微波傳感技術在智能馬桶上的應用

駱忠鋒

(廈門優勝衛廚科技有限公司，廈門 361000)

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微波傳感技術在智能馬桶上的應用

駱忠鋒

(廈門優勝衛廚科技有限公司，廈門 361000)

介紹了一種應用于智能馬桶，可以穿透陶瓷和塑料來檢測人體運動的微波傳感技術。該技術利用多普勒原理實現對人體運動的檢測。當微波傳感器檢測到人體移動后，會輸出多普勒信號，該信號經過濾波、放大后送給PIC單片機進行處理。實際應用證明，該設計具有很好的檢測效果。

微波傳感器;多普勒;智能馬桶;人體感應;MCU;陷波器

引 言

智能馬桶使用比較多的人體運動檢測方式是PSD(Position Sensitive Device，位置敏感器件)和PIR(Passive infrared Detector，被動紅外檢測器)。PSD是主動式發射，可比較準確地檢測出位置，但是容易受到周邊環境和障礙物的影響而導致誤檢測；PIR通常通過檢測人體輻射出來的紅外線來識別人體，是一種運動傳感器，但是也容易受到溫度等周邊環境的影響。同時，PSD和PIR檢測方式均無法透過非透明的材質，通常需要另外開窗口以檢測接收信號，這在一定程度上破壞了產品外觀的完整性和協調性。與目前衛浴領域簡潔時尚的風格相違背。

為了充分保證產品外觀上的完整性及更好的檢測效果，本文提出了一種利用多普勒原理實現的微波人體檢測方法。

1 總體方案設計

本設計在硬件上主要包含微波傳感器HB100、陷波器、數控增益可調放大器、整形電路和單片機PIC16F1824等部分，設計框圖如圖1所示。

圖1 總體設計框圖

系統工作過程如下：首先單片機PIC16F1824控制微波傳感器HB100發射微波信號，并不斷地檢測接收反射波，并根據多普勒原理將發射波和反射波進行混頻，然后輸出一個具有中頻特性的多普勒信號，該信號經過陷波器濾除系統中的一些干擾信號后，輸入到數控增益可調放大器進行信號放大。數控增益可調放大器的輸出分別接至單片機和整形電路，整形電路的輸出接至單片機，單片機根據系統的外接靈敏度條件輸出控制數控增益可調放大器的放大增益。信號在單片機控制器中經過波形采集處理單元、頻率檢測處理單元、幅值檢測處理單元和信號處理單元進行處理，并根據多普勒信號的波形趨勢，結合預先確定的幅值和頻率條件來判斷出人體的行為狀況，并輸出對應的控制信號。

本設計充分利用了多普勒波形的強度變化規律，采用了判斷信號強度變化趨勢，并且結合強度和頻率的限制，達到良好、可靠的檢測效果。

1.1 硬件設計

1.1.1 PIC16F1824單片機

PIC16F1824是美國微芯公司設計的一款低成本、高性能8位單片機，最高工作頻率為32 MHz,具有4 KB的閃存程序存儲器、256字節的數據存儲器以及256字節的EEPROM數據存儲器，可用于存儲系統中的一些參數設置，如數控增益可調放大器的增益設置，系統的軟件靈敏度設置(包括靈敏度模式、靈敏度值、靈敏度檔位等)。該單片機還有豐富的外設資源，如內部振蕩器、10位A/D轉換器、增強型串口通信模塊、比較器等，無需額外的外部資源，既增強了系統的緊湊性和可靠性，又節省了系統的設計成本。

本文主要應用10位A/D轉換器對系統的多普勒信號進行采集，并輸送給后端的處理單元進行分析處理。應用增強型串口通信模塊與智能馬桶的主控制系統進行通信，接收系統的相關靈敏度設置調整信息及發送人體感應檢測信息給主控制系統。

1.1.2 微波傳感器

圖2 微波移動傳感器框圖

HB100微波移動傳感器是X波段移動傳感多普勒模塊，具有低功耗、高靈敏度、體積小等特點，是理想的低成本移動檢測器。由介質振蕩器(DRO)和一對微帶天線(包括發送天線和接收天線)組成；用來向空間發射10.525 GHz的高頻電磁波，接收該高頻電磁波遇到障礙物后折回的反射波，并將接收波和發射波混頻后，輸出一個具有中頻信號特征的多普勒信號。微波移動傳感器框圖如圖2所示。

1.1.3 陷波器

智能馬桶中需檢測人體的靠近和離開，經過分析相關數據和試驗數據，發現人體的運行頻率集中在30～80 Hz，容易受到環境和電網中100 Hz或120 Hz的輻射干擾，造成誤觸發動作，因此設計中增加了陷波器實現濾除功能，如圖3所示。

圖3 陷波器

經過試驗，該陷波器對各頻率的衰減情況如圖4所示。陷波器對100 Hz或120 Hz頻率的衰減在70 dB(3 162倍)以上，而在80 Hz頻率的衰減只有40 dB(100倍)。對于人體運動的頻率50 Hz(對應運動速度0.7 m/s)的衰減更是直線下降，只有不到23 dB(14倍),可以忽略不計。因此該陷波器能有效地濾除干擾信號。

圖4 信號衰減波形圖

1.1.4 數控可調增益放大器

數控可調增益放大器用來對微弱的多普勒信號進行放大處理,是一個增益可調的低頻放大器。當有物體在微波傳感器覆蓋的面積內移動時，微波傳感器會輸出多普勒信號，輸出強度與發射能量的發射強度有關，一般情況下該信號很微弱，所以需要一個高增益的低頻放大器來處理該信號，使其能被處理器所識別，數控增益可調放大器正是起到了這個作用。同時，該放大器可由控制器根據情況自動調節靈敏度。數控增益可調放大器包括固定增益放大器和可調增益放大器，放大電路如圖5所示。

