CN108196257A - 超声波式物体检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超声波式物体检测装置及检测方法，该装置包括第一主控芯片、第二主控芯片、至少一个超声波发射单元、超声波接收单元以及信号处理单元，其中，超声波发射单元以及超声波接收单元为分离的单独个体；第二主控芯片，用于输出PWM信号；超声波发射单元，用于接收输出的PWM信号，发射超声波；超声波接收单元，用于接收物体对超声波的反射信号；信号处理单元，用于对反射信号进行信号放大处理，形成输入信号；第一主控芯片，用于输出PWM信号，且接收输入信号，根据输入信号输出控制信号至终端。本发明实现检测微动的物体是否存在，在特定空间内可以提高检测灵敏度和准确度，由于采用超声波技术，具备高可靠性和高稳定性。

Description

超声波式物体检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及物体检测装置，更具体地说是指超声波式物体检测装置及检测方法。

背景技术

目前一些场景(如办公室、会议室)需要检测是否由人员存在，一般采用红外检测以及超声波检测两种方式，但是，对于红外检测方式，红外热释电传感器容易收到外界光线、热源干扰，可靠性相对较低，另外当环境温度和人体温度接近的时候，红外热释电传感器几乎会失效；对于超声波检测方式，目前的超声波接收单元和发送单元是一体化的，超声波辐射功率相同的情况下，导致检测距离较近。另外，上述的两种方式都存在只能检测大动作的物体，无法检测到微动物体是否存在，出现检测不准确而导致后续控制和安全把控出现问题。

因此，有必要设计一种新的检测装置，实现可以检测微动的物体是否存在，在特定空间内可以提高检测灵敏度和准确度，可靠性和稳定性高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供超声波式物体检测装置及检测方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：超声波式物体检测装置，包括第一主控芯片、第二主控芯片、至少一个超声波发射单元、超声波接收单元以及信号处理单元，其中，所述超声波发射单元以及所述超声波接收单元为分离的单独个体；所述第二主控芯片，用于输出PWM信号至所述超声波发射单元；所述超声波发射单元，用于接收输出的PWM信号，发射超声波；所述超声波接收单元，用于接收物体对超声波的反射信号；所述信号处理单元，用于对反射信号进行信号放大处理，形成输入信号；所述第一主控芯片，用于接收输入信号，根据输入信号输出控制信号至终端。

其进一步技术方案为：所述第一主控芯片的型号为STM32F407。

其进一步技术方案为：所述超声波发射单元包括超声波发射传感器CN1以及驱动模块，所述驱动模块包括驱动芯片U1，第一主控芯片输出的PWM信号经过驱动芯片U1，转换为驱动信号，驱动超声波发射传感器CN1发射超声波。

其进一步技术方案为：所述驱动芯片U1的型号为MC14049b；所述驱动芯片U1的输入端口与第一主控芯片的输出端口之间连接有电阻R3以及三极管Q1。

其进一步技术方案为：所述超声波接收单元包括超声波接收器MIC1。

其进一步技术方案为：所述信号处理单元包括一级放大器U3A、二级放大器U3B以及三级放大器U4A。

本发明还提供了超声波式物体检测装置的检测方法，所述方法包括：

发射超声波；

获取超声波的反射信号；

对放射信号进行放大处理，形成输入信号；

对输入信号进行采样以及处理，形成待测信号；

判断待测信号是否与设定信号不一致；

若否，则物体发生微动；

若是，则物体保持原状。

其进一步技术方案为：对输入信号进行采样以及处理，形成待测信号的步骤，包括以下具体步骤：

对输入信号进行ADC采样，形成采样信号；

对采样信号进行信号下变频处理以及数字滤波，形成中间信号；

对中间信号RMS积分处理，获取输入信号的频率变化范围，形成待测信号。

其进一步技术方案为：对采样信号进行信号下变频处理以及数字滤波，形成中间信号的步骤，包括以下具体步骤：

对采样信号与连续的设定频率的离散正弦信号进行相乘，形成多普勒频移信号；

对多普勒频移信号进行二阶IIR低通滤波，形成中间信号。

其进一步技术方案为：判断待测信号是否与设定信号不一致的步骤，包括以下具体步骤：

判断输入信号的频率变化范围是否超过设定的频率变化阈值；

若是，则待测信号与设定信号不一致；

若否，则待测信号与设定信号一致。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明的超声波式物体检测装置，通过设置分离的超声波发射单元以及超声波接收单元，超声波发射单元面向空间不同的角度，以使检测更加全面和准确，获取超声波反射的信号，进行放大处理，由第一主控芯片根据输入信号输出控制信号至终端，利用输入信号的变化，检测微动的物体是否存在，在特定空间内可以提高检测灵敏度和准确度，由于采用超声波多普勒技术，具备高可靠性和高稳定性。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为本发明具体实施例提供的超声波式物体检测装置的结构框图；

