（微电子学与固体电子学专业论文）超声波传感器的人员统计系统研究.pdf

中文摘要 中文摘要 伴随着科技发展，人类的工作生活趋于自动化和便捷，因此人员统计这样较为 传统的工作也发生了变化，在人员流动性较大的公共场所不再采用手工统人员出 入量的方式，而是采用更为准确、智能、实时性较强的仪器采集方式，这样给用 户供了方便也带来了一份可信度较高的统计表。 本设计应对人员统计自动化的趋势，设计了基于超声波传感器的人员统计系 统。整个系统分为两大部分：一部分为超声波发射、接收装置，利用超声波传感 器为信号的发射和采集传感器，使用4 0 k h z 的频率为超声波发射传感器提供起振 频率；另一部分为信号处理装置，超声波发射、接收装置由两组超声波发射和接 收传感器构成，其作用是分别接收人员出、入信息，具体的方向判断由软件编程 来实现，信号处理装置则将前端采集回来的信号进行转换处理，由单片机编程统 计出人员信息，并且实现l c d 实时显示温度、时间、人员出入情况等，经由上位 机软件可将本装置与p c 机相连，进行数据传输，在p c 机上形成历史数据表。本 装置可应用于安保级别不高且有人员统计要求的场合，具有安装方便，操作灵活， 统计信息较准确等特点，因此本装置具有一定的市场应用价值，经过测试其精度 可以达至 j9 3 5 以上。 关键词人员统计；超声波；单片机；实时显示 黑龙江大学硕士学位论文 a b s tr a c t a l o n g 、析t ht e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n t , t h ew o r ko fh u m a n l i f et e n d st oa u t o m a t i o n a n dc o n v e n i e n c e , t h e r e f o r e , a sat r a d i t i o n a lw o r k , t h ew o r ko fp e r s o n n e ls t a t i s t i c sh a s c h a n g e d p e r s o n a li n t a k ea n do u t p u to fg r e a t e rm o b i l i t yo fp e r s o n n e li np u b l i cp l a c e si s n ol o n g e rt h ew a yb ym a n u a ls t a t i s t i c s ，b u tt h ew a y b yu s i n gm o r ea c c u r a t e ，i n t e l l i g e n t a n ds t r o n gr e a l - t i m ei n s t m m e n ta c q u i s i t i o nm o d e s ot ob u s i n e s s e sa n dh o s p i t a l s ，i t p r o v i d e sac o n v e n i e n ta n db r i n g sah i g hr e l i a b i l i t ys t a t i s t i c s t h ed e s i g nr e s p o n d st ot h et r e n do fa u t o m a t i o no fp e r s o n n e ls t a t i s t i c s ，a n dw eh a v e d e s i g n e do u to ft h ep e r s o n n e ls t a t i s t i c ss y s t e mb a s e do nu l t r a s o n i cs e n s o r s t h ew h o l e s y s t e mi sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：o n ep a r ti st h eu l t r a s o n i ct r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r d e v i c e ，t h es t a r t - u pf r e q u e n c yo fu l