专利名称：一种基于模式识别的超声波开关的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种开关，具体涉及一种基于模式识别的超声波开关。
背景技术：
目前，采用超声波原理的各种传感器和开关可以分成两大类一类是发射脉冲信号，利用反射物的有无回波，来判断周围有无物体，这类方案不适合用在走廊、办公室、商场等具有复杂反射物的环境里；另一类是发射连续波，利用运动物体会导致反射波产生多普勒频移的特性，来判断是否有物体靠近，由于只能探测物体动不动，实际应用时，常常受小动物、植物、窗帘等物体的干扰，导致误判。
实用新型内容发明目的为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提出一种基于模式识别的超声波开关，该开关可以估计物体大小、测量运动速度、加速度和运动方向，通过模式识别，可以滤除小动物、盆栽、窗帘等的干扰。技术方案为解决上述技术问题，本实用新型的一种基于模式识别的超声波开关， 包括中央处理器、与中央处理器连接的发射回路和接收回路，所述的发射回路包括串联连接的第一滤波器、功率放大器和超声波发射头，所述的滤波器与中央处理器连接；所述的接收回路包括串联连接的增益放大器、第二滤波器和超声波接收头，所述的增益放大器与中央处理器连接；所述的中央处理器还连接有IXD显示器、输出驱动和电源。为了使滤波效果达到最好，所述的第一滤波器为40kHz滤波器，所述的第二滤波器为双模滤波器；为了解决超声波信号随距离的四次方衰减的问题，所述的增益放大器为可变增益放大器，可变增益放大器包括运放、第一数字电位器和第二数字电位器，第一数字电位器与运放串联连接，第二数字电位器与运放并联连接；为了补偿声速随温度的变化，所述的中央处理器还与温度传感器连接；为了使得信号处理效果好，所述的中央处理器为32 位ARM处理器。本实用新型中，电源提供工作所需的5V、3. 3V等直流电源；中央处理器产生的 40kHz方波经40kHz滤波器滤波成正弦波，经功率放大器放大后，送至40kHz超声波发射头， 发射超声波信号；反射回来的超声波信号经超声波接收头接收，送至双模式滤波器滤波，经可变增益放大器放大后，进中央处理器进一步处理；中央处理器一旦探测到有效的动目标进入测试，便输出控制信号，经输出驱动后，可以控制门、电灯等装置；IXD显示器用于显示探测信息、时间、设置等信息；温度传感器靠近接收头放置，用于测量环境温度并对声速进行补偿。有益效果与现有技术相比，本实用新型的基于模式识别的超声波开关具有以下优点1、本实用新型构思巧妙、结构独特，通过采用连续波频域测量和脉冲时空测量双模式对运动物体进行探测，既可以对运动物体进行动目标预警和速度检测，又可以估计物
3体大小、测量运动速度、加速度和运动方向；2、本实用新型通过采用模式识别，可以滤除小动物、盆栽、窗帘等的干扰，大幅提高了超声波开关的可靠性和实用性；3、本实用新型采用信号处理技术基于软件实现，产品具备很高的性价比；使用本实用新型后可以大幅降低能耗，产生可观的节能效益和环保效益。
图1本实用新型的结构框图；图2本实用新型的可变增益放大器结构框图；图3本实用新型人在1. 5米处的回波图；图4本实用新型人在1米处的回波图；图5本实用新型人在1米处回波的展开波形图；图6为连续波模式数据处理流程图；图7为脉冲时空模式数据处理流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作更进一步的说明。如图1所示，本实用新型的一种基于模式识别的超声波开关，包括中央处理器、与中央处理器连接的发射回路和接收回路，发射回路包括串联连接的第一滤波器、功率放大器和超声波发射头，滤波器与中央处理器连接；接收回路包括串联连接的增益放大器、第二滤波器和超声波接收头，增益放大器与中央处理器连接；中央处理器还连接有LCD显示器、 输出驱动和电源。本实施例中，第一滤波器为40kHz滤波器，第二滤波器为双模滤波器，采用连续波频域测量和脉冲时空测量双模式对运动物体进行探测连续波频域测量利用多普勒频移对运动物体进行动目标预警和速度检测；脉冲时空测量利用回波的幅值确定物体位置，估计物体大小、测量运动速度、加速度和运动方向。本实施例中，电源为超声波开关提供工作所需的5V、3. 3V等直流电源；增益放大器为基于距离的可变增益放大器，采用这种放大器作为信号的接收放大器，可以解决超声波信号随距离的四次方衰减的问题；中央处理器连接有温度传感器，温度传感器用来测量环境温度，补偿声速随温度的变化；中央处理器采用ARM体系32位单片机进行信号采集和数据处理，采用先进的数字信号处理技术，通过软件实现FFT、包络检波、数据融合和模式识别；LCD显示器用于显示探测信息、时间、设置等信息。本实用新型的一种基于模式识别的超声波开关，其控制方法包括以下步骤(1)接通电源，中央处理器工作于连续波频域测量模式，中央处理器产生的40kHz 方波经40kHz滤波器滤波成正弦波，正弦波经功率放大器放大后送至40kHz超声波发射头， 超声波发射头发射连续的超声波信号；(2)发射的连续的40kHz超声波碰到物体后反射回来，超声波接收头接收超声波信号，同时双模式滤波器工作在带通模式，连续波模式数据处理流程如图6所示中央处理器内部的ADC电路对接收到的信号进行连续的模数变换，然后对其进行FFT频谱分析和处理，得到回波的频谱；(3)当有运动物体进入检测区域，就会产生多普勒频移，FFT处理的结果中可以很容易测出这种频移的大小，从而得到运动物体的瞬时速度，产生预警；(4)当检测到动目标，中央处理器就切换进入脉冲时空测量模式，双模式滤波器也在软件的控制下变为低通滤波，脉冲时空模式数据处理流程如图7所示；(5)中央处理器发送40kHz正弦调制脉冲串，如每次连续发射10个周期的40kHz 正弦信号，间隔0. ls，如此往复。