基于Atmega8低功耗智能微波探測器的設(shè)計(jì)

 摘要：微波具有直線傳播、波段寬、設(shè)備小、穿透力和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，基于此設(shè)計(jì)了一種基于Atmega8低功耗智能微波探測器，經(jīng)測試，該探測器靈敏度高、功耗低、穩(wěn)定性好，適用于自動(dòng)門控制開關(guān)、室內(nèi)外安全防范系統(tǒng)、ATM自動(dòng)提款機(jī)的自動(dòng)錄像控制系統(tǒng)、野外安全警示等場所。

微波是頻率范圍在300 MHz到300 GHz的高頻電磁波，其波長從1 mm到1 m。微波具有如下主要特點(diǎn)：直線傳播，很容易被反射;波段寬，可利用的頻率多;微波設(shè)備比較小;對(duì)一些非金屬材料有一定的穿透力，金屬物體對(duì)微波有良好的反射特性;不受其他電磁波干擾?；谖⒉ǖ纳鲜鎏攸c(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于Atmega8低功耗、網(wǎng)絡(luò)化、微型化、抗干擾能力強(qiáng)的微波探測器，該探測器主要用于自動(dòng)門開關(guān)，室內(nèi)外安全防范系統(tǒng)、野外安全警示場所等。

1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微波探測器由電源、單片機(jī)最小系統(tǒng)、脈沖電源、放大整形電路、微波模塊組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 電源

微波探測器采用直流供電，該電源的穩(wěn)壓芯片采用HT7550低壓差三端穩(wěn)壓芯片，該芯片具有超低功耗、低輸入輸出壓差、低輸出電壓溫漂、輸出電壓5 V，可以提供100 mA的輸出電流。電源電路如圖2所示。

1.2 脈沖電源

為了降低系統(tǒng)功耗以及延長微波模塊的壽命，本探測器對(duì)微波模塊采用脈沖供電，利用單片機(jī)產(chǎn)生頻率為1 kHz，占空比為2%的脈沖為微波模塊供電，這樣可以節(jié)省98%的能量，同時(shí)在脈沖供電環(huán)境下微波模塊并不是時(shí)刻都在工作，所以又可以延長微波模塊的使用年限。該脈沖電源的電路如圖3所示，三極管的基極通過一個(gè)電阻連到單片機(jī)的脈沖輸出引腳，發(fā)射極連到VCC上這樣便構(gòu)成了一個(gè)簡單穩(wěn)定的脈沖電源。

1.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)

本文采用Atmel公司的8位高性能AVR單片機(jī)Atmega8作為主控制芯片，硬件部分電路如圖4所示。圖中R1和R4構(gòu)成了分壓電路對(duì)模塊的輸入電壓進(jìn)行分壓，然后送入單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，當(dāng)檢測到外部供電電池的電壓低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)進(jìn)行報(bào)警。J1和R10構(gòu)成了環(huán)境亮度檢測電路，當(dāng)環(huán)境亮度不同時(shí)該電路分出的電壓也不同，將該電壓送入單片機(jī)進(jìn)行采樣通過軟件智能判斷是黑夜還是白天，當(dāng)白天時(shí)模塊處于休眠狀態(tài)，黑夜時(shí)模塊處于警戒狀態(tài)，起到低功耗作用。S1及其外部電阻構(gòu)成了外部硬件靈敏度調(diào)節(jié)接口，可以進(jìn)行16級(jí)靈敏度調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。S2及其外部電阻構(gòu)成了報(bào)警時(shí)長接口，一共可以設(shè)置4種報(bào)警時(shí)長。B1為蜂鳴器，它可以進(jìn)行現(xiàn)場報(bào)警，以及進(jìn)行開機(jī)初始化提示，電池低電壓報(bào)警等。接口J4為在線調(diào)試接口，通過該接口可以隨時(shí)向單片機(jī)中下載程序，方便進(jìn)行軟硬件調(diào)試。電阻R27為工作模式選擇電阻，當(dāng)焊接上該電阻時(shí)選擇為單點(diǎn)工作模式，通過硬件調(diào)節(jié)靈敏度以及報(bào)警時(shí)長，當(dāng)該電阻未焊接時(shí)選擇為聯(lián)網(wǎng)工作模式，在該模式下相關(guān)設(shè)置可以通過串行接口發(fā)送到模塊，同時(shí)模塊也會(huì)向外不斷地發(fā)送模塊的工作狀態(tài)，比如電池電壓，報(bào)警信號(hào)，當(dāng)前設(shè)置等信息。單片機(jī)的第9引腳為報(bào)警輸出端，可以用它去驅(qū)動(dòng)繼電器來控制自動(dòng)門的開關(guān)等。單片機(jī)的13引腳經(jīng)過一個(gè)PNP型三極管后變?yōu)檎伎毡葹?%的脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)去驅(qū)動(dòng)MOS管Q2來控制中頻信號(hào)的通斷，避免了在微波模塊上電的瞬間產(chǎn)生的電流沖擊信號(hào)送入信號(hào)處理電路造成誤報(bào)警，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。

