目標(biāo)進(jìn)入測試，便輸出控制信號，經(jīng)輸出驅(qū)動后，可以控制門、電燈等裝置；IXD顯示器用于顯示探測信息、時間、設(shè)置等信息；溫度傳感器靠近接收頭放置，用于測量環(huán)境溫度并對聲速進(jìn)行補(bǔ)償。有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的基于模式識別的超聲波開關(guān)具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本實(shí)用新型構(gòu)思巧妙、結(jié)構(gòu)獨(dú)特，通過采用連續(xù)波頻域測量和脈沖時空測量雙模式對運(yùn)動物體進(jìn)行探測，既可以對運(yùn)動物體進(jìn)行動目標(biāo)預(yù)警和速度檢測，又可以估計物
3體大小、測量運(yùn)動速度、加速度和運(yùn)動方向；2、本實(shí)用新型通過采用模式識別，可以濾除小動物、盆栽、窗簾等的干擾，大幅提高了超聲波開關(guān)的可靠性和實(shí)用性；3、本實(shí)用新型采用信號處理技術(shù)基于軟件實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)品具備很高的性價比；使用本實(shí)用新型后可以大幅降低能耗，產(chǎn)生可觀的節(jié)能效益和環(huán)保效益。

圖1本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖；圖2本實(shí)用新型的可變增益放大器結(jié)構(gòu)框圖；圖3本實(shí)用新型人在1. 5米處的回波圖；圖4本實(shí)用新型人在1米處的回波圖；圖5本實(shí)用新型人在1米處回波的展開波形圖；圖6為連續(xù)波模式數(shù)據(jù)處理流程圖；圖7為脈沖時空模式數(shù)據(jù)處理流程圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作更進(jìn)一步的說明。如圖1所示，本實(shí)用新型的一種基于模式識別的超聲波開關(guān)，包括中央處理器、與中央處理器連接的發(fā)射回路和接收回路，發(fā)射回路包括串聯(lián)連接的第一濾波器、功率放大器和超聲波發(fā)射頭，濾波器與中央處理器連接；接收回路包括串聯(lián)連接的增益放大器、第二濾波器和超聲波接收頭，增益放大器與中央處理器連接；中央處理器還連接有LCD顯示器、 輸出驅(qū)動和電源。本實(shí)施例中，第一濾波器為40kHz濾波器，第二濾波器為雙模濾波器，采用連續(xù)波頻域測量和脈沖時空測量雙模式對運(yùn)動物體進(jìn)行探測連續(xù)波頻域測量利用多普勒頻移對運(yùn)動物體進(jìn)行動目標(biāo)預(yù)警和速度檢測；脈沖時空測量利用回波的幅值確定物體位置，估計物體大小、測量運(yùn)動速度、加速度和運(yùn)動方向。本實(shí)施例中，電源為超聲波開關(guān)提供工作所需的5V、3. 3V等直流電源；增益放大器為基于距離的可變增益放大器，采用這種放大器作為信號的接收放大器，可以解決超聲波信號隨距離的四次方衰減的問題；中央處理器連接有溫度傳感器，溫度傳感器用來測量環(huán)境溫度，補(bǔ)償聲速隨溫度的變化；中央處理器采用ARM體系32位單片機(jī)進(jìn)行信號采集和數(shù)據(jù)處理，采用先進(jìn)的數(shù)字信號處理技術(shù)，通過軟件實(shí)現(xiàn)FFT、包絡(luò)檢波、數(shù)據(jù)融合和模式識別；LCD顯示器用于顯示探測信息、時間、設(shè)置等信息。