t r a s o n i ce m i s s i o ns a l l s o ri sp r o v i d e db yt h e f r e q u e n c y4 0 k h zp r o d u c e db ym c u ；t h eo t h e rp m i st h es i g n a jp r o c e s s i n gd e v i c e u l t r a s o n i cl x a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rd e v i c ec o n s i s t so ft w os e t so ft r a n s m i t t i n ga n d r e c e i v i n gu l t r a s o n i c r 峨i t sf u n c t i o n i st or e c e i v es t a f fm o b i l i t yi n f o r m a t i o n j u d g m e n to fs p e c i f i cd i r e c t i o ni sa c h i e v e db yt h es o i w a r ep r o g r a m m i n ga n dt h e nt h e s i g n a lr e t u r n e db yf r o n t - e n da c q u i s i t i o nd e v i c e sw i l lb ec o n v e r t e db ys i g n a lp r o c e s s i n g d e v i c e s t h es t a t i s t i c so fs t a f fi n f o r m a t i o na n da c h i e v e m e n to fr e a l t i m el c d d i s p l a yo f t e m l ) e r a t u r o , t i m o , p c r s o n n o la c c e s sa n ds oo nw e l e r e a l i z e db ym i c r o e o n t r o l l e r p r o g r a m m i n g t h ed e v i c ea n dt h ep cc a nb ec o n n e c t e db yu p p e rc o m p u t e rs o f t w a r e ， t h ed a t at r a n s f e rc a nb ee x e c u t e da n dah i s t o r i c a ld a t at a b l e sw o u l db ef o r m e do np c t h ed e v i c ec a nb ea p p l i e dt ot h es e c u r i t yl e v e li sn o th i g ha n dt h e r ei ss t a f fs t a t i s t i c a l r e q u i r e m e n t so ft h eo c c a s i o n , 、i t i le a s yi n s t a l l a t i o n ，f l e x i b l eo p e r a t i o n , m o r ea c c u r a t e s t a t i s t i c a li n f o r m a t i o na n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c s ，s ot h ed e v i c eh a sac e r t a i nm a r k e tv a l u e ， a f t e rt e s t i n gt h e i ra o o u r a c yc a l lr e a c h9 3 5 k e yw o r d sp e r s o n n e ls t a t i s t i c s ：u l t r a s o n i c ：m i c r o p r o g r a m m e dc o n t r o lu n i t ：r e a l t i m e d i s p l a y h 2加叭04 9m y 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 目前，在人员流动较多的场合下，国内外大多使用传统的手动计数方法。