人体接近探测仪选题报告资料.docx

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人体接近探测仪选题报告资料

电子课程设计选题报告

学院：

电气工程与自动化学院

专业：

自动化

小组：

第一组

组员：

葛照瑞、李勇、李海松

人体接近探测器

一、选题目的及意义

随着时代的不断进步，科学技术的进步和安全防范意识的增强，人们对自己所处环境的安全性提出了更高的要求，一方面是在家居安全方面，当家中无人或者仅有老人孩子在家时，必须考虑家庭成员生命和财产的绝对安全，不得不时刻留意那些不速之客。

目前，许多住宅小区的安防主要依靠安装防盗窗、防盗门以及人工防范。

这样不仅有碍美观，不符合防火的要求，而且不能有效地防止坏人的侵入。

现在现在很多小区都安装了智能报警系统，因而大大提高了小区的安全程度，有效保证了居民的人身财产安全。

关于电子防盗报警设备，目前市面上主要有压力触发式防盗报警器、开关电子防盗报警器和压力遮光触发式防盗报警器等，但这几种比较常见的报警器都存在一些缺陷。

本课题研究一种超声波人体探测报警器，它制作简单、成本低，安装比较方便，而且防盗性能比较稳定，抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠。

这种防盗器安装隐蔽，不易被盗贼发现；另一方面是在高压危险地域的提示安全方面，当人在紧急情况下，容易忽视潜在的危险，近年来由于人们的忽视以及一些小孩的无知，已经有许多无辜的生命被剥夺。

利用该项技术可以在适时地时候对人们起到一些警示作用，同时对看护小孩的大人予以提醒，针对这两个问题我们设计一种人体接近自动报警系统，当有不速之客或者人们接近危险区其感应区时，它会自动报警提醒人们，从而达到人体接近报警的目的，具有较高的应用价值。

意义：

超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而经常用于距离的测量。

利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，能够在测量精度上能达到工业实用的要求。

超声测距是一种非接触式的检测方式，与其它方法相比，如电磁或光学的方法，它不受被测对象颜色、光线等影响，对于被测物处于恶劣生产环境（如黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等）有一定的适应能力，具有较高的分辨力，其准确度也比其它方法高。

由于超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点，本设计利用超声波来测量距离判断人体是否处在安全区域。

二、设计研究现状和发展趋势

一.1超声检测技术研究意义

超声探伤技术作为一种重要的无损检测技术，在现代工业的各个方面都有着广泛的应用，体现在改进产品质量、产品设计、加工制造、成品检验以及设备服役的各个阶段；体现在新材料和新技术的研究中；也体现在保证机器零件、最终产品的可靠性和安全性上，世界各国对它的研究都非常重视。

例如美国为了保持它在世界上科学技术的领先地位，早在1979年的政府工作报告中提出要成立的六大技术中心中，无损检测技术便是其中之一。

日本最近制定的21世纪优先发展四大技术领域之一的设备延寿技术中，也把无损探伤放在十分重要的位置。

另外，无损探伤技术所能带来的经济效率也是明显的，目前我国的投入不比日本少，而国民生产总值只有日本的三分之一左右，这种现象主要是由于我国产品质量上存在问题而导致大量产品报废所致。

据测算，我国不良品的年损失约2000亿元。

再者，无损探伤的经济效益还表现在产品的竞争能力上，在无损技术支持下提高产品质量和可靠性，是保证产品进入国际市场的决定性因素之一。

例如，日本小汽车生产中30％零件采用无损检测后质量迅速超过美国，市场扩大而严重威胁美国的汽车工业，德国奔驰汽车公司对汽车的几千个零件全部进行无损检测后，运行里程增加一倍，大大提高了产品在国际市场的竞争能力。

国内超声检测技术的主要研究领域可以分为检测方法研究和设备研发。

在设备研发方面主要为数字化超声波探伤仪、TOFD超声检测系统、超声成像系统和磁致伸缩超声导波检测系统；在检测方法和技术方面，主要为自动超声检测技术、超声成像检测技术、人工智能技术、TOFD超声检测技术和超声导波检测技术。

2000年以来，国内研究机构和高校主要侧重于超声相控阵技术。

例如清华大学的施克仁教授和鲍晓宇博士、电子测试技术国防科技重点实验室利用数字波形相位延时技术，设计实现了多通道相控阵超声检测实验系统，达到了很高的发射延时分辨率。