本實(shí)用新型的一種基于模式識別的超聲波開關(guān)，其控制方法包括以下步驟(1)接通電源，中央處理器工作于連續(xù)波頻域測量模式，中央處理器產(chǎn)生的40kHz 方波經(jīng)40kHz濾波器濾波成正弦波，正弦波經(jīng)功率放大器放大后送至40kHz超聲波發(fā)射頭， 超聲波發(fā)射頭發(fā)射連續(xù)的超聲波信號；(2)發(fā)射的連續(xù)的40kHz超聲波碰到物體后反射回來，超聲波接收頭接收超聲波信號，同時雙模式濾波器工作在帶通模式，連續(xù)波模式數(shù)據(jù)處理流程如圖6所示中央處理器內(nèi)部的ADC電路對接收到的信號進(jìn)行連續(xù)的模數(shù)變換，然后對其進(jìn)行FFT頻譜分析和處理，得到回波的頻譜；(3)當(dāng)有運(yùn)動物體進(jìn)入檢測區(qū)域，就會產(chǎn)生多普勒頻移，F(xiàn)FT處理的結(jié)果中可以很容易測出這種頻移的大小，從而得到運(yùn)動物體的瞬時速度，產(chǎn)生預(yù)警；(4)當(dāng)檢測到動目標(biāo)，中央處理器就切換進(jìn)入脈沖時空測量模式，雙模式濾波器也在軟件的控制下變?yōu)榈屯V波，脈沖時空模式數(shù)據(jù)處理流程如圖7所示；(5)中央處理器發(fā)送40kHz正弦調(diào)制脈沖串，如每次連續(xù)發(fā)射10個周期的40kHz 正弦信號，間隔0. ls，如此往復(fù)。在脈沖發(fā)射1. 6ms后，中央處理器設(shè)定可變增益放大器的增益，開始接收回波信號。之所以要等1. 6ms是因為發(fā)射的正弦信號會通過空間耦合到接收端，該耦合信號很大，必須屏蔽掉。如圖3所示，CHl (通道1)的信號是發(fā)射信號，CH2(通道2)左邊的信號是發(fā)射耦合信號，畫面居中的紡錘形信號是回波信號。(6)中央處理器內(nèi)部的ADC電路從1.6ms開始對回波信號的幅度連續(xù)采集，得到一組數(shù)據(jù)Data[M]，M表示一次測量周期里的總的AD采集次數(shù)，這是該次測量的回波信號集，設(shè)AD采樣間隔為dT，則數(shù)據(jù)Data[i]表示的是距離超聲波接收頭的距離為L = (0.0016+i*dT)*V/2處的回波幅值，V是實(shí)時聲速，i是AD采樣值的序號。對于N次測量， 我們可以得到數(shù)據(jù)集Data [N] [Μ]。(7)對回波信號集中的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，并逐點(diǎn)計算本次測量和濾波值的差值X[k] [i] = Data[k] [i]-f (Data[k-1] [i]) k = 0 N;i=0 M便可以得到動目標(biāo)的信號。因為對于靜目標(biāo)而言，其回波信號的幅度在各次測量中是不變的(忽略隨機(jī)噪聲)，相減后為零，或非常?。欢鴦幽繕?biāo)的幅值位置是改變的，相減后會出現(xiàn)峰值，差值序列)ak][i]中，出現(xiàn)峰值的位置，就是動目標(biāo)所處的位置。上述的濾波和差值計算是每次ADC結(jié)束時都執(zhí)行的。比較多次測量間隔的差值結(jié)果)ak]、XDc-1]、
X[k-2]......，就可以得出動目標(biāo)的位置、運(yùn)動方向、運(yùn)動速度、運(yùn)動模式(靠近、離開、回
擺)，還可以估算加速度。對回波信號的差值計算，既可以在40kHz載波上處理，也可以先用軟件做包絡(luò)檢波，再計算差值。圖4是人站在1米處的回波圖，圖5是對其的展開圖，可以看出，回波是40kHz的調(diào)幅波。(8)當(dāng)動目標(biāo)的信號為有效信號時，中央處理器輸出控制信號，經(jīng)輸出驅(qū)動后，可以控制外部裝置的開啟或關(guān)閉。外部裝置可以為門、電燈等裝置。本實(shí)用新型中的接收放大器是可變增益放大器，其增益在軟件控制下，隨距離變化而變化，在單次回波的ADC采集中，增益隨采樣序號i值變化，i值越大，表示回波時間越久，即反射物距離超聲波接收頭越遠(yuǎn)，增益就設(shè)置得越高，以補(bǔ)償聲場隨距離的衰減。如圖2 所示，可變增益放大器包括運(yùn)放、第一數(shù)字電位器和第二數(shù)字電位器，第一數(shù)字電位器與運(yùn)放串聯(lián)連接，第二數(shù)字電位器與運(yùn)放并聯(lián)連接。