图2为本发明具体实施例提供的超声波发射单元的电路原理图；

图3为本发明具体实施例提供的信号处理单元的电路原理图(包括超声波接收单元)；

图4为本发明具体实施例提供的电源单元的电路原理图；

图5为本发明具体实施例提供的超声波式物体检测装置的检测方法的流程图；

图6为本发明具体实施例提供的对输入信号进行采样以及处理并形成待测信号的流程图；

图7为本发明具体实施例提供的对采样信号进行信号下变频处理以及数字滤波的检测方法的流程图；

图8为本发明具体实施例提供的判断待测信号是否与设定信号不一致的流程图。

具体实施方式

为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明，但不局限于此。

如图1～8所示的具体实施例，本实施例提供的超声波式物体检测装置，可以运用在安防领域，检测特定空间特定时间内是否有可疑人员进入或是人员存在，从而达到防盗的目的；运用在节能领域，同过判断特定室内和空间内，无人员后，关闭相关电器等设备来达到节能目的。

如图1所示，本实施例提供了超声波式物体检测装置，其特征在于，包括第一主控芯片1、第二主控芯片6、至少一个超声波发射单元2、超声波接收单元3以及信号处理单元4，其中，超声波发射单元2以及超声波接收单元3为分离的单独个体；第二主控芯片6，用于输出PWM信号至所述超声波发射单元2；超声波发射单元2，用于接收输出的PWM信号，发射超声波；超声波接收单元3，用于接收物体对超声波的反射信号；信号处理单元4，用于对反射信号进行信号放大处理，形成输入信号；第一主控芯片1，用于接收输入信号，根据输入信号输出控制信号至终端5。

上述的终端5可以为报警单元或者显示单元，起到提示的功能。

将超声波发射单元2以及超声波接收单元3设置为分离式的结构，其中超声波发射为一个独立的设备，放置在空间靠近中央的位置(如会议室的桌面上)，接收设备放置在空间的四周(如会议室周边墙面)，当空间内由于人员发生位移的时候，空间中的声波收到物体位移的影响，产生多普勒频移，通过分析多普勒频移的强度超过一定的阈值后，认为由人员在空间内活动。

在本实施例中，上述的第二主控芯片6只输出PWM信号，对第二主控芯片6要求较低，用STM8低端的芯片即可。

在本实施例中，上述的第一主控芯片1的型号为STM32F407，当然，于其他实施例，上述的第一主控芯片1的型号可以为STM其他类型。

更进一步地，在某些实施例中，上述的超声波发射单元2包括超声波发射传感器CN1以及驱动模块，驱动模块包括驱动芯片U1，第一主控芯片1输出的PWM信号经过驱动芯片U1，转换为驱动信号，驱动超声波发射传感器CN1发射超声波。

该超声波发射传感器CN1的个数为至少一个，当个数超过一个时，则根据空间需求，超声波发射传感器CN1面向不同的角度。

更进一步地，在某些实施例中，上述的驱动芯片U1的型号为MC14049b；驱动芯片U1的输入端口与第一主控芯片1的输出端口之间连接有电阻R3以及三极管Q1。

其中MC14049b为高灌电流和高拉电流的反相器，为了提高超声波发射传感器的输出功率，设计采用1个MC14049b芯片(4组反相器)设计成2对驱动并联的形式来驱动超声波发射传感器；选用常用功率频率为40khz的超声波传感器；第一主控芯片1输出3.3V CMOS电平的40KHZ占空比50％的PWM信号，经过电阻R3和三极管Q1转换成12V PWM信号，进入驱动芯片U1进行反相，其中，OUTF和OUTE为经过2次反相器后的输出，OUTD和OUTC为经过1次反相器后的输出，引起驱动超声波传感器的最大峰峰可达到24V，且2组反相器并联的形式大大提高驱动电流。采用若干个超声波发射传感器，面向不同的空间方位，组成超声波发射阵列，可以使得检测的准确率增加，也就是，检测的准确率随着超声波发射传感器的个数增加而升高。