中国石油天然气管道科学院联合上海电气自动化设计研究所等单位，通过对超声波相位控制和电子方法，实现了超声波声束聚焦、偏转。

与国外同类产品相比，增加了横向裂纹的扫描检测、三维动态缺陷显示功能。

近年来，国内科研机构开始侧重于研究数字化多通道超声检测技术，并结合自动化控制技术，用于中小型管道类、曲面类构件的无损检测。

例如，南京航空航天大学的芮华、徐大专把传统的超声波无损检测技术和先进的虚拟仪器、数字信号处理、嵌入式操作系统等技术相结合，研制了一种新型满足了自动化探伤中高重复频率（>1kbps）和实时报警等关键性能的要求的数字化超声波自动探伤系统。

国内研究的总体现状是，大多局限于声场理论的探讨和国外已有产品的仿制，缺少新的检测技术、检测方法以及检测系统设计方面的研究。

换能器的研制上没有创新，为了达到聚焦和偏转的目的通常只考虑数字延时，几乎都未考虑强度控制。

国内外超声相控阵的检测仪器价格昂贵，无法实现可控强度聚焦和偏转。

国内外对超声检测技术的研究已经十分深入，特别是近年来国外对相控阵超声检测技术的研究日趋活跃，例如在造船工业、核工业、航空工业等质量要求高的行业，开始引入超声相控阵技术进行缺陷检测。

五十年代末六十年代初，国内科研单位进口了波兰产超声仪，并进行仿制生产。

目前已经形成自己的研制和生产基地。

许多厂家，如广东汕头超声仪器研究所、中科院武汉物理研究所、武汉科声、南通精密仪器、鞍山美斯等公司和研究机构都推出了自己的超声波探伤仪系列产品。

其中一些单通道手持检测仪的技术水平也已相当接近国外同类产品的，但数字式多通道探伤仪（用于大型板材的自动化超声波探伤）的研制还基本处于起步阶段。

直到1988年鞍山钢铁公司从日本购入了一套二手厚钢板自动探伤设备，在生产中取得了比较好的效果后，带动了国内钢板自动探伤设备的开发。

目前国内在大型板材的探伤设备上，已经取得了一定的成绩。

例如武汉的中国科学院物理研究所推出的KS-128和KS-64两种型号的探伤系统，以及鞍山美斯探伤设备公司研制的MS-8nB型多通道数字式超声波探伤仪。

分别用于在线检测和离线检测。

汕头超声电子研制的国产64路检测通道、实现动态聚焦功能的CTS-2108便携式超声相控阵探伤仪，采用开放式结构设计，可随时扩展更多检测通道。

虽然也具有线扫和扇扫功能，但还不能达到一次同时多角度检测，与国外产品存在一定的差距。

数字化超声波探伤仪配套机械传动装置构成自动超声检测装置，国内的一些公司已经有相关产品。

例如，武汉中科创新技术公司等国内数10家公司生产的便携式和多通道数字化超声探伤仪，通道数多达128个，采样率最高可达100MHz，已经用于无缝钢管、焊接钢管、火车车轮、石油钻杆和汽车关键部件的自动化检测。

国产超声探伤仪在自动化和智能化方面与国外仪器还有较大差距。

国产超声波探伤仪扫描范围较小，测量还不是很精确。

此外，对于大规格高性能铝合金厚板全面积探伤成套设备，目前国内尚没有成熟的产品可供选用，而英国UltrasonicSciences公司的厚板水浸探伤成套设备技术成熟，已经成功应用于铝合金厚板缺陷检测。

针对在目前工业生产的超声检测中缺陷难以定性的问题，国内一些科研单位已经开始了超声无损评价技术的研究，并取得了一定的进展。

超声无损评价技术主要涉及噪音信号的去除、特征提取和智能识别缺陷。

例如，南昌航空工业学院的卢超、邬冠华和吴伟在分析仪器电噪声，材料散射噪声和缺陷回波的小波变换特性的基础上，提出一种用一个尺度间变化的门限阈值来抑制噪声回波的小波变换系数再重构检测回波的方法提高信噪比[4]。

浙江大学的车红昆、项占琴、程耀东提出一种基于小波包变换时频邻域统计特征的自适应消噪方法，能有效提高信号的信噪比以及不同类型缺陷信号之间的可区分性，并抑制波形失真和信号的能量衰减。