例 如在某商场需要统计一段时间内顾客的数量，管理部门就要派人在某段时间，在 商场的出入口进行手工计数，统计客人的数量，采取相应的商业举措，不仅是大 型商场，凡是人员出入频繁的超市、医院、地铁等都有统计来往人数的需求，由 此可见这种传统的手工统计方法不仅浪费了很多时间和人力，受到较多因素限制， 而且不够准确【l 刀。伴随着当代科技的发展，人们对所利用事物的要求也越来越高， 因此例如商场等人员出入量较大的场所，传统手工统计的粗略方法，不能满足管 理层要求统计客流人数的精确度，管理层所要的不仅仅是个统计的表格，更是商 家要掌握本领域的商业机密，商家根据这些的数据采取相应的商业活动。在科学 日益进步的今天，不光是工业自动化得到长足的发展，就连人们生活的各个领域 也涉及到自动化的产品，人们的工作、生活方式变得便捷，商家也提出了如何能 够在类似人员统计的方面变得准确，可不可以拥有一个方便、精度高、低廉的自 动统计的设备，在较短时间内拿到一份可靠的统计表，来顺应现在市场的要求【3 1 。 本课题应市场的需要，设计了以超声波传感器为探头的人员统计系统。利用 超声波的特点：1 超声波在液体、固体中传播衰减量很小，穿透能力强，并且在空 气中传播速度较慢；2 超声波通常以纵波的形式在弹性介质内传播，是一种能量的 传播形式在一定距离内沿直线传播且具有良好的束射性和方向性；3 超声波的波束 越窄，频率越高，声波定向传播和反射能力也就越强，其能量远大于振幅相同的 低频声波；4 反射能力较强，直线传播，绕射能力弱；5 超声波的辐射特性除了与 超声波传感器的辐射面积有关，还与其振动频率有关。超声波传感器的辐射面积 越大，超声波的约束角就越, j 、 4 - 8 】。 综合以上特点，使用超声波传感器来搭建信号采集装置，结合其他控制显示 黑龙江大学硕士学位论文 电路实现统计功能，本系统可以应用到安保级别较低的场所，进行人员统计，实 现了低成本，高效率的优点，具有广阔的市场应用前景。 1 2 国内外同类课题研究现状及发展趋势 1 9 9 6 年许德章和候诗益研制了一种红外自动计数系统，使用红外线为光线信 号发射端和接收端，当通过人员( 或物品) 时来隔断信号进行相应的计数处理【9 ，1 0 1 ， 如图1 1 所示。 出进 图1 = 1 主动式激光或红外探测原理图 f i g 1 - 1a c t i v el a s e ro fi n f r a r e dd e t e c t i o ns c h e m a t i c 红外光线的发射器与接收器分别放置在人员( 或物品) 通过区域的两侧，通 常情况下需要成对放置，有人员( 或物品) 通过探测区域时，红外光线信号被中 断，接收端光敏器件相应的输出一个脉冲信号，后续电路将处理该脉冲信号，目 的是判断人员( 或物品) 移动方向【1 1 ，1 2 1 。 2 0 0 3 年中国矿业大学机电与材料工程学院的朱华，葛世荣等人研制了矿井人 员红外探测计数系统，利用人体与环境的背景温度和辐射特性自然差异特性，利 用红外光学系统，信号处理技术，以及红外敏感元件( 红外热释电传感器) ，开发被 动式红外探测与计数系统对人体目标进行探测，图1 2 是该系统的原理框图1 1 3 】。 图1 2 红外热释电系统 f i g 1 = 2t h ep y r o e l e c t r i ci n f r a r e ds y s t e m 经由人体产生的红外辐射源由空气传输到光学接收设备，并将其聚集到红外 探测器上，探测器由热电效应产生电信号，输出的微弱信号经电子电路进行放大， 处理和转换，最后传输给显示器进行计数和显示i 阐。 第1 章绪论 i i i i ii l 2 0 0 4 年，曹野源发明了一种基于公共交通的客流统计仪器装置，组成包括能够 有效采集人员脚步的p v d f 压电元件的敏感元件、电荷放大装置组成的公共交通 客流传感器，依据公共车辆客流人体踏抬步计数原理、数学模型能高精度的获取公 交客流计数信息的单片机，输入信号包含了客流信号、车速传感信号、线路g i s 数 据、报站器信号、车门启闭传感信号等以及上述数据的采集i c 卡。