CN111381234A - 一种基于超声波的移动目标检测装置 - Google Patents

一种基于超声波的移动目标检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及超声波检测领域，具体涉及一种基于超声波的移动目标检测装置，所述移动目标检测装置包括发射模块、接收模块、检波模块、选频模块和控制模块，其中，所述发射模块用于发射超声波信号，所述接收模块接收所述移动目标反射回来的超声波信号，所述检波模块的第一端连接所述接收模块，所述检波模块的第二端连接选频模块，所述选频模块根据所述移动目标的速度输出特定频率信号，所述选频模块的输出端连接控制模块，所述控制模块根据所述选频模块输出信号控制继电器工作。本发明可以应用于检测某一特定移动目标，当检测到特定移动目标时输出特定频率信号，从而控制继电器工作，本发明的检测精确度更高，适用范围广。

Description

一种基于超声波的移动目标检测装置
技术领域
本发明涉及超声波检测领域，具体涉及一种基于超声波的移动目标检测装置。
背景技术
目前，对于移动目标的检测有许多成熟的检测方法，例如：
1、采用主动红外信号，当有目标出现时，通过接收到的反射红外信号，检测目标；
2、采用被动红外信号(如人体热释红外信号)，当有目标出现时，通过接收到人体热释红外信号，检测目标；
但是，这些检测方法都存在问题：方法1对于移动目标选择性差，只要有目标出现就会有反射信号，对目标的移动速度没有办法判断，即空间内所有移动物体均会被识别，无法满足识别特定移动目标的需求；方法2对于移动目标必须具有热释红外(人体)，对红外波长有一定要求，对物体的移动没有办法判断，对穿戴防护服的人体也没有办法判断。
发明内容
本发明为解决现有技术无法满足识别特定移动目标的问题，提供一种基于超声波的移动目标检测装置，应用范围更广。
本发明采用的技术方案：
一种基于超声波的移动目标检测装置，包括：
发射模块，所述发射模块用于发射超声波信号；
接收模块，所述接收模块接收所述移动目标反射回来的超声波信号；
检波模块，所述检波模块的第一端连接所述接收模块，所述检波模块的第二端连接选频模块；
选频模块，所述选频模块根据所述移动目标的速度输出特定频率信号，所述选频模块的输出端连接控制模块；
控制模块，所述控制模块根据所述选频模块输出信号控制继电器工作。
具体地，所述发射模块包括多谐振荡器和超声波发射探头SP2，所述超声波发射探头SP2连接所述多谐振荡器。
具体地，所述接收模块包括超声波接收探头SP1和带通放大器，所述超声波接收探头SP1连接所述带通放大器。
具体地，所述检波模块包括模拟电子开关和逻辑非门N2-4，所述模拟电子开关的第一端连接所述接收模块，所述模拟电子开关的第二端连接所述选频模块，所述模拟电子开关的第三端经所述逻辑非门N2-4连接所述发射模块。
优选地，所述选频模块包括至少一个选频放大电路，所述选频放大电路的输入端连接所述检波模块，所述选频放大电路的输出端输出特定频率信号。
进一步地，所述检测装置还包括延时模块，所述延时模块的输入端连接所述选频模块的输出端，所述延时模块的输出端连接所述控制模块。
具体地，所述延时模块包括第一比较电路、第一分压电路和RC充放电电路，所述第一比较电路的反相输入端连接所述选频模块的输出端，所述第一比较电路的同相输入端连接所述第一分压电路，所述第一比较电路的输出端连接所述RC充放电电路，所述RC充放电电路连接所述控制模块。
具体地，所述控制模块包括第二比较电路、第二分压电路和驱动电路，所述第二比较电路的反相输入端连接所述选频模块，所述第二比较电路的同相输入端连接所述第二分压电路，所述第二比较电路的输出端连接所述驱动电路，所述驱动电路驱动所述继电器工作。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明通过检测移动目标反射回来的超声波信号，然后根据移动目标的运动速度设定选频模块输出特定频率信号，当待检测的移动目标出现时，选频模块有信号输出，则控制模块控制继电器工作；当待检测的移动目标没有出现时，选频模块没有信号输出，则控制模块控制继电器停止工作，本发明解决了采用主动红外信号进行检测无法对某一特定移动目标进行识别的问题，同时解决了采用被动红外信号进行检测无法对穿戴防护服的人体进行检测的问题，本发明提高了应用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的基于超声波的移动目标检测装置的原理框图；