三、课题研究的主要内容

3.1 超声波发射电路 

3.1.1 超声波传感器 

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。

超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。

超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。

本次设计的核心器件是UCM-T40K1和UCM-R40K1压电式超声波发生器。

压电式超声波发生器体积小，灵敏度高、性能可靠、价格低廉，是遥控、报警等电子装置最理想的电子器件。

主要技术参数：

灵敏度：

≥—70dB/V/ubar，谐振频率：

40KHZ±1KHZ（UCM—T40K1，发射用），40KHZ±1KHZ（UCM—R40K1，接收用），频带宽：

2KHZ±0.5KHZ，温度：

—20℃—+60℃，相对湿度：

20±5℃时达98% 

主要工作原理：

它是利用压电晶体的谐振来工作的。

超声波发生器内部结构如图3-1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。

当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。

反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。

3-1超声波传感器结构

3.1.2超声波发射电路 

根据超声波的结构特点，要使超声波传感器产生信号，必须使其频率等于压电晶片的固有振荡频率40KHZ时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，因此发射电路关键是由振荡电路产生40KHZ的电磁波再由压电式超声波传感器将信号发射出去。

555电路比较方便实现多谐振荡信号，设计的关键是使其工作频率在40KHZ上，超声波发射电路如图3-2所示。

3-2超声波发射电路图

矩形波的周期取决于电容充放电的时间常数。

充电时间常数为（R1+W）*C1，放电时间常数为W*C1。

电容电压Uc1由（1/3）Ucc充电到（2/3）Ucc，所需要时间为Tph＝0.7*（ R1+W）*C1，Uc1由（2/3）Ucc放电到（1/3）Ucc所需要时间为Tpl＝0.7*W*C1， 

T=Tpl+Tph=0.7（R1+2*W）*C1，而f=1/T,

 则f＝1/T≈1.43/[（ R1+2*W）*C1]。

通过改变充放电时间常数，便可改变矩形波的频率。

调节电位器W使工作频率为40KHZ，其中为了滤除干扰，C2旁路电容一般为0.01uF。

发光二极管串联电阻组成指示电路，指示灯亮表示发射电路工作。

3.2超声波接收电路 

接收电路由直流电源模块、接收电路模块（包括接收放大电路、倍压整流滤波、比较器等电路）、报警电路模块等组成。

3.2.1电源电路模块

直流稳压电路是电子电路的基本组成部分，本设计采用低压直流稳压电源6V，在设计中单独将该电源模块化设计，并且利用数码管显示0-7V，便于今后学习和工作中使用。

图3-3为直流稳压电源电路框图，利用LM317集成稳压块为稳压调整元件，LM317具有调压范围大，外围元件少，电路简单，工作稳定可靠和性价比高等特点。

选用A/D变换[1]、显示驱动一体化模块TC7107为数显驱动。

3-3直流稳压电源电路

低压电源电路由交流变压、整流、滤波、稳压、A/D转换、译码驱动、数字显示等部分。

利用LM317集成稳压块为稳压调整元件，选用A/D变换、显示驱动一体化模块TC7107为数显驱动。

该电路具有电路简单，价格低廉，便于调试等特点，而且其电压输出稳定，调压精度较高。

（1）变压电路 

电源变压器的作用是将电网的220V交流电压u1变换为整流电路所需要的交流电压u2。

（2）整流滤波电路 

整流电路的作用是将交流电压u2变换成脉动的直流电压u3。

整流电路较常见的有半波和桥式整流电路，因桥式整流输出电压较高，纹波较少，本设计选用桥式整流电路。

在电源电路设计中用四个二极管组成桥式整流电路来完成整流功能。

（3）稳压电路 

稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。

采用集成稳压器设计的稳压电源具有结构简单、性能稳定等优点。

可调式三端集成稳压器是指输出电压可以连续调节的稳压器，有输出正电压的CW317系列（LM317L）三端稳压器。

采用LM317构成的稳压部分电路，R3与RV2组成输出电压调节电路，RV２为精密可调电位器。

电容C9可以进一步消除纹波，电容C７ 还能起到相位补偿作用，以防止电路产生自激振荡。

电容C９与RV２并联组成滤波电路，电位器RV２两端的纹波电压通过电容C2旁路掉，以减小输出电压中的纹波。

（4）A/D转换、译码驱动

 为了实现输出电压的实时显示，更直观地观测电源的电压大小。

设计中加上A/D转换、译码驱动电路。

这就涉及到从模拟到数字的转换，再通过译码器将其显示出来。

如果采用分立元件来实现，电路就变得非常复杂，实现困难，而且可靠性较低，这里选用将A/D转换与数码显示集成一起的芯片TC7107，它包含A／D转换器，可直接驱动LED数码管，内部设有独立模拟开关，逻辑控制，参考电压，自动调零等，只须少量的外围元件就可以构成数字显示电路。