特点在于所述 的客流信号是由安装在车门踏板上的流量传感器与电荷放大转换装置形成客流输 入信号，经由六反相器以及踏抬步信号转换器处理后，将客流量信号传输给单片机 进行计数【1 纠8 1 ，其基本工作原理如图1 3 所示。 图l - 3 压电传感探测 f i g 1 3p i e z o e l e c t r i cs e n s o rp r o b e 2 0 0 6 年中央民族大学的和平，杨开涛等人设计了一种流动人员教室计数装置， 选用漫反射式光电开关作为传感器，它是一种集发射、接收于一体的传感器，被 测物体经过传感器时，物体会将光电开关发射器发射足够量的光线反射到接收器 上，此时光电开关产生开关信号，系统主要由光电传感器、单片机系统、无线收 发模块、串口传输通道和p c 机v b 显示界面组成【1 9 - 2 1 1 。 2 0 0 8 年上海交通大学黄亮设计了基于双目摄像头采集的视频图像的三维特征 提取方法及人体识别算法，构建了基于双目视觉的客流统计识别系统。将指定的 敏感区域的客流情况用双目摄像头拍摄下来，通过图像采集转换成数字图像序列。 利用图像处理知识对图像进行预处理，提取出其中的显著特征点；通过对特征点 的图像匹配及三维场景标定获取其三维特征信息；再利用模式识别的算法对这些 黑龙江大学硕士学位论文 三维特征点进行聚类，从而将人体目标识别出来，并计算出目标区域中的人数， 以实现对客流的统计识别工作田之5 1 。 19 9 7 年日本的k a t s u y am o r i n a k a ，k a z u h i k oh s h i m o t o 等人发明了一种人员信 息统计的系统，是基于一种高性能人员信息传感器，它可以检测出当前区域的人 数和每个人所在的点。此传感器该传感器头模块一个红外线( 瓜) 传感器包括一 个4 通道的距离传感器和水平扫描机制，由人的二维热分布得到横向扫描垂直与 一维探测器阵列，空间新的对象的信息通过测定的2 维距离分布和最初的2 维距 离分布的差得到的。人数和每个人的位置是热分布的重叠部分和空间信息的新对 象来确定的陶。 2 0 0 2 年i 帕夫利迪斯和j b 道达尔发明了用于面部检测近红外的人员统计系 统，此系统包含从景象中反射回来的光的图像数据，所述的反射光处于反射红外 线范围中的至少一个波长范围。将图像数据中有可能对应某人一只或者一双眼睛 的景象区域和有可能对应某人一条或者两条眉毛的景象区域从数据同提取出来。 再将提取的有可能对应某人一只或者一双眼睛的景象区域和有可能对应一条或者 两条眉毛的景象区域合并成一副组合容貌特征图像。然后利用代表眼睛区域的模 型数据对组合容貌特征图像进行搜索，从人确定人物的一只或一双眼睛，进而确 定人的数目【2 7 ，2 3 1 。 阿兰j 、利普顿在2 0 0 6 年设计了一种基于计算机的系统，此系统用于人体检 测和跟踪的场景内容分析，包括：视频输入端，用于接收视频的信号：内容分析 模块，用于接收来自视频输入端的所述视频信号，从所述视频信号的信息中分析 场景内容，在所述视频信号中可见的一个( 多个) 对象确定的事件；数据存储模 块，用来存储描述的视频信号内容、涉及所述事件的数据内容或涉及所述系统的 配置和操作的数据内容；用户界面模块，耦合到所述内容分析模块中，允许用户 配置描述的内容分析模块提供用于所述事件的报警，一旦识别所述的事件，所述 内容分析模块就产生报警 2 9 - 3 1 l 。 人员统计系统未来发展的趋势主要有两个：面向安全性要求较高的环境，人 第1 章绪论 员统计系统嵌入在保安系统中，具有专业的操作人员和操作平台；面向安保级别 不高的普通场合，客户不需要铺设昂贵的监视系统和操作平台，统计系统既可独 立运行，可以通过简单模块扩展功能与其他系统合作完成其他控制，最重要的是 成本较低【3 2 1 。 本课题考虑到其应用场合及造价成本，是选择在安保要求不高，人口流动密 度较大的公共场所，设计基于超声波传感器的人员统计系统，利用超声波的特有 性质，不仅造价低廉，而且不受寒冷天气给人表面温度降低等因素的影响，具有 其优越之处，具有广阔的发展前景。 1 3 本课题主要完成的工作 本课题主要应对于安保要不高，造价成本相对较低的且性能高的人员流动场 所，经过现状分析，采用主动式探测的方法( 发射器自身定向或不定向发射出一 定形式的信号，接收器连续不断地捕捉由发射器发出的信号，当接收到的能信号 发生变化超出预先设定阈值时，接收器输出响应信号，通知处理器执行相应的处 理) ，选用压电陶瓷式的超声波传感器作为整个统计系统的信号探头，当信号产生 模块经过8 位a d 转换后，将数字信号传输给m c s 5 1 系列单片机处理，从而达到 人员统计功能。 