图2为本发明实施例提供的基于超声波的移动目标检测装置的电路图；
图3为本发明实施例提供的发射模块的电路图(图2中A处的放大图)；
图4为本发明实施例提供的接收模块的电路图(图2中B处的放大图)；
图5为本发明实施例提供的检波模块的电路图(图2中C处的放大图)；
图6为本发明实施例提供的选频模块的电路图(图2中D处的放大图)；
图7为本发明实施例提供的延时模块的电路图(图2中E处的放大图)；
图8为本发明实施例提供的控制模块的电路图(图2中的F处的放大图)；
图9为本发明实施例提供的第二比较电路反相输入端及输出电压波形示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1示出了本发明实施例提供的一种基于超声波的移动目标检测装置的原理框图，该移动目标检测装置包括发射模块、接收模块、检波模块、选频模块和控制模块，其中，发射模块用于发射超声波信号，接收模块接收移动目标反射回来的超声波信号，检波模块的第一端连接接收模块，检波模块的第二端连接选频模块，选频模块根据移动目标的速度输出特定频率信号，选频模块的输出端连接控制模块，控制模块根据选频模块输出信号控制继电器工作。
需要说明的是，某一频率的信号作用于一个运动中的物体后，反射回来的信号与源信号之间会产生频移，这个频移与移动目标速度成比例，即多普勒效应，当移动目标向源信号方向移动时频移增大，当移动目标离开源信号方向移动时频移减少。
进一步地，移动目标引起的多普勒频移的平均频移范围为：
Figure BDA0002434752240000071
其中，fr为超声波反射频率，fs为超声波源信号频率，Vm为超声波传播速度，Vo为物体移动速度。
具体地，由式(1)中可知，当移动目标向源信号方向移动时，超声波反射频率为
Figure BDA0002434752240000072
频移增加
Figure BDA0002434752240000073
当移动目标离开源信号方向移动时，超声波反射频率为
Figure BDA0002434752240000074
频移减少
Figure BDA0002434752240000075
假设移动目标速度为4.2m/s(如移动小车)，则移频
Figure BDA0002434752240000076
其中，fs为超声波源信号频率20KHz，Vm为超声波传播速度314m/s，Vo为假设物体移动速度4.2m/s。
本发明提供一种基于超声波的移动目标检测装置能将频移信号检测出来去控制继电器开关，从而实现自动控制，这个移频信号代表移动目标的速度，本发明仅检测移动速度为Vo的移动目标，即本发明仅检测某一特定移动目标。
作为本实施例提供的发射模块的具体实施例，如图2和图3所示，发射模块包括多谐振荡器和超声波发射探头SP2，超声波发射探头SP2连接多谐振荡器。
具体地，如图3所示，多谐振荡器包括三个逻辑非门、电阻R23、电阻R24、可调电阻RP4和电容C12，三个逻辑非门分别为逻辑非门N2-1、逻辑非门N2-2和逻辑非门N2-2，逻辑非门N2-1的第一端经电阻R23和电容C12连接逻辑非门N2-2的第二端，逻辑非门N2-1的第二端连接逻辑非门N2-2的第一端，同时逻辑非门N2-2的第一端的经电阻R24、可调电阻RP4和电容C12连接逻辑非门N2-2的第二端，逻辑非门N2-2的第二端连接逻辑非门N2-3的第一端，逻辑非门N2-3的第二端连接超声波发射探头SP2。
具体地，本实施例提供的发射模块发射的超声波信号频率为20KHz，通过RP4可以调节振荡频率，从而可以发射其他频率超声波信号，对此不做过多限制。
具体地，三个逻辑非门采用的型号为CD4069或CD4011，超声波发射探头SP2采用的型号为R25-16CN。