在脉冲发射1. 6ms后，中央处理器设定可变增益放大器的增益，开始接收回波信号。之所以要等1. 6ms是因为发射的正弦信号会通过空间耦合到接收端，该耦合信号很大，必须屏蔽掉。如图3所示，CHl (通道1)的信号是发射信号，CH2(通道2)左边的信号是发射耦合信号，画面居中的纺锤形信号是回波信号。(6)中央处理器内部的ADC电路从1.6ms开始对回波信号的幅度连续采集，得到一组数据Data[M]，M表示一次测量周期里的总的AD采集次数，这是该次测量的回波信号集，设AD采样间隔为dT，则数据Data[i]表示的是距离超声波接收头的距离为L = (0.0016+i*dT)*V/2处的回波幅值，V是实时声速，i是AD采样值的序号。对于N次测量， 我们可以得到数据集Data [N] [Μ]。(7)对回波信号集中的数据进行滤波，并逐点计算本次测量和滤波值的差值X[k] [i] = Data[k] [i]-f (Data[k-1] [i]) k = 0 N;i=0 M便可以得到动目标的信号。因为对于静目标而言，其回波信号的幅度在各次测量中是不变的(忽略随机噪声)，相减后为零，或非常小；而动目标的幅值位置是改变的，相减后会出现峰值，差值序列)ak][i]中，出现峰值的位置，就是动目标所处的位置。上述的滤波和差值计算是每次ADC结束时都执行的。比较多次测量间隔的差值结果)ak]、XDc-1]、
X[k-2]......，就可以得出动目标的位置、运动方向、运动速度、运动模式(靠近、离开、回
摆)，还可以估算加速度。对回波信号的差值计算，既可以在40kHz载波上处理，也可以先用软件做包络检波，再计算差值。图4是人站在1米处的回波图，图5是对其的展开图，可以看出，回波是40kHz的调幅波。(8)当动目标的信号为有效信号时，中央处理器输出控制信号，经输出驱动后，可以控制外部装置的开启或关闭。外部装置可以为门、电灯等装置。本实用新型中的接收放大器是可变增益放大器，其增益在软件控制下，随距离变化而变化，在单次回波的ADC采集中，增益随采样序号i值变化，i值越大，表示回波时间越久，即反射物距离超声波接收头越远，增益就设置得越高，以补偿声场随距离的衰减。如图2 所示，可变增益放大器包括运放、第一数字电位器和第二数字电位器，第一数字电位器与运放串联连接，第二数字电位器与运放并联连接。增益的调整是通过两个数字电位器来实现的，每个的可调档数是256，整个增益的调节范围是65536档，能很好满足回波的大动态范围的特点。根据需要，增益/距离特性可以是线性的、对数的、四次方的等等，完全由软件决定，非常灵活，方便。由于可以很好的控制放大器的增益，而且增益是和距离严格相关的，我们就可以通过回波峰值/距离关系，估算出物体的大小对于小动物，如老鼠、猫、狗等，由于其反射系数基本不变，可以通过对其大小的估算来滤除；对于盆栽、窗帘，可以通过其回摆的运动模式滤除。本实用新型基于模式识别的超声波开关可以用在很多场合。一个典型的应用是作为照明灯具的开关用在公共场合，如银行、宾馆、办公室等，有人靠近时自动开灯，人离开即自动关灯，也可控制空调等电器，可以大幅节约耗电，降低碳排放，更加环保。 以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
权利要求1.一种基于模式识别的超声波开关，其特征在于包括中央处理器、与中央处理器连接的发射回路和接收回路，所述的发射回路包括串联连接的第一滤波器、功率放大器和超声波发射头，所述的第一滤波器与中央处理器连接；所述的接收回路包括串联连接的增益放大器、第二滤波器和超声波接收头，所述的增益放大器与中央处理器连接；所述的中央处理器还连接有输出驱动和电源。
2.根据权利要求1所述的基于模式识别的超声波开关，其特征在于所述的第一滤波器为40kHz滤波器，所述的第二滤波器为双模滤波器。
3.根据权利要求1所述的基于模式识别的超声波开关，其特征在于所述增益放大器为可变增益放大器，可变增益放大器包括运放、第一数字电位器和第二数字电位器，第一数字电位器与运放串联连接，第二数字电位器与运放并联连接。
4.根据权利要求1所述的基于模式识别的超声波开关，其特征在于所述的中央处理器还连接有温度传感器。
5.根据权利要求1所述的基于模式识别的超声波开关，其特征在于所述的中央处理器为32位ARM处理器。
专利摘要本实用新型公开了一种基于模式识别的超声波开关，该开关包括中央处理器、与中央处理器连接的发射回路和接收回路，还包括输出驱动和电源。本实用新型采用连续波频域测量和脉冲时空测量双模式对运动物体进行探测，从而控制外部装置的开启或关闭。本实用新型既可以对运动物体进行动目标预警和速度检测，又可以估计物体大小、测量运动速度、加速度和运动方向；通过采用模式识别，可以有效滤除各种干扰，大幅提高超声波开关的可靠性和实用性；同时，本实用新型具备很高的性价比，使用本实用新型后可以大幅降低能耗，产生可观的节能效益和环保效益。
文档编号H03K17/94GK202183758SQ20112020839
公开日2012年4月4日 申请日期2011年6月20日 优先权日2011年6月20日
发明者王建中 申请人:南京华敏电子有限公司