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测距设计

基于汽车防撞的激光测距系统

摘要：

随着高速公路的发展和汽车保有量的增长，汽车碰撞事故越来越多，行车安全问题成为备受关注的社会问题。

为有效减少事故发生，关键是车辆采取主动防护措施。

本系统利用相位激光测距的原理，使用先进的DSP微处理器对采样数据进行处理，实现中短距离的高精度测量，实现报警或自动制动等操作防止汽车相撞。

　　1引言

　　随着汽车行驶速度和流量的不断增加，汽车碰撞事故越来越多，行车安全问题也越来越受到人们的重视。

据有关统计分析，80%以上的事故是由于司机反映不及时或判断失误引起的。

由于被动防护手段可以在发生事故时保护车内人员的安全、降低车辆碰撞事故里死亡人数，降低车辆碰撞事故里死亡人数。

本系统采用相位法激光测距技术，在测相前先进行混频处理，使测量更加简单可行，并采用先进的频域数字测相方法和改进的快速傅里叶变换，使得DFT的运算大大简化，最终实现高精度测量和报警、自动制动等操作防止汽车相撞。

　　2相位法测距的基本原理

　　相位法激光测距是用连续调制的激光光束照射被测目标并接收反射光，利用发射光和接收光之间光波的相位差包含的距离信息实现对目标距离的测量。

设光以速度c在大气中传播，调制波的频率为f，待测两点之间的距离为d，往返时间为t2d,则两点之间往返一次的时间和距离之间的关系为

　　设在起始时刻t1发射的调制光光强为：

　　在接收时刻的调制光光强为

　　接收光与发射光的相位差为：

　　可得所测两点间的距离为：

　　其中，N为相位差Φ中包含2π的整数倍，ΔN为不足整波数的尾数，λ为调制波的波长。

L=1/2λ称为测尺长度。

　　在实际应用中，由于无法确定N的数值而采取增大调制光波长λ的方法，即测尺长度L大于被测距离d的2倍。

在本系统中所选测量量程为100米，即调制波波长为200米，调制波频率为1.5MHz。

　　3系统硬件设计

　　本系统是采用ADSP-BF533开发平台设计的高精度激光测距系统。

整个系统由BF533最小系统开发板、激光发射单元、激光接收单元、显示单元、报警单元、制动单元等组成。

其结构框图如图1所示。

　　激光发射单元包括产生调制波信号的直接信号频率合成器（简称DDS）和激光器驱动电路。

本系统选用的DDS是AD公司的一款四通道高速直接信号频率合成器AD9959。

处理器通过SPI接口向DDS写入控制字产生两路频率相近的正弦信号，分别作为本振信号和主振信号。

　　液晶显示单元使用TFT-LCD液晶显示器。

DSP处理器通过PPI口实现对TFT屏的驱动及图像和距离的实时显示；报警单元采用TI公司的TLV320AIC23B音频Codec芯片连接BF533处理器的SPORT口，实现音频报警功能。