作为本实施例提供的接收模块的具体实施例，如图2和图4所示，接收模块包括超声波接收探头SP1和带通放大器，超声波接收探头SP1连接带通放大器，超声波接收探头SP1接收从移动目标反射回来的超声波信号，在有效探测范围内，若有静物体和移动目标存在，则存在两种反射信号被超声波接收探头SP1接收到，由于两种信号迭加后是一个调频、调幅信号，该信号需经带通放大器放大，送检波电路，取出低频信号。
具体地，本实施例超声波接收探头SP1采用的型号为T25-16CW。
作为本实施例提供的检波模块的具体实施例，如图2和图5所示，检波模块包括模拟电子开关和逻辑非门N2-4，模拟电子开关的第一端连接接收模块，模拟电子开关的第二端连接选频模块，模拟电子开关的第三端经逻辑非门N2-4连接发射模块。
具体地，本实施例提供的模拟电子开关采用的型号为CD4016。
需要说明的是，调频、调幅信号必须经过检波才能获取低频信号，常用半导体二极管作为检波电路，但由接收模块收到的是放大后的含有移动多普勒差拍信号的超声调制波小信号，且二极管存在导通电压，所以信号在通过二极管时会有很大损耗，需要将小信号通过多级前置放大器放大后才能保证检波的问题，从而会导致整体电路结构更加复杂。
为了解决采用半导体二极管作为检波电路会导致整体电路结构更加复杂的问题，本实施例提供的检波模块采用模拟电子开关，模拟电子开关的控制信号受超声波发射信号调制，使移动多普勒差拍信号的超声调制波被同步控制的模拟电子开关所检波，本实施例克服了传统二极管检波方式中二极管上信号损耗大等缺点，简化了电路，提高了系统的灵敏度。
作为本实施例提供的选频模块的一个具体实施例，如图2和图6所示，选频模块包括至少一个选频放大电路，选频放大电路的输入端连接检波模块，选频放大电路的输出端输出特定频率信号。
具体地，如图6所示，本实施例提供的选频模块包括三个选频放大电路，三个选频放大电路依次串联，本实施例提供的选频模块只允许在某一个通频带范围内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制，即本实施例采用三个选频放大电路对检波信号进行处理，将移动目标信号放大，而将其它信号加以衰减或抑制。
作为本实施例的一个示例，假设物体移动速度4.2m/s，本实施例提供三个选频放大电路中各个元件参数选择如图6所示，具体地，本实施例提供的的三个选频放大电路的中心频率f0、带宽Δf和增益A如下表所示：
Figure BDA0002434752240000111
表一选频模块参数一览表
具体地，如图6所示，本实施例提供的选频模块可以通过可调电阻RP2调节中心频率f0，相当于选择参与控制的移动目标的速度范围，由检波模块取出的信号频率一般为15-200HZ的低频信号，被检出的信号通过选频模块滤波放大后，中心频率f0处的电压放大倍数理论值A＝5×28×28＝3920(约72dB)。本实施例通过三个选频放大电路组成的选频模块可以提高系统对移动目标信号准确判定，提高了接收信号灵敏度和准确度。
进一步地，检测装置还包括延时模块，如图2和图7所示，延时模块的输入端连接选频模块的输出端，延时模块的输出端连接控制模块。
具体地，如图7所示，延时模块包括第一比较电路、第一分压电路和RC充放电电路，第一比较电路的反相输入端连接选频模块的输出端，第一比较电路的同相输入端连接第一分压电路，第一比较电路的输出端连接RC充放电电路，RC充放电电路连接控制模块。
具体地，如图7所示，第一比较电路的比较电压可以通过可调电阻RP3调节获取，从而控制第一比较电路的翻转灵敏度，提高系统的可靠性；本实施例提供的RC充放电电路包括电阻R18、三极管V2和电容C11，电阻R18的一端连接电源，电阻R18的另一端连接三极管V2的发射极，三极管V2的发射极还连接电容C11的正极，电容C11的负极接地，同时三极管V2的发射极连接控制模块，三极管V2的基极连接第一比较电路的输出端，三极管V2的集电极接地。
需要说明的是，当有移动目标时，第一比较电路输出低电位，使二极管V1导通，此时三极管V2也导通，电容C11通过三极管V2快速放电，使电容C11电压为零，由于放电回路中没有电阻，放电速度极快；