系统设计上主要完成三大部分工作： ( 1 ) 超声波传感器的发射、接收模块根据超声波传感器自身特点，采用发射 与接收分立的传感器作为这个模块的信号源，发射传感器以一定的方式发射出超 声波信号，接收端就会接收到微弱的反射波，当接收传感器有峰值触发的时候， 就意味着有人通过，那么仅用一组传感器不能判断出人的移动方向，因此要使用 两组传感器模块才可以实现人员的统计与方向的判别。 ( 2 ) 信号处理模块本模块负责处理两路传感器模块的输出信号，并将其模拟 量经过a d 转化后转化成数字量，经过5 l 系列单片机处理后将人员的出入信息显 示到1 2 8 6 4 液晶屏幕上，实现可视化，同时本模块有相应的温度传感，上位机通 黑龙江大学硕士学位论文 信接口等功能。 ( 3 ) 软件编程在软件编程方面要将复杂无用的信号滤除掉，尽可能减少信号干 扰从而对有用的信号处理，将人员的移动情况统计出来。另外使用v b 编程语言进 行上位机开发，使用串口实现本系统将数据传输到p c 机，达到实时化操作管理。 1 4 本章小结 本章主要介绍的课题研究的背景与意义以及人员统计系统在国内外的发展现 状，未来的发展趋势，论文中要完成的主要内容和工作。 - 第2 章超声波传感器理论基础及参数设定 第2 章超声波传感器理论基础及参数设定 2 1 超声波技术基础 2 1 1 超声波介绍 机械振动在弹性介质中的传播被称为机械波，也被称为声波( 弹性波) 。按照 频率的高低，声波可以分为次声波( f 2 0 h z ) 、可闻声波( 2 0 h z 对于固体，其传播速度c 为： 第2 章超声波传感器理论基础及参数设定 皇i | 薯皇i 萱i 萱i i 萱i i 宣i i i 宣i 宣i i i i i i i i i i i i i iii ii i 昌i i 置宣置暑皇i i 1 1 1i ii i i f e1 一 归万而丽高万 ( 2 9 ) 上式中，肛为泊松系数；e 为固体的弹性模量。 超声波在通过两种不同的介质时，它会产生反射和折射现象，如图2 2 所示， 图中具有下列关系 罢：旦 ( 2 1 0 ) 一= l z - s i n8 c ， 式中，a 为入射角；p 为折射角；c i 和c 2 为超声波在两种介质中的速度。 舸议 反射杨 。 l a 界时，就会产生反射波。当超声波由液体进入固 体时的临界入射角a 畀 1 5 。当入射角o , 1 5 。时，就会产生反射【4 1 删。 另外一种传播特性是在通过同种介质时，传播距离的增加，介质吸收能量超声 波的强度减弱。假设i o 为超声波进入介质前的强度，l 为通过介质后的超声波强度， 如图2 3 所示。则有 i = j l d p 删 ( 2 - 1 2 ) 上式中，a 为介质吸收超声波能量的系数；d 为该介质的厚度。 。 黑龙江大学硕士学位论文 k d 。 i 图2 - 3 超声波的强度变化 f i g 2 - 3i n t e n s i t yu l t r a s o u n d 相对于液体介质： 止警防铡 式中，f 为超声波频率；c 为超声波速度tt l 为介质粘度；九为导热系数：k - - k 铂；c p 及种压及恒容情况下的热容量。 对于固体介质： 彳= 等 ( 2 - 1 4 ) 式中，q 为介质的质量因素。 在固体中，纵波、横波和表面波三者的声速有一定的关系，通常可认为横波声 速为纵波声速的一半，表面波声速为横波声速的9 0 。气体中纵波的声速为 3 4 0 m s ，液体中纵波声速为9 0 0 - 1 9 0 0 m s 4 4 1 。 2 2 超声波传感器 2 2 1 超声波传感器的工作原理 超声波传感器有发生器和接收器，超声波传感器也可以兼有超声波发生和超 声波接收的两大功能功能。一般市场常见的超声波传感器有兼用型和专用型两种， 兼用型传感器就是超声波发射器和接收器为一体的传感器，既可以用于发生超声 波，也可以用于接收超声波；专用型传感器就是发生器用于发送超声波，接收器 用于接收超声波嗍。 第2 章超声波传感器理论基础及参数设定 - - ， i 超声波传感器的谐振频率( 中心频率) 主要有2 3 k h z 、4 0 k h z 、7 5 k h z 、2 0 0 k h z 、 等。