增益的調(diào)整是通過兩個數(shù)字電位器來實(shí)現(xiàn)的，每個的可調(diào)檔數(shù)是256，整個增益的調(diào)節(jié)范圍是65536檔，能很好滿足回波的大動態(tài)范圍的特點(diǎn)。根據(jù)需要，增益/距離特性可以是線性的、對數(shù)的、四次方的等等，完全由軟件決定，非常靈活，方便。由于可以很好的控制放大器的增益，而且增益是和距離嚴(yán)格相關(guān)的，我們就可以通過回波峰值/距離關(guān)系，估算出物體的大小對于小動物，如老鼠、貓、狗等，由于其反射系數(shù)基本不變，可以通過對其大小的估算來濾除；對于盆栽、窗簾，可以通過其回擺的運(yùn)動模式濾除。本實(shí)用新型基于模式識別的超聲波開關(guān)可以用在很多場合。一個典型的應(yīng)用是作為照明燈具的開關(guān)用在公共場合，如銀行、賓館、辦公室等，有人靠近時自動開燈，人離開即自動關(guān)燈，也可控制空調(diào)等電器，可以大幅節(jié)約耗電，降低碳排放，更加環(huán)保。 以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種基于模式識別的超聲波開關(guān)，其特征在于包括中央處理器、與中央處理器連接的發(fā)射回路和接收回路，所述的發(fā)射回路包括串聯(lián)連接的第一濾波器、功率放大器和超聲波發(fā)射頭，所述的第一濾波器與中央處理器連接；所述的接收回路包括串聯(lián)連接的增益放大器、第二濾波器和超聲波接收頭，所述的增益放大器與中央處理器連接；所述的中央處理器還連接有輸出驅(qū)動和電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模式識別的超聲波開關(guān)，其特征在于所述的第一濾波器為40kHz濾波器，所述的第二濾波器為雙模濾波器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模式識別的超聲波開關(guān)，其特征在于所述增益放大器為可變增益放大器，可變增益放大器包括運(yùn)放、第一數(shù)字電位器和第二數(shù)字電位器，第一數(shù)字電位器與運(yùn)放串聯(lián)連接，第二數(shù)字電位器與運(yùn)放并聯(lián)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模式識別的超聲波開關(guān)，其特征在于所述的中央處理器還連接有溫度傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模式識別的超聲波開關(guān)，其特征在于所述的中央處理器為32位ARM處理器。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于模式識別的超聲波開關(guān)，該開關(guān)包括中央處理器、與中央處理器連接的發(fā)射回路和接收回路，還包括輸出驅(qū)動和電源。本實(shí)用新型采用連續(xù)波頻域測量和脈沖時空測量雙模式對運(yùn)動物體進(jìn)行探測，從而控制外部裝置的開啟或關(guān)閉。本實(shí)用新型既可以對運(yùn)動物體進(jìn)行動目標(biāo)預(yù)警和速度檢測，又可以估計物體大小、測量運(yùn)動速度、加速度和運(yùn)動方向；通過采用模式識別，可以有效濾除各種干擾，大幅提高超聲波開關(guān)的可靠性和實(shí)用性；同時，本實(shí)用新型具備很高的性價比，使用本實(shí)用新型后可以大幅降低能耗，產(chǎn)生可觀的節(jié)能效益和環(huán)保效益。
文檔編號H03K17/94GK202183758SQ20112020839
公開日2012年4月4日 申請日期2011年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月20日
發(fā)明者王建中 申請人:南京華敏電子有限公司