激光接收单元利用雪崩二极管将接收到的光信号转化为电信号，经过混频器AD831的混频处理后，利用AD转换器转换为数字信号通过SPI口进入微处理器。

微处理器先利用FFT算法计算出相位差，再根据相应的算法分别采取报警或制动处理。

图1系统结构框图

　　4系统软件设计

　　4.1软件流程图

　　系统的软件部分采用C语言编写，用MATLAB对信号进行仿真，最终在VisualDSP++环境下编译完成。

软件流程框图如图2所示。

系统上电后首先进行初始化工作，主要包括设置堆栈指针、初始化LCD、DDS、时钟等工作。

初始化工作完成以后，系统进入键盘扫描等待状态。

等有键按下时，判断是停止按键还是设置按键，如果是停止按键则系统停止运行，如果是设置状态，等完成设置后进入中断子程序。

当有停止键按下时，系统停止运行。

中断子程序流程图如图3所示。

图2软件主流程图                  图3中断流程图

　　4.2FFT的原理和实现

　　傅里叶变换是将信号由时域信号变换到频域信号，进而在频域内对信号进行分析的一种重要的工具。

FFT显著地减小了DFT运算的强度，对于用DSP技术实现“实时”频谱分析有着重要价值。

FFT的原理是通过许多小的更加容易进行的变换去实现大规模的变换。

本系统的分解方法采样时域抽选法（DIT），这种方法是将输入序列的奇数点和偶数点分别抽取出来组成两个N/2点的序列进行DFT，产生的中间结果再通过N/2次的2点DFT合成，得到所需的输出结果。

　　一维离散傅里叶变换的公式为：

　　式中，n为输入离散信号f（n）的序列号，m是转换后F（m）的序列号，

称为蝶形因子。

　　用二进序号表示的信号频率和DFT中采样点数以及采样频率有关的关系式是：

　　式中，f为信号频率，Δf为频率分辨率，fs为A/D转换的采样频率，m为出现功率谱最大值的频率序号。

当满足式（3.2）时，单一频率的FFT结果在功率上正好对应于一条谱线。

　　最后在幅度谱上取第m个频谱值的实部Re和虚部Im，按照公式（3.3）计算就可以得到输入信号的初始相位。

　　5试验结果

　　由试验得出，在一定测向精度下，提高相位式测距仪精度的主要手段是提高激光测距仪的调制频率。

频率与测尺长的关系如表4.1所示：

表1调制频率与测尺长的关系

　　由于本系统所选测尺为100米，即调制频率为1.5MHz，测量精度为10cm。

　　6结论

　　本系统利用相位激光测距的原理，使用先进的DSP微处理器对数据进行处理，采用改进的快速傅里叶变换（FFT）对采样的电信号进行频谱分析，实现了中短距离的高精度测量，并通过LCD数字显示单元实时显示出来，根据测得的实时距离采取相应处理，可以有效的防止汽车相撞事故的发生，其社会效益和经济效益都是巨大的。

智能无线防盗系统的设计

摘要：

系统地介绍智能无线防盗系统的基本原理、组成框图，详细地描述电话网络的接收方法；论述热释电红外传感器、语音等电路，给出部分基本电路和软件流程。

关键词：

无线防盗报警热释电红外传感器

随着国家智能化小区建设的推广，防盗系统已成为智能小区的必需设备。

本文利用单片机控制技术和无线网络技术，开发一种具有联网功能的智能无线防盗系统，并开发相关的传感器。

采用无线数据传输方式，不需重新布线，特别适用于已装修用户及布线不方便的场合。

1智能无线防盗系统的基本原理

智能无线防盗系统由传感器、家庭智能报警器、物业管理中心接警主机及相关的控制管理软件组成。

图1为家庭智能报警器方框图，图2为物业管理中心接警主机方框图。

1.1主机电路

如图1所示，主机电路由射频接收模块接收传大吃一惊器发来的报警信号，通过解码器（PT2272）解码后得到报警传感器的地址和数据类型只有主机和传感器地址相同时才能被主机接收。

解码输出的数字代表传感器类型解骊输出信号进入CPU的INT1，触发中断处理程序。

中断处理程序通过DTMF收发电路，拨打用户预先设好的电话号码（如手机号码，办公室号码）进行远程拨号报警；同时，启动语音电路，将预先录制好的语音信号通过电话线传给主人，实现语音提示通信功能。