1.4 微波模塊

本文采用的微波模塊是GH100微波移動(dòng)傳感器，GH100微波移動(dòng)傳感器是X波段移動(dòng)傳感多譜勒模塊，它由介質(zhì)振蕩器(DRO)和一對(duì)微帶天線組成，微波頻率為10.525 GHz。原理圖如圖5所示。該模塊的工作原理是基于微波的多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)是當(dāng)發(fā)射信號(hào)與接收者之間存在相對(duì)徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收到的回波信號(hào)的頻率(或相位)將發(fā)生變化。GH100微波模塊集收發(fā)為一體，通過天線向周圍空間發(fā)射無線電磁波，同時(shí)又由天線接收周圍物體反射的回波，通過模塊內(nèi)部電路對(duì)收、發(fā)信號(hào)的相位進(jìn)行比較，如果周圍空間有移動(dòng)物體存在，回波信號(hào)將產(chǎn)生頻移與相差，最后從傳感器輸出一個(gè)低頻率的電壓。微波移動(dòng)傳感器是一種非接觸式、功耗低、靈敏度高、體積小，不受熱、噪音、濕度、氣流、塵埃等周圍環(huán)境因素影響，適合惡劣環(huán)境，理想的低成本移動(dòng)檢測器。

1.5 放大整形電路

由于傳感器信號(hào)輸出(IF)端的輸出強(qiáng)度與發(fā)射能量的反射強(qiáng)度有關(guān)，一般在微伏級(jí)，所以需要一個(gè)高增益的低頻放大器來處理該信號(hào)使它能達(dá)到用處理器來處理。放大整形電路如圖6所示。圖中MOS管Q2為信號(hào)開關(guān)，當(dāng)微波模塊上電時(shí)打開信號(hào)開關(guān)，當(dāng)微波模塊失電時(shí)關(guān)閉信號(hào)開關(guān)，這樣可以防止干擾信號(hào)進(jìn)入放大電路。信號(hào)通過信號(hào)開關(guān)后送入集成運(yùn)放U1A的同相輸入端進(jìn)行放大，濾除高頻的干擾信號(hào)后經(jīng)電容C9耦合至后級(jí)電路，后級(jí)電路是一個(gè)引入了輕微負(fù)反饋的比較器電路，引入負(fù)反饋后可以增強(qiáng)本電路的抗干擾性能，改善輸出波形，擴(kuò)寬通頻帶，同時(shí)還可以消除電路的靜態(tài)干擾信號(hào)，將低于門限的靜態(tài)干擾信號(hào)濾除，然后將經(jīng)過放大濾波整形后的信號(hào)直接送入單片機(jī)的AD采樣通道進(jìn)行采樣，通過設(shè)置不同的閾值來改變靈敏度。放大整形后的部分測試波形如圖7所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

微波探測器的主程序流程如圖8所示。主程序初始化完硬件后進(jìn)行工作模式選擇，然后在選定的模式下循環(huán)掃描，有報(bào)警事件時(shí)進(jìn)行報(bào)警，電池電壓過低時(shí)停機(jī)，白天時(shí)關(guān)閉PWM輸出，進(jìn)入低功耗模式。兩個(gè)主分支的結(jié)構(gòu)基本相同，唯一不同的是右分支在進(jìn)行報(bào)警的同時(shí)可以向主機(jī)發(fā)送信息，同時(shí)也可以接收主機(jī)的命令。串口通信的發(fā)送采用主動(dòng)方式，需要發(fā)送的時(shí)候才發(fā)送，接收采用中斷方式，一旦緩存器里面有數(shù)據(jù)立即進(jìn)入中斷去處理。

3 微波探測器的PCB圖

微波探測器的PCB圖如圖9所示。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

軟硬件統(tǒng)調(diào)是完成電路設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的一步，通過不斷地修改程序，微波探測器的功能已經(jīng)達(dá)到要求，不同觸發(fā)方式下的報(bào)警時(shí)長如表1所示。不同靈敏度時(shí)對(duì)應(yīng)的有效檢測距離是將微波探測器安裝在半球型塑料殼內(nèi)，并將其固定在室內(nèi)2.6 m高處測試的，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

5 結(jié)束語

本探測器充分利用了Atmega8單片機(jī)內(nèi)部的軟件資源，16級(jí)靈敏度調(diào)整，感應(yīng)距離在0.8～10 m內(nèi)可調(diào)。電路結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低、精度較高、軟件的升級(jí)和更新方便，適用于自動(dòng)門控制開關(guān)、室內(nèi)外安全防范系統(tǒng)、ATM自動(dòng)提款機(jī)的自動(dòng)錄像控制系統(tǒng)、野外安全警示等場所。