若想缩短检测距离，可以提高谐振频率，同时分解力也变高。为此，利用超 声波的这种特点就可以制成超声波传感器m 。 压电效应分为正压电效应和逆压电效应，超声波传感器是利用压电效应原理 工作的，超声波传感器是可逆元件，利用逆压电效应制作成超声波发生器，在压 电元件表面上施加电压，元件就会产生应变。如果在图2 - 4 a 所示已经极化的压电 陶瓷片上施加，如图2 4 b 所示的外部极性电压，外部负电荷与极化负电荷互相排 斥，同时外部正电荷与压电陶瓷片的极化电荷相斥，相斥的作用，压电陶瓷片在 长度方向上伸长，在厚度方向上缩短。将外部施加电压的极性变反一下，如图2 - 4 c 所示那样，压电陶瓷片在长度方向上就会缩短，而在厚度方向上伸长。 宅“ i 翻 一1 够 i 卜士；l l 。lj k 度方向上忡长1 口 l _ 士o i 。l 长度方舟上靖k a ) 压电陶瓷片的极化b ) 外加电压的逆变c ) 相反电压的应变 图2 - 4 压电逆效应 f i g 2 4i n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce f f e c t a ) t h ep o l a r i z a t i o no f t h ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i cb ) a p p l i e dv o l t a g eo f t h e i n v v r t e rc ) i n s t e a dt h e s t r a i nv o l t a g e a b 图2 5 双压电晶片传感器示意图 f i g 2 5t h eb i m o r p hs e n s o rd i a g r a m 双压电晶片的超声波传感器如图2 5 所示，如果在发生器的双压电晶片上施加 频率为4 0 k h z 的高频电压，压电陶瓷片a 、b 就根据所加高频电压的极性伸长和 缩短，这样就能发射频率是4 0 k h z 的超声波。超声波会以疏密波的形式进行传播， 传送给超声波接收传感器。超声波接收器是利用正压电效应的原理工作，即在压 电元件上的特定方向上施加压力，元件就会发生应变，在一面产生正极，另一面 黑龙江大学硕士学位论文 则产生负极m 。 2 2 2 超声波传感器的基本结构 超声波传感器的内部结构如图2 - 6 所示，主要部件有引脚、底座、压电晶片、 锥形扬声器、外壳和金属网等部分组成。 外壳 压电 图2 - 6 超声波传感器的内部结构 f i g 2 - 6t h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo f u l t r a s o n i c5 e n s o l 薯 在这几部分中，传感器最核心的部分是压电晶片，发射和接收的超声波能量 靠锥形扬声器来完成，这样一来传感器具有一定的指向角。金属性外壳可以抵御 外力冲击对内部元件的损坏，并能有效防止超声波向其他方向散射，同时金属网 也起到了保护作用，不会对超声波的发射与接收产生影响。超声波传感器的一般 外形和表示符号如图2 7 所示【铝】。 掾塞 嘲 电饭 丧口 a ) 典型外形b ) 表示符号 图2 - 7 超声波传感器的典型外形和表示符号 f i g 2 - 7t h et y p i c a ls h a p ea n d u l t r a s o n i cs e r l s o l st h a ts y m b o l s a ) t y p i c a ls h a p eb ) s a i ds y m b o l 2 2 3 超声波传惑器的性能指标 超声波传感器的标准工作频率是4 0 k h z ，这是电压元件的中心频率，同时也是 发射超声波时串联谐振与并联谐振的中心频率。 第2 章超声波传感器理论基础及参数设定 i 薯宣i i i 萱i i 葺i i i 超声波传感器的带宽较窄，通常要求在标准频率附近使用。为了展宽频带的 宽度，必须采用一定的措施，比如接入电感等方法。另外，由于发射超声波时的 输入功率较大，温度变化使得谐振频率发生偏移的现象是不可避免的，因此，要 对压电陶瓷元件进行频率的调整和阻抗匹配【4 9 】。 ( 1 ) 超声波传感器频率特性 图2 8 所示为m a 4 0 s 2 r s 传感器的频率特性，可以看出传感器的频率和灵敏 度之间的关系。