CPU输出警笛触发信号，经放大后推动警笛或喇叭，以驱赶和震胁盗贼。

用户还可通过电话线进行远程设/布防，及输入远程控制信号，通过8路控制输出端控制有线连接的电器设备，也可通过编码电路和射频发射模块控制无线连接的电器设备。

显示部分采用RT12232A图形点阵LCD模块，实现汉字显示功能；显示报警时间与报警类型。

键盘可实现密码修改、语音录入和信息查看功能。

物业管理中心的接收主机具有家庭报警主机的功能外，还可以通过RS232实现与物业管理中心的通信功能，实现联网和小区控制。

1.1.1DTMF收发电路

要实现电话线远程通信，关键部分为DTMF收发电路。

它将实现自动拨号、忙音识别、铃声识别、远程接键数字信号识别等功能。

我们选用MT8888双音多频（DTMF）收发器，与单片机及音频放大电路组合，实现各种信号音的检测及DTMF信号的产生，并将DTMF信号送到电话线上，如图3所示。

MT8888是采用CMOS工艺生产的DTMF信号收发一体的集成电路。

它的发送部分采用信号失真小、频率稳定性高的开关电容式D/A变换器，可发出16种双音多频DTMF信号。

接收部分用于完成DTMF信号的妆收、分离和译码，并以4位并行二进制码的方式输出。

图3

选择中断模式时，当接收或发送了有效的音频信号后IRQ/CP脚输出低电平，产生中断信号供给CPU，在延迟控制电压的跳变缘将数据锁存至输出端；当选择呼叫过程（CP）方式时，只能接收250～550Hz的信号音，在拒收或无输入时，IRQ/CP脚输出低电平。

（1）电话信号音格式

忙音：

450Hz,350ms有，350ms无。

拨号音：

450Hz，持续。

回铃音：

450Hz，1s有，4s无。

（2）信号音的判断方式

将MT8888的IRQ/CP脚连到AT89S52的T0脚，电话呼叫过程中的各种信号音经MT8888滤波限幅后得到方波，由MT8888的IRQ输出到AT89S52的T0脚，对T0脚信号记数5s。

计数值位于2175～2357范围内，为拨号音；计数值位于1041～1212范围内，为忙音；计数值位于425～475范围内，为回铃音。

在实际编程中，考虑到计数的误差以及程序的简化，可将范围适当放宽，但不能重叠。

（3）自动摘机

控制器与家里电话并接在一条电话线上。

为了实现报警放打电话共用一条线，摘机电路按如下设置：

将电话振铃信号通过光电耦合器TP521输入到AT89S52的IT脚，进行计数。

接到振铃信号时，若连续振铃10次用户还没有摘机，则自动转到家庭智能报警器，CPU置P1.5脚为“1”，使继电器K1吸合，实现自动摘机功能。

若在这10次振铃过程中，用户接通了电话，则控制器不响应，这样，使得控制器与电话不互相干扰。

摘机后，检测MT8888输出的双音多频信号，以读出用户发来的远程信息，实现远程通信与控制功能。

图4

（4）自动报警

当接收到热释电传感器等发来的无线报警信号后，CPU立即发出报警信号，通过电话线传到远程用户。

报警方式如下：

用户通过面板设备10个报警电话，将它们存入24C04存储器中。

当接到警情后，从第1个电话开始拨号，一直拨到第10个，来回拨3遍。

如果任意一个电话回送了“#”键确认信号，即意味着报警已收到，不再继续拨号。

每个号码需拨号。

每个号码需拨号时间100ms，号码之间留500ms间隔。

拨号时，先检测24C04中存储的电话号码。

若为空，即未设此电话，跳过不拨，继续拨下一个电话号码。

这样，用户可随意设置数个报警电话号码。

我们规定号码长度最多不超过4位，以便存在24C04中。

1.1.2语音电路

为了便于通信，采用了语音芯片，实现语音指示和报警功能。

ISD1420为单片语音记录、回放一体化芯片，记录时长为20s；可被划分为160小段，每段125ms。

当REC脚为低电平时，进行录音，PLAYE或PLAYL为低时进行放音，ISD1420可进行连续录音，也可进行分段录音。

分段放音：

先送停止录放音码P1.2～P1.4=000，再送放音首地址A7～A0，P1.3或P1.4为低电平（PLAYE或PLAYL）开始放音；延时进行放音，最后送停止录放音码P1.2～P1.4=000，完成本段放音。

