УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДАТЧИК ДВИЖЕНИЯ

06.06.2023 |

В системах охранной сигнализации (для помещений разных типов, транспортных средств), в устройствах автоматического открывания дверей, интеллектуальных детских игрушках довольно часто используются ультразвуковые датчики движения. Устройства, построенные с использованием традиционных дискретных компонентов [1], характеризуются большим количеством активных и пассивных элементов, сложны в наст- ройке и эксплуатации. Создание датчиков различных типов существенно упрощается благодаря появлению на рынке реконфигурируемых PSoC-микроконтроллеров [2] фирмы Cypress MicroSystems, сочетающих восьмиразрядное процессорное ядро, flash-память, реконфигурируемые аналоговые и цифровые модули.

Рассмотрим пример применения данного микро- контроллера для создания ультразвукового доплеровского датчика движения. Эффект Доплера заключается в том, что частота отраженного от движущегося объекта сигнала отличается от частоты облучающего сигнала. Принцип работы доплеровских датчиков движения состоит в выделении и последующей обработке доплеровского сигнала (выделенной из принятого сигнала составляющей с частотой, равной доплеровскому сдвигу частоты).

Блок-схема датчика изображена на рис. 1. Датчик состоит из передатчика, приемника и блока обработки доплеровского сигнала.

Рис. 1. Блок<схема доплеровского датчика движения (серым цветом обозначены модули, реализованные с применением внешних дискретных компонентов, голубым − программно реализованные модули)

Передатчик содержит пьезоэлектрический излучатель (ПИ) и мостовой резонансный генератор, построенный на основе токового моста (ТМ), дифференциального усилителя (ДУ) и мостового драйвера (МД).

Пьезоэлектрические излучатели характеризуются высокой добротностью, поэтому отклонение частоты генератора от резонансной на доли процента приводит к существенному уменьшению выходной мощности передатчика [3]. Кроме того, резонансная частота излучателя зависит от температуры, что требует применения термокомпенсации в устройствах, работающих в широком диапазоне температур. Использование резонансного генератора позволяет преодолеть данные трудности, поскольку частота его генерации определяется резонансной частотой пьезоэлектрического излучателя.

Приемник состоит из ультразвукового микрофона (УМ), предварительного усилителя (ПУ), полосового фильтра (ПФ), компаратора (КП1), смесителя (СМ) и фильтра нижних частот (ФНЧ1). Отраженные от неподвижных и движущихся объектов ультразвуковые волны преобразуются в электрические сигналы в пьезоэлектрическом ультразвуковом микрофоне (УМ) (тип микрофона может быть идентичен типу передающего излучателя) и усиливаются в предварительном усилителе (ПУ). Полосовой фильтр ПФ, настроенный на частоту резонансного генератора, выделяет полезный сигнал из выходного сигнала предварительного усилителя. Вследствие интерференции волн, отраженных от подвижных и неподвижных объектов, выходной сигнал полосового фильтра модулирован по амплитуде. Компаратор КП1 выделяет моменты переходов этого сигнала через нуль и подавляет амплитудную модуляцию.

Доплеровский сигнал выделяется в смесителе СМ, фильтр нижних частот ФНЧ1 подавляет высокочастотные составляющие в спектре выходного сигнала смесителя.

Блок обработки доплеровского сигнала состоит из амплитудного детектора (АД), двух аналого-цифровых преобразователей (АЦП1 и АЦП2), двух компараторов (КП2 и КП3), фильтров нижних и верхних частот (ФНЧ2 и ФВЧ соответственно). Устойчивая работа датчика движения обеспечивается при уровне отраженного сигнала не ниже определенного порогового значения. Для измерения уровня отраженного сигнала используются амплитудный детектор АД, аналого-цифровой преобразователь АЦП2 и программно реализованный компаратор КП2.

Технические характеристики ультразвукового доплеровского датчика движения

Параметр Значение
Диапазон рабочих расстояний 0.1 …4 м, до 10 м при использовании внешнего усилителя
Диапазон рабочих частот 30-50 кГц, определяется резонансной частотой излучателя
Потребляемый ток 25 мА при выключенной сигнализации, 55 мА – при включенной
Напряжение питания 6…20 В
Время реакции датчика 0.25 с
Диапазон скоростей обнаруживаемых объектов 0.10…1.5 м/с
Диапазон рабочих температур -25…+75 ℃

Выделенный ФНЧ1 доплеровский сигнал дискретизируется аналого-цифровым преобразователем АЦП1, дальнейшая обработка осуществляется программно. Фильтр нижних частот ФНЧ2 осуществляет дополнительную фильтрацию, подавляя высокочастотные составляющие в спектре сигнала, возникающие, например, из-за вибрации оконных стекол в помещении. Фильтр верхних частот ФВЧ ограничивает спектр частот снизу, препятствуя ложным срабатываниям датчика от конвекционных потоков воздуха, возникающих при работе систем отопления и вентиляции. Компаратор КП3 срабатывает, когда уровень доплеровского сигнала превышает заданный порог, и включает систему сигнализации (СС). Программный таймер обеспечивает срабатывание системы сигнализации при длительности сигнала, превышающей пороговое значение.

Отметим, что для формирования сигнала тревоги вместо оценки уровня отфильтрованного сигнала можно использовать оценку его энергии. Так как PSoC-микроконтроллер содержит аппаратный умножитель, реализация оценки энергии не потребует существенных затрат процессорного времени.

Выходные сигналы датчика подаются на светодиод, реле и последовательный асинхронный интерфейс, совместимый с RS-232. При отладке программного обеспечения отфильтрованный поток данных из АЦП1 может быть передан в персональный компьютер через последовательный интерфейс для последующего анализа.

Основные технические характеристики датчика приведены в таблице.

Рис. 2. Внешний вид платы доплеровского датчика движения

Благодаря уникальной возможности динамической реконфигурации область применения датчика не огранивается только универсальным датчиком движения. Путем загрузки новой конфигурации, без каких- либо дополнительных аппаратных затрат, доплеровский датчик движения может быть трансформирован в ультразвуковой дальномер или контроллер с LIN-интерфейсом [4]. Данная особенность может быть использована при построении систем автомобильной электроники. Так, во время стоянки данное устройство может функционировать как датчик охранной сигнализации, во время движения − как датчик расстояния для парковочной системы.