当移动目标消失后，第一比较电路输出高电位，使二极管V1截止，此时三极管V2也不导通，电容C11通过电阻R18充电，充电时间常数τ＝R18×C11，使电容C11两端电压上升，由于充电回路中有电阻R18，充电速度取决于时间常数τ，即充电时间由电阻R18和电容C11的参数决定，电容C11两端电压
Figure BDA0002434752240000121
作为本实施例提供的控制模块的具体实施例，如图2和图8所示，控制模块包括第二比较电路、第二分压电路和驱动电路，第二比较电路的反相输入端经延时模块连接选频模块，第二比较电路的同相输入端连接第二分压电路，第二比较电路的输出端连接驱动电路，驱动电路驱动继电器工作。
作为本实施例的一个示例，如图9所示，当有移动目标时，电容C11电压为零，使第二比较电路的反相输入端电压为零，此时第二比较电路的输出端电压为高电平，三极管V3导通，使继电器触点闭合,驱动执行机构工作；
当移动目标消失后，电容C11电压充电，当充电电压至第二比较电路的阀值电压时，使第二比较电路输出低电平，三极管V3截止，继电器触点断开，执行机构停止工作，即当移动目标消失后，继电器仍然闭环，要经过一定延时t后，继电器才断开。
具体地，延时t由电容C11充电时间决定，当有移动目标时继电器闭合，移动目标消失后延时t秒继电器断开，本实施例可应用在自动感应灯、感应报警器、自动感应门、卫生间感应冲水器等场合，还可以应用于移动小车自动送货(隔离病房自动送药小车)，可以根据小车移动速度自动控制移动门，而不受其它移动目标的影响。
综上，本实施例提供的基于超声波的移动目标检测装置，可以克服了传统热释红外检测电路、主动红外检测电路的不足，使得本发明可以应用更多场景。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于超声波的移动目标检测装置，其特征在于，包括：
发射模块，所述发射模块用于发射超声波信号；
接收模块，所述接收模块接收所述移动目标反射回来的超声波信号；
检波模块，所述检波模块的第一端连接所述接收模块，所述检波模块的第二端连接选频模块；
选频模块，所述选频模块根据所述移动目标的速度输出特定频率信号，所述选频模块的输出端连接控制模块；
控制模块，所述控制模块根据所述选频模块输出信号控制继电器工作。
2.根据权利要求1所述的基于超声波的移动目标检测装置，其特征在于，所述发射模块包括多谐振荡器和超声波发射探头SP2，所述超声波发射探头SP2连接所述多谐振荡器。
3.根据权利要求1所述的基于超声波的移动目标检测装置，其特征在于，所述接收模块包括超声波接收探头SP1和带通放大器，所述超声波接收探头SP1连接所述带通放大器。
4.根据权利要求1所述的基于超声波的移动目标检测装置，其特征在于，所述检波模块包括模拟电子开关和逻辑非门N2-4，所述模拟电子开关的第一端连接所述接收模块，所述模拟电子开关的第二端连接所述选频模块，所述模拟电子开关的第三端经所述逻辑非门N2-4连接所述发射模块。
5.根据权利要求1所述的基于超声波的移动目标检测装置，其特征在于，所述选频模块包括至少一个选频放大电路，所述选频放大电路的输入端连接所述检波模块，所述选频放大电路的输出端输出特定频率信号。
6.根据权利要求1所述的基于超声波的移动目标检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括延时模块，所述延时模块的输入端连接所述选频模块的输出端，所述延时模块的输出端连接所述控制模块。
7.根据权利要求6所述的基于超声波的移动目标检测装置，其特征在于，所述延时模块包括第一比较电路、第一分压电路和RC充放电电路，所述第一比较电路的反相输入端连接所述选频模块的输出端，所述第一比较电路的同相输入端连接所述第一分压电路，所述第一比较电路的输出端连接所述RC充放电电路，所述RC充放电电路连接所述控制模块。
8.根据权利要求1所述的基于超声波的移动目标检测装置，其特征在于，所述控制模块包括第二比较电路、第二分压电路和驱动电路，所述第二比较电路的反相输入端连接所述选频模块，所述第二比较电路的同相输入端连接所述第二分压电路，所述第二比较电路的输出端连接所述驱动电路，所述驱动电路驱动所述继电器工作。
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