重复上述过程，可分段放出数段语音。

图4为语音电路原理。

1.1.3编/解码电路

PT2262/2272是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗、低价位、通用编解码电路。

PT2262/2272最多可有12位（A0～A11）三态地址端引脚（悬空、接高电平、接低电平），任意组合可提供531441地址码。

PT2262最多可有6位（D0～D5）数据端引脚，设定的地址码和数据码从17脚串行输出。

编码芯片PT2262发出的编码信号由地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字。

地址码必须与家庭控制主机内解码芯片PT2272编址相同，以区分家庭控制器；数据码可用于区分传感器类型。

当有报警信号时，PT2262的14脚为低电平，使能PT2262，从17脚输出编码信号，通过射频模块发射出去。

解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对，VT脚才输出高电平，送到89S52的INT1，触发中断处理程序，以读取D0～D3的数据码，得知报警传感器状态和报警类型。

图5为编/解码电路原理。

1.1.4射频发射模块与射频接收模块

射频发射模块与射频接收模块原理如图6和图7所示，工作频率为433MHz。

最大传输距离可达1000m。

1.2传感器设计

1.2.1被动红外热释电传感器

人体有恒定的体温，一般在37℃，所以会发出特定波长为10μm左右的红外线。

被动式红外探头就是靠探测人体发射的10μm左右的红外线而进行工作的。

人体发射的10μm左右的红外线，通过菲涅尔滤光片增强后，聚集到红外感应源上。

红外感应源泉通常采用热释电元件。

这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时将会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后产生报警信号。

图8为双元热释电红外检测元件LHI968的内部电路。

它由两个双元热释电陶瓷，感应红外信号，再经场效应管放大输出。

D端的电阻和S端的电容具有抗电磁干扰能力。

图7

信号从S端引出经前级放大，通过47μF电容后再次放大，与设定门限电压进行比较，获得报警输出信号。

47μF电容能够除直流成分，从而消除了使用环境（阳光、灯光、火源泉等）对探测器的影响，后面再加一延时触发电路以便主人设防与撤防。

现在已有专用集成芯片BISS0001实现以上功能。

为了适应主人进门时撤防的需要，设计一报警延时电路。

延时长度须满足：

当人以1m/s的速度从探测器的正前方移动0.2m，不产生报警；但移动3m应报警，测试速度应能检测0.3～3m/s或更宽的速度范围。

1.2.2门磁传大吃一惊器

无线门磁传感器一般案卷在门内侧的上方。

它由两部分组成：

较小的部件为永磁体，内部有一块永久磁铁，用来产生恒定的磁场；较大的是无线门磁主体，内部有一个常开型的干簧管。

当永磁体和干簧管靠得很近时（小于5mm），无线门磁传感器处于工作守候状态；当永磁体离开干簧管一定距离后，无线门磁传感器立即发射包含地址编码和自身识别码（也就是数据码）的433MHz的高频无线电信号。