从图中的频率特性可以看出，无论发射还是接收灵敏度都是以标 准频率为中心( 最高点) 向两边逐渐降低，那么，发射超声波时需要考虑到偏离中心 频率的情况。处于发生器的中心频率时，产生的超声波是最强的，超声波的声压 能级也是最高的，处在中心频率两侧时声压能级迅速降低。应用超声波传感器时， 考虑使用接近中心频率的交流电压，来驱动超声波传感器工作【矧。 接收超声波发射超声波 要枷 蓉舶 嘁8 0 3 54 04 5 频率l 【h z 玛l 蕾3 钝n 距离= 3 0 c m 睾m 盏1 0 0 蛩9 0 彝 图2 8 超声波传感器的频率特性 f i g 2 - 8t h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so fu l t r a s o n i cs e n s o r s 褫蔫褫狲 顿率棚妇 频率，k h z 图2 - 9 超声波传感器的指向特性 f i g 2 - 9t h ed i r e c t i v i t yu l t r a s o n i c 5 e 1 1 5 0 r ( 2 ) 超声波传感器指向性 在超声波传感器里面的压电晶片为一个正圆形圆片，此圆片的表面划分为许 黑龙江大学硕士学位论文 多的孤立点，可以把每个点都看做一个振荡元，每个振荡元又能辐射出的一个形 状为半球的面波。这些半球面波没有指向性，但是离开传感器的空间某一个点的 声压，是这些半球面波叠加的结果，就具有了指向性。指向性表示方向的特性， 如图2 - 9 所示，这种传感器具有较高的检测灵敏度，因此，它适用于检测物体通过 和制作成某种报警装置【5 1 l 。 ( 3 ) 超声波传感器温度特性 超声波传感器的温度特性，指的就是灵敏度、温度和频率之间的非线性关系。 一般情况下，温度越高，中心频率、灵敏度、输出的声压电平越低。那么，在温 度变化范围较宽的环境下，在外部进行温度补偿的同时，还需要在超声波传感器 内部进行温度补偿。图2 1 0 所示的是超声波传感器的温度特性【5 2 1 。 是粕 蓉珊 赇4 0 接收超声波 3 54 04 5 频率k h z 8 5 0 c p q - - 3 舛n 距离= 3 0 c m 复 i t - 1 1 0 删 幽l 设 田 霹 发射超声波 图2 1 0 超声波传感器的温度特性 f i g 2 - 1 0t h et e m p e r a t u r e c h a r a c t e r i s t i c so f u l t r a s o n i cs e n s o r s 2 3 本章小结 本章主要介绍的超声波产生机理、超声波的传播特性，以及超声波传感器的结 构、性能指标等内容，通过对这些知识的了解和掌握，对接下来的超声波传感器 的选取和后续处理电路的搭建奠定了理论基础。 第3 章系统总体方案的设计 第3 章系统总体方案的设计 3 1 超声波传感器的选取 本系统主要安置在人员通过的场所，考虑到安放的灵活性，可以在室内也可 以在室外，因此，要选择工作温度范围较宽、灵敏度较高的超声波传感器。超声 波传感器有发射、接收独立和发射、接收兼容的两大类型，由于人员的走动情况 相对复杂，所以，就选择发射、接收独立的超声波传感器以减少兼容型两类传感 器之间的声波干扰。根据第2 章所述的内容，选择型号为t r - 4 0 1 6 收发独立的传 感器，如图3 1 所示，其主要特性参数如下： ( 1 ) 工作距离：3 0 c m 3 5 0 e m ( 2 ) 中心频率：4 0 - a ：l k h z ( 3 ) 工作温度范围：3 0 8 0 0 c ( 4 ) 一误差：小于5 图3 - 1 超声波传感器 f i g 3 1u l t r a s o n i cs a l s o r s 3 1 1 超声波传感器中心频率的选定 超声波的中心工作频率是本系统的重要参数，因为它关系到超声波的扩散和吸 收损失，背景噪声、遇到障碍物反射损失，传感器的尺寸受以上内容的制约。在 大气中传播的超声波频率的平方与波衰减系数成正比，因此空气中超声波的衰减 程度与频率的大小有直接关系，就要求选择合理的中心频率。综合考虑选取中心 工作频率为4 0 k h 左右的传感器，图3 - 2 为单片机产生的4 0 k h z 的方波。 