（5）数字显示部分 

数字显示器件则选用了7SEG-MPX2-CC数码管。

其功能是将TC7107转换出来的数字电压显实时示出来。

直流稳压电源电路如图3-4所示。

该电源用一位数码管显示，可显示0-7V，在实际使用时，调节RV1电位器实现电压的变化。

3-4直流稳压电源

3.2.2接收电路模块 

接收电路模块由接收放大、倍压整流滤波、比较器及驱动电路组成，如图3-5所示。

3-5接收电路模块

传感器接收头UCM-T40的共振板接收到40KHZ超声波时，将压迫压电晶片作振动，由于该频率与其固有频率一致，机械能转换为电信号，从第一级放大电路的基极送入，进行两级电压放大。

由于三极管V4集电极输出的放大信号为交流信号，为达到由运算放大器（IC2）构成的比较器电路的直流电压极性，必须由VD5、VD7、R13、R14组成二倍压整流电路进行整流，再经过C5滤波后送入运放2脚作为输入电压。

运放参考电压由电位器RP2上送入，其数值取决于超声波发射和接收头相距5m时2脚上的电压大小。

如果距离超过5m，则超声波接收头上收到的信号较弱，经放大、整流、滤波后的信号（即运放2脚上信号）小于参考点3脚的信号强度，比较器输出端（即运放6脚）输出低电平，V5、V6组成的复合管截止，继电器K1不动作；如果两车距离在5m以内，则超声波接收头上收到的信号较强，经放大、整流、滤波后的信号（即运放2脚上信号）大于参考点3脚的信号强度，比较器输出端（即运放6脚）输出高电平，V5、V6组成的复合管饱和导通，继电器K1得电，常开触K1-1吸合，报警电路工作。

因此合理调节电位器RP2的位置，可改变送入3脚的电压大小，进而可以调节报警距离。

 3-6报警电路模块

2.2.3 报警电路模

块

报警电路如图3-6所示，由555电路构成的多谐振荡器、三极管、LED发光二极管和蜂鸣器等组成。

复位端4脚受继电器K1控制，当继电器K1线圈得电时，K1-1开关吸合，4脚接电 源高电平，多谐振荡器工作，555电路输出端3脚送出固定频率的信号（根据f＝1/T≈1.43/[（ R17+2R18）*C6]计算），V7饱和导通，蜂鸣器发声，此时发光二极管由于K1-1开关吸合接入电路发光；当继电器K1线圈失电时，K1-1开关不动作（常开），555多谐振荡器由于复位端4脚为低电平不工作，声光不报警。

四、课题的工作方案

1．对本设计要有最基本的认识，如系统的运行原理，距离的采集过程，存储过程，数据处理过程，显示过程，控制过程等有所了解。

其次要掌握单片机的外部硬件结构，功能组成，了解运作原理，编程的方法。

同时在外汇编预言掌握的同时，也必须对程序的输入，系统仿真的使用方法有所认识。

2. 编制软件程序，在编写之前要对整个测距系统的功能掌握透彻。

利用汇编语言实现的功能需利用更多的内存空间。

3. 与硬件联调，脱机运行，检测整个系统是否达到完善。

五、课题研究有无困难准备如何解决

1. 超声波测距原理：

分析比较超声波测距的影响条件及优劣性；

2. 外围硬件设计：

具有发送接受超声波的功能； 

3. 距离数据采集：

具有自动测距功能； 

4. 距离数据传输转换：

采集的数据进行传输； 

5. 距离数据分析：

通过单片机进行数据分析，然后将数据传输到数码 

6. 距离数据显示：

通过单片机处理过的数据进行显示； 

7. 系统原理图的绘制和PCB板的制作并进行软件设计