基于A(yíng)tmega8低功耗智能微波探測器的設計

摘要：微波具有直線(xiàn)傳播、波段寬、設備小、穿透力和抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)，基于此設計了一種基于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、穩定性好，適用于自動(dòng)門(mén)控制開(kāi)關(guān)、室內外安全防范系統、ATM自動(dòng)提款機的自動(dòng)錄像控制系統、野外安全警示等場(chǎng)所。

微波是頻率范圍在300 MHz到300 GHz的高頻電磁波，其波長(cháng)從1 mm到1 m。微波具有如下主要特點(diǎn)：直線(xiàn)傳播，很容易被反射;波段寬，可利用的頻率多;微波設備比較小;對一些非金屬材料有一定的穿透力，金屬物體對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)，設計了一種基于Atmega8低功耗、網(wǎng)絡(luò )化、微型化、抗干擾能力強的微波探測器，該探測器主要用于自動(dòng)門(mén)開(kāi)關(guān)，室內外安全防范系統、野外安全警示場(chǎng)所等。

1 硬件系統結構

微波探測器由電源、單片機最小系統、脈沖電源、放大整形電路、微波模塊組成。其結構如圖1所示。

1.1 電源

微波探測器采用直流供電，該電源的穩壓芯片采用HT7550低壓差三端穩壓芯片，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

為了降低系統功耗以及延長(cháng)微波模塊的壽命，本探測器對微波模塊采用脈沖供電，利用單片機產(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(cháng)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(guò)一個(gè)電阻連到單片機的脈沖輸出引腳，發(fā)射極連到VCC上這樣便構成了一個(gè)簡(jiǎn)單穩定的脈沖電源。

1.3 單片機最小系統

本文采用Atmel公司的8位高性能AVR單片機Atmega8作為主控制芯片，硬件部分電路如圖4所示。圖中R1和R4構成了分壓電路對模塊的輸入電壓進(jìn)行分壓，然后送入單片機進(jìn)行AD轉換，當檢測到外部供電電池的電壓低于標準值時(shí)進(jìn)行報警。J1和R10構成了環(huán)境亮度檢測電路，當環(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進(jìn)行采樣通過(guò)軟件智能判斷是黑夜還是白天，當白天時(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及其外部電阻構成了外部硬件靈敏度調節接口，可以進(jìn)行16級靈敏度調節，實(shí)驗數據如表1所示。S2及其外部電阻構成了報警時(shí)長(cháng)接口，一共可以設置4種報警時(shí)長(cháng)。B1為蜂鳴器，它可以進(jìn)行現場(chǎng)報警，以及進(jìn)行開(kāi)機初始化提示，電池低電壓報警等。接口J4為在線(xiàn)調試接口，通過(guò)該接口可以隨時(shí)向單片機中下載程序，方便進(jìn)行軟硬件調試。電阻R27為工作模式選擇電阻，當焊接上該電阻時(shí)選擇為單點(diǎn)工作模式，通過(guò)硬件調節靈敏度以及報警時(shí)長(cháng)，當該電阻未焊接時(shí)選擇為聯(lián)網(wǎng)工作模式，在該模式下相關(guān)設置可以通過(guò)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，報警信號，當前設置等信息。單片機的第9引腳為報警輸出端，可以用它去驅動(dòng)繼電器來(lái)控制自動(dòng)門(mén)的開(kāi)關(guān)等。單片機的13引腳經(jīng)過(guò)一個(gè)PNP型三極管后變?yōu)檎伎毡葹?%的脈沖信號，該脈沖信號去驅動(dòng)MOS管Q2來(lái)控制中頻信號的通斷，避免了在微波模塊上電的瞬間產(chǎn)生的電流沖擊信號送入信號處理電路造成誤報警，提高了系統的抗干擾性能。

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)和一對微帶天線(xiàn)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。多普勒效應是當發(fā)射信號與接收者之間存在相對徑向運動(dòng)時(shí)，接收到的回波信號的頻率(或相位)將發(fā)生變化。GH100微波模塊集收發(fā)為一體，通過(guò)天線(xiàn)向周?chē)臻g發(fā)射無(wú)線(xiàn)電磁波，同時(shí)又由天線(xiàn)接收周?chē)矬w反射的回波，通過(guò)模塊內部電路對收、發(fā)信號的相位進(jìn)行比較，如果周?chē)臻g有移動(dòng)物體存在，回波信號將產(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?chē)h(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

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

2 軟件設計

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，有報警事件時(shí)進(jìn)行報警，電池電壓過(guò)低時(shí)停機，白天時(shí)關(guān)閉PWM輸出，進(jìn)入低功耗模式。兩個(gè)主分支的結構基本相同，唯一不同的是右分支在進(jìn)行報警的同時(shí)可以向主機發(fā)送信息，同時(shí)也可以接收主機的命令。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據立即進(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)驗數據

軟硬件統調是完成電路設計最關(guān)鍵的一步，通過(guò)不斷地修改程序，微波探測器的功能已經(jīng)達到要求，不同觸發(fā)方式下的報警時(shí)長(cháng)如表1所示。不同靈敏度時(shí)對應的有效檢測距離是將微波探測器安裝在半球型塑料殼內，并將其固定在室內2.6 m高處測試的，測試數據如表2所示。

5 結束語(yǔ)

本探測器充分利用了Atmega8單片機內部的軟件資源，16級靈敏度調整，感應距離在0.8～10 m內可調。電路結構簡(jiǎn)單、體積小、功耗低、精度較高、軟件的升級和更新方便，適用于自動(dòng)門(mén)控制開(kāi)關(guān)、室內外安全防范系統、ATM自動(dòng)提款機的自動(dòng)錄像控制系統、野外安全警示等場(chǎng)所。