另外，上述的超声波接收单元3包括超声波接收器MIC1。

对于上述的信号处理单元4，其包括一级放大器U3A、二级放大器U3B以及三级放大器U4A；其中，一级放大器U3A对超声波接收微弱信号进行一次放大，并防止信号饱和，二级放大器U3B对信号进行跟随处理，通过三级放大器U4A再次进行放大，通过三级模拟运放处理，超声波接收电压信号放大了约40db增益；放大后的运放由第一主控芯片1进行采样，由于超声波接收传感器的频率为40KHZ，为了降低ADC采样的混叠，采样频率需超过80KHZ。

另外，上述的超声波接收传感器与一级放大器U3A的反向输入端之间连接有电容C6以及电阻R5，进行滤波。另外，上述的一级放大器U3A的反向输入端与一级放大器U3A的输出端之间连接有防反接二极管D1以及电阻R4、R6。该一级放大器U3A的输出端与二级放大器U3B的同相输入端连接，且二级放大器U3B的反向输入端与二级放大器U3B的输出端连接，三级放大器U4A的输出端通过电容C7以及电阻R7与三级放大器U4A的反相输入端连接，三级放大器U4A的同相输入端与一级放大器U3A的同相输入端连接，另外，三级放大器U4A的反相输入端与三级放大器U4A的输出端之间连接有电容C10、电阻R10。

另外，上述的装置还包括电源单元，该电源单元包括电源管理芯片U2，该电源管理芯片U2的型号为AMS1117，将12V的电源电压转换为3.3V的电压，另外，在电源管理芯片U2的输入端之间连接有电容C4以及C5，电源管理芯片U2的输出端之间连接有电容C2以及C3。

上述第一主控芯片1具备二阶IIR低通滤波功能，于其他实施例，可以单独设置二阶IIR低通滤波单元，对信号进行滤波后回传至第一主控芯片1进行下一步处理。

上述的超声波式物体检测装置，通过设置分离的超声波发射单元2以及超声波接收单元3，超声波发射单元2面向空间不同的角度，以使检测更加全面和准确，获取超声波反射的信号，进行放大处理，由第一主控芯片1根据输入信号输出控制信号至终端，利用输入信号的变化，检测微动的物体是否存在，在特定空间内可以提高检测灵敏度和准确度，由于采用超声波多普勒技术，具备高可靠性和高稳定性。