图3 - 2 4 0 k h z 超声波 f i g 3 - 24 0 k h zu l t r a s o n i c 3 1 2 超声波传感器发射脉冲个数的选取 超声波传感器的发射脉冲个数影响到测量精度，关系到测量的盲区，也跟发射 信号的能量有密切的关系。如果采取减少脉冲组中的脉冲个数的方法，可以提高 测量的精确度同时减少了盲区，但也随之带来了能量的减弱，对接收传感器不利。 那么，若是增加脉冲的带宽，也就增加了盲区的范围，使得接收的电路变得困难。 在空气中选择频率为4 0 k h z 的时候，接收回波的包络线到达峰值的时间是 0 2 2 5 m s ，如果测量范围在1 2 m ，发射周期为1 6 m s 的超声波较为适合，其占空比 达到1 8 ，那么8 个周期构成一个脉冲序列，每个序列间隔是3 2 m s ，最后的选取 了一次发射八个脉冲，如图3 3 所示。 豫 l 羹 罄美瓷；鍪灞t 奠 l 篷i i ? i 第3 章系统总体方案的设计 3 1 3 系统中超声波传感器数量的选取 本系统将超声波发射、接收装置放置在门的顶端部位，这样不会给人员的出入 带来影响，现考虑应用到门宽l 米左右的情况，使用单排的超声波发射、接收信 号的采取，因此选取两组超声波发射、接收模块，共计4 只超声波传感器( 2 只发 射传感器、2 只接收传感器) 。 3 2 系统整体硬件结构框图 本系统由两部分构成，一部分是超声波发射、接收装置，主要是由超声波传感 器、超声信号处理电路、放大电路组成；第二部分是单片机主控电路装置，它由 单片机控制模块、a d 转换模块、显示模块、存储模块、接口通信模块等功能构 成，如图3 - 4 所示。两大部分之间采用有线方式连接，这要求两模块之间距离不要 太远。 嗽 圉纲 哦 v c o + 0 2 v 时， d s l 3 0 2 由v c c 2 供电，当v c c 2 v c c l 时，d s l 3 0 2 由v c c x 供电。 v c c 2 主电源输入脚，连接系统电源v c c ( 此芯片与丁 几兼容，能使v c c = s v ) 。 g n d ：信号地端。 f o ：数据输输出引脚。 s c l k ：同步串行时钟输入脚。 r s t ：复位引脚，当r s t _ 1 时，芯片使能，进行数据读l ，写操作；当r s t - - o 时，禁止芯片读写操作【5 7 1 。 实时时钟模块电路如图4 - 1 6 所示： 图4 - 1 6d s l 3 0 2 实时时钟电路 f i g 4 - 1 6t h e d s l 3 0 2r e a lt i m ec l o c kc i r c u i t 。 s t c 8 9 c 5 8 单片机内带1 6 k 的e 2 p r o m 存储器，可以存储1 0 4 2 组数据，该存 储器中，下一组数据的首地址放在最后一个分区，在掉电后重新开机内部数据按 地址顺序存储，因此保存的数据信息不会发生变化。考虑到该单片机自身謇储量 有限，利用外部1 2 c 总线的方式，进行外部扩展，使用a t 2 4 系列存储芯片i 该另 列的芯片就是可以在线读写的e 2 p r o m 芯片，属于非易失行存储器，即便崭电f l 部信息仍能保存4 0 年，读写次数高达1 0 万次。在系统中可以用它来保褓统产 黑龙江大学硕士学位论文 生的数据，就像“硬盘”功能一样，保证了系统采集的数据，外存储模块电路如 图4 - 1 7 所示。单片机的数据传输应用具有十分重要的地位，数据传输接口不仅是 数据传输的硬件基础，同时也是数据通信、计算机网络不可或缺的组成部分。单 片机系统与外界进行信息交换就称作通信，如今在线通信方式分为两种：并行通 信和串行通信，尽管并行通信传输速率快，但是它要使用全部的数据线，同时还 要使用一些握手信号线与控制信号线，给电路设计和印制电路板带来困难，相比 起来串行通信是一位一位通过一条通信线进行传输，但是它的传输速率已经能够 满足本系统的要求，所以采用串行通信的方式【锄。 图4 1 7 外存储电路 f i g 4 - 1 7t h ee x t e l f l a lm e m o r yc i r c u i t 目前r s 2 3 2 是p c 与通信工业中使用最为广泛的串行接口，r s - 2 3 2 被定义成 种在低速串行通信中增加通信距离的单端标准。如今最为广泛使用的是9 芯的 i s - 2 3 2 接口( d b 9 ) ，外观都是d 形，对接的两个接口分为孔式“母头和针式“公 头一两种。r s