主机通过识别这个无线电信号的地址码，判断是否为同一个报警系统，然后根据自身识别码（也就是数据码），确定是哪一个无线门磁报警。

2网络中心控制主机设计

网络中心控制主机设计与家庭控制器基本相同，只是加了一个RS232接口，实现与PC机相连。

通过放在物管中心的PC机实现小区网络监控功能。

结语

采用现有电话网络，结合射频无线通信技术和单片机网络控制技术，使本防盗报警系统经济、可靠，组网灵活；家庭无需为传感器布线；具有广泛的市场发展前景。

热释电红外报警系统设计及应用

摘要：

本文介绍了一种热释电红外报警系统的系统设计方案，电路组成及其组装、调试。

给出了一种被动型热释电红外报警器的工作原理及其应用电路。

热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号，同时，它还能鉴别出运动的其他生物与非生物。

热释电红外传感器既可用于防盗报警装置，也可用于自动控制、接近开关、遥测等领域。

这种被动型热释电红外报警器的应用电路把红外线的隐蔽性很好地应用与报警系统中，从而实现了防盗报警功能，达到了安全防护目的。

关键词：

热释电红外报警系统；热释电红外传感器；菲涅尔透镜；调试

       1引言

       随着时代的不断进步，人们对自己所处环境的安全性提出了更高的要求，尤其是在家居安全方面，不得不时刻留意那些不速之客。

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。

由于红外线是不可见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、报警方面得到了广泛的应用。

在电子防盗、人体探测等领域，被动式热释电红外线传感器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点受到广大用户和专业人士的欢迎。

       2系统方案

       2.1系统模块结构

       热释电红外报警系统主要由光学系统，热释电红外传感器，信号放大器，RC有源滤波器，信号鉴别电路，输出级及报警器组成。

       光学系统模块将人体辐射的红外线聚焦到热释电探测元上，热释电红外传感器把红外线信号转换为电信号以供信号处理部分使用，信号处理模块主要是把传感器输出的微弱信号进行放大，滤波，比较处理，从而实现报警功能。

       2.2系统设计原理

       电源由稳压管，电阻，电容组成并联稳压电路给热释电提供稳定的工作电压。

信号识别器件采用红外传感器（LHi968），当人通过探测区时，人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜被聚焦在热释电红外传感器的探测元件上时，电路中的传感器将输出电压信号。

由于热释电红外传感器输出的信号电压十分微弱（通常仅有1mv左右），而且是一个变化的信号，同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压程脉冲形式，所以应对热释红外传感器输出的电压信号进行放大，本设计中前两级采用LCM358进行两级放大，以获得足够的增益。

       信号放大后，然后经过RC有源低通滤波器，对在频率范围内的信号进行放大，不在其内的信号进行衰减，该滤波器的截止频率为20HZ。

由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一定频率范围内的信号通过，抑制、急剧衰减此频率范围以外的信号，根据频率范围可将其分为低通、高通、带通与带阻等四种滤滤器。

由于在本系统中LHi968热释电红外传感器工作在（0.6-16）HZ的频率范围内，所以用低通滤波器抑制这个频率范围以外的信号。

信号鉴别电路采用的是同相比较放大器，根据电压的高低来鉴别信号的真伪。

       输出级采用了场效应管源极跟随器，由于JFET源极跟随器的特点是输入阻抗高（可达105--1015），输出阻抗低,电压放大倍数近似为1，所以系统采用JFET源极跟随器作阻抗变换,输出推动级用BJT电路，使其工作在开关状态。

       报警电路由LED电路构成，LED亮表示有非法入侵者进入。

       3系统电路实现

       3．1热释电红外传感器

       热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号，同时它还能鉴别出运动的其它生物与非生物。

其具有如下特点：

①不需要用红外线或电磁波等发射源；②灵敏度高，监控范围大；③隐蔽性好，保密性强。

       该传感器将两个极性相反，特性一致的探测元接在一起，目的是消除因自身变化引起的干扰，运用两个极性相反，大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理使传感器得到补偿。

制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为0.2-20um，为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加了一块干涉滤波片，这种滤波片除了允许某些范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。

       3.2放大电路的设计

       电路中采用LM358进行两级放大，都采用同相放大电路，由于此电路具有输入阻抗非常高，输出阻抗非常低的特点，广泛用于前置放大级。

第一级中设置放大倍数为60倍，第二级中设置放大倍数为100倍，取R4与R7都为5.1K。

电路中采用电压串联负反馈，这样可以使输出电压趋于恒定,而在R1中串联电容是为了稳定直流负反馈和增大高频信号的负反馈量,从而衰减或抑制高频干扰信号。

       3.3RC有源低通滤波器的设计

       在本系统中，由于LHi968热释电红外传感器工作在（0.6~16）的频率范围内，所以在这个频率范围外的杂波会形成干扰，为了消除干扰，必须用有源低通滤波器抑制这个频率范围以外的信号，具体电路如下：