如图5所示，本实施例还提供了超声波式物体检测装置的检测方法，该方法包括：

S1、发射超声波；

S2、获取超声波的反射信号；

S3、对放射信号进行放大处理，形成输入信号；

S4、对输入信号进行采样以及处理，形成待测信号；

S5、判断待测信号是否与设定信号不一致；

S6、若否，则物体发生微动；

S7、若是，则物体保持原状。

上述的S1步骤至S3步骤，主要是有上述的超声波式物体检测装置完成，

更进一步地，在某些实施例中，上述的S4步骤，对输入信号进行采样以及处理，形成待测信号的步骤，包括以下具体步骤：

S41、对输入信号进行ADC采样，形成采样信号；

S42、对采样信号进行信号下变频处理以及数字滤波，形成中间信号；

S43、对中间信号RMS积分处理，获取输入信号的频率变化范围，形成待测信号。

另外，上述的S42步骤，对采样信号进行信号下变频处理以及数字滤波，形成中间信号的步骤，包括以下具体步骤：

S421、对采样信号与连续的设定频率的离散正弦信号进行相乘，形成多普勒频移信号；

S422、对多普勒频移信号进行二阶IIR低通滤波，形成中间信号。

另外，对于上述的S5步骤，判断待测信号是否与设定信号不一致的步骤，包括以下具体步骤：

S51、判断输入信号的频率变化范围是否超过设定的频率变化阈值；

S52、若是，则待测信号与设定信号不一致；

S53、若否，则待测信号与设定信号一致。

由于空间中存在连续发射的超声波，当人在此空间发生位移或移动的时候，造成超声传播路程差，从而导致四周接收到的超声存在相位和频率的变化，采用计算，该公式为多普勒频移的数学表达式，其中f为频移，f0为超声波频率为40KHZ，φ为位移与声波传播的方向的夹角，V₀为超声波的空间传播速度，为340m/S；同时人在空间内位移的速度通常为0～5m/s；因此可以简单计算出多普勒频移f的范围为0～588hz，即超声波接收传感器的频率变化范围为40KHZ-588hz到40khz+588hz；多普勒频移采样后的信号，可以看成是一个频率调制的信号，其中载波频率为40Khz；为了判断空间内是否有人员移动，核心是判断频移信号幅度的大小，而频移信号等效为被40khz载波调制的一种频率信号；因此为了提取多普勒频移信号，将采样后的信号与连续的40khz离散正弦信号进行相乘(等效为对信号进行下变频)，即可以得到多普勒频移信号。得到多普勒频移信号的有效频谱范围为0～588hz，为了滤除干扰信号(比如混进来的载波信号)，因此对下变频后的信号进行2阶IIR低通滤波，滤波器的截至频率设定为600HZ；此滤波后的信号即为人员移动导致的信号变化；，人员在空间位移，一次移动时间通常不少于500ms，因此对滤波后的信号在进行RMS积分处理，一个积分周期为500ms，一个积分周期完成后，接着进行下一个积分周期；当积分后的数值超过一定阈值的时候，认为有人员在空间内移动发生了位移。此阈值的高低决定了此传感器的灵敏度，通常阈值越低灵敏度意味着越高，但是较高的灵敏度也意味着噪声也更大，传感器更容易被误触发，因此该阈值设置的时候需要根据传感器以及测量的空间来进行优化选取。

上述的超声波式物体检测装置的检测方法，通过设置分离的超声波发射单元2以及超声波接收单元3，超声波发射单元2面向空间不同的角度，以使检测更加全面和准确，获取超声波反射的信号，进行放大处理，由第一主控芯片1通过提取输入信号内的相关阈值，与设定值对比，根据对比结果输出控制信号至终端，利用输入信号的变化，检测微动的物体是否存在，在特定空间内可以提高检测灵敏度和准确度，由于采用超声波多普勒技术，具备高可靠性和高稳定性。

上述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.超声波式物体检测装置，其特征在于，包括第一主控芯片、第二主控芯片、至少一个超声波发射单元、超声波接收单元以及信号处理单元，其中，所述超声波发射单元以及所述超声波接收单元为分离的单独个体；所述第二主控芯片，用于输出PWM信号至所述超声波发射单元；所述超声波发射单元，用于接收输出的PWM信号，发射超声波；所述超声波接收单元，用于接收物体对超声波的反射信号；所述信号处理单元，用于对反射信号进行信号放大处理，形成输入信号；所述第一主控芯片，用于接收输入信号，根据输入信号输出控制信号至终端。

2.根据权利要求1所述的超声波式物体检测装置，其特征在于，所述第一主控芯片的型号为STM32F407。

3.根据权利要求1所述的超声波式物体检测装置，其特征在于，所述超声波发射单元包括超声波发射传感器CN1以及驱动模块，所述驱动模块包括驱动芯片U1，第一主控芯片输出的PWM信号经过驱动芯片U1，转换为驱动信号，驱动超声波发射传感器CN1发射超声波。

4.根据权利要求3所述的超声波式物体检测装置，其特征在于，所述驱动芯片U1的型号为MC14049b；所述驱动芯片U1的输入端口与第一主控芯片的输出端口之间连接有电阻R3以及三极管Q1。

5.根据权利要求1至4任一项所述的超声波式物体检测装置，其特征在于，所述超声波接收单元包括超声波接收器MIC1。

6.根据权利要求5所述的超声波式物体检测装置，其特征在于，所述信号处理单元包括一级放大器U3A、二级放大器U3B以及三级放大器U4A。

7.超声波式物体检测装置的检测方法，其特征在于，所述方法包括：

发射超声波；

获取超声波的反射信号；

对放射信号进行放大处理，形成输入信号；

对输入信号进行采样以及处理，形成待测信号；

判断待测信号是否与设定信号不一致；

若否，则物体发生微动；

若是，则物体保持原状。

8.根据权利要求7所述的超声波式物体检测装置的检测方法，其特征在于，对输入信号进行采样以及处理，形成待测信号的步骤，包括以下具体步骤：

对输入信号进行ADC采样，形成采样信号；

对采样信号进行信号下变频处理以及数字滤波，形成中间信号；

对中间信号RMS积分处理，获取输入信号的频率变化范围，形成待测信号。

9.根据权利要求8所述的超声波式物体检测装置的检测方法，其特征在于，对采样信号进行信号下变频处理以及数字滤波，形成中间信号的步骤，包括以下具体步骤：

对采样信号与连续的设定频率的离散正弦信号进行相乘，形成多普勒频移信号；

对多普勒频移信号进行二阶IIR低通滤波，形成中间信号。

10.根据权利要求9所述的超声波式物体检测装置的检测方法，其特征在于，判断待测信号是否与设定信号不一致的步骤，包括以下具体步骤：

判断输入信号的频率变化范围是否超过设定的频率变化阈值；

若是，则待测信号与设定信号不一致；

若否，则待测信号与设定信号一致。