       该电路是一个无限增益多路反馈（MFB），因为工作频率在（0.6--16）Hz，所以取fc=20Hz，K取5，由截止频率fc，电容C及参数K的对应关系表查得：

C=1uF,取K=5，AV=10V，由二阶低通滤波器（巴特沃斯响应）设计表查得：

       3.4比较电路的设计

       此电路为同相比较器，当输入信号大于参考电压时，运放输出接近于正电源+Vcc，当小于VREF时输出为零。

R1与RP的主要作用是获取一个其准电压，其中R1取47K，RP取50K。

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       3.5输出级电路及报警电路设计

       3.5.1JFET电路设计

       由晶体管特性图示仪上测得K30的转移特性曲线可知以下主要参数：

       由于JFET电路的功能是实现阻抗变换作电压跟随器,所以放大倍数AV=1

不接负载RL时，

       若R2=47K则R1=38K（R1可用32K与100K电位器串联以便调整静态工作点，因为此级主要作用是作源极跟随器，Ri越大越好，取Ri>>2MΩ，

       3.5.2BJT电路设计

       电路的主要功能是作报警电路的驱动，所以BJT工作在开关状态，由8050的特性曲线，取BQ=4V。

       若取，则，取RS=10K,RP取100K，以便调整静态工作点。

       3.5.3报警电路

       此电路主要是实现报警功能，可用电铃，LED等，在此选LED。

       由于LED的VD=1.3V，BJT饱和时，VCES=0.5V太大，所以应加保护电阻R。

ID一般在（3-12）mA,这里取5mA,R取标称值2.4。

       4系统原理图

       电源由C4、D1、R2组成并联稳压电路给热释电提供稳定的工作电压。

放大级采用集成运算放大器LM358进行两级放大，图中由UA1,UA2，R2,R3,R4,R5,R6,R7,C3,C6组成，C3,C6为低频补偿电容，第一级的增益为35dB，第二级增益为40dB。

RC有源低通滤波器由R9、R10、R11、C8、C10、LM358组成，对在截止频率内的信号增益20dB，截止频率为20HZ。

信号鉴别电路是由R13、RP1、LM358组成。

       输出级由Q1、Q2、R14、R15、R16、R17、R18、R2、R13组成，基中Q2、RP2、R14、R15组成场效应管源极跟随器作阻抗变换,而Q3,R17、R18、RP2组成输出推动级。

报警电路由D2，R19组成，R19为保护电阻。

       电路中信号传输采用阻容耦合方式，C2、C5、C7、C9、C12、C3为耦合电容。

       5系统组装与调试

       5.1 电路组装

       1）插装元件，要求布局合理，美观，符合电路逻辑，电路板面积尽可能小。

       2）在布局完毕后焊接。

       5.2  电路调试

       5.2.1 调试步骤

       1）通电调试之前的检查。

       重点应放在整体性、全局性连线的错误排查，如电源线的短路、错接等，容易错误焊接的元件应仔细检查，如带极性的元件，某些不带定向标志的连接元件是否方向装反等。

       2）调试的一般顺序与步骤。

       应采用逐级，逐步调试的方法，而不宜先将电路全部焊上。

当每一级电路都调试成功后，然后接通电路，进行系统调试。

这样可避免因电路存在的潜在反馈渠道而使调试复杂。

       3）做好调试纪录。

       5.2.2直流工作点记录表

       5.2.3交流工作状态调试及数据记录

       5.2.3.1单级调试 

       调试时使用输入信号VS为1mV，10Hz。

       第一级放大器在输入信号VS下，输出端VO=42mV,AV=