該數控可調增益放大器主要通過調整數字電位器MCP4011-50K的電阻值來實現64級的增益調整。MCP4011-50K是美國微芯公司推出的低成本易失性50 kΩ數字電位器，其具有64個抽頭，且采用簡單的遞增/遞減(U/D)串行接口控制滑動端的設置。但其為易失性數字電位器，斷電后不保存滑動端設置值，因此該滑動端設置值由單片機PIC16F1824內部的EEPROM進行保存，并在上電初始化時恢復到MCP4011-50K芯片上。

1.1.5 整形電路

整形電路的作用是對變化緩慢或不規則的信號進行整形，同時可剔除輸入信號中的干擾信號；單片機借此來衡量多普勒信號中的頻率成分；該部分電路主要使用單片機內部的比較器來完成。原理框圖如圖6所示。

1.2 軟件設計

本設計軟件主要包含系統初始化模塊、串口通信模塊、靈敏度設置處理模塊、波形采集處理模塊、頻率檢測處理模塊、幅值檢測處理模塊和信號處理分析模塊等，具體

軟件流程如圖7所示。

圖5 數控可調增益放大電路

2 人體運動檢測原理

圖6 比較器組成的整形電路

微波傳感器不斷地向空間發射高頻電磁波。當人體在微波傳感器覆蓋的面積內移動時，微波傳感器發出的高頻電磁波遇到人體發生反射后折回，被微波傳感器接收；微波傳感器將接收波與發射波混頻后輸出一個中頻信號，即多普勒信號。

該多普勒信號先經過陷波器濾除信號中的噪聲，然后再進入數控增益可調放大器，信號被放大后被單片機識別；放大后的信號一路直接送入單片機，另一路經過整形電路后將不規則的信號整形后再送入單片機，借此來衡量多普勒信號的頻率。

多普勒信號進入單片機后，由波形采集處理模塊、頻率檢測處理模塊和幅值檢測處理模塊進行相應的處理，得出幅值和頻率，然后由信號處理單元利用電平變化趨勢和幅值頻率的限制來做最終判斷。最后，單片機根據本次判定結果執行翻蓋、沖刷等任務。

圖7 系統軟件流程

當目標物體靜止時，多普勒信號的幅值和頻率保持不變。當目標物體向多普勒微波傳感器運動時，多普勒信號的幅值會呈現出上升趨勢，頻率也會呈現變大趨勢；當目標物體遠離多普勒微波傳感器運動時，多普勒信號的幅值會呈現出下降趨勢，頻率也會呈現變小趨勢；而多普勒信號的幅值與目標物體的具體位置有關，目標物體運動所產生的多普勒頻率取決于目標物體與馬桶之間的相對運動速度。

3 人體運動檢測流程分析

以檢測人體接近為例，假設單片機檢測人體接近預設的參數為幅值V0，頻率為[F0,F1]，則預設的判定條件為：V>V0，F1>F>F0，幅值變化趨勢上升。

人體朝著多普勒微波傳感器的方向運動，多普勒微波傳感器就會不斷地輸出多普勒信號，該信號是非常微弱的，而且摻雜了許多雜信。多普勒信號首先經過陷波器，初步濾除信號中的雜信，然后通過交流耦合的方法進入低頻放大器將信號放大。交流耦合的方法可以去除摻雜在多普勒信號中的直流成分，使多普勒信號更純凈。接著被放大的多普勒信號進入了數控增益可調放大器，將信號放大到能被單片機所識別的程度。數控增益可調放大器的放大倍數由單片機根據工作模式確定。從數控增益可調放大器輸出的多普勒信號(假設幅值為V，頻率為F)則直接送入單片機進行處理。

人體不斷的運動導致V和F也是不斷變化的。通過軟件算法，單片機識別，記錄并存儲V和F的變化，并不斷地與預設的判定條件進行比對。當檢測到V>V0、F1>F>F0，且幅值是一條上升趨勢的曲線時，控制器就會認為是一次有效的接近檢測，從而執行相應的輸出。如果三個條件中的任何一個都不滿足要求，則單片機會認為是無效的接近檢測，不會執行相應的輸出。

當人體從遠處移動至多普勒微波傳感器前方時，微波檢測裝置檢測到的波形如圖8所示?？梢钥闯?，整條曲線(電平)呈上升趨勢，通過軟件算法可以檢測出該趨勢；圖中的V1限制用來指定目標物體出現的有效位置；波形尾部曲線有下降趨勢是因為目標物體已到達位置并停止移動。檢測到人體正在接近馬桶后，馬桶可立刻執行自動翻蓋等任務。

圖8 人體靠近時波形

當人體從多普勒微波傳感器前方移動至遠處時，微波檢測裝置檢測到的波形如圖9所示?？梢钥闯?，整條曲線(電平)呈下降趨勢，通過軟件算法可以檢測出該趨勢；圖中的V2限制用來指定目標物體離開的有效位置。檢測到人體已遠離馬桶后，馬桶可執行自動沖刷、自動關蓋等任務。

圖9 人體遠離時波形

當人體從多普勒微波傳感器側面移動至傳感器前面時，微波檢測裝置檢測到的波形如圖10所示?？梢钥闯?，整條曲線(電平)與圖8的曲線是十分相似的，也是呈上升趨勢。

單片機采樣輸入多普勒信號，并從中檢測出幅值和頻率；同時，對輸入的多普勒信號進行信號處理，提取出幅值變化的趨勢，即上升趨勢和下降趨勢。單片機根據檢測到的這些信息，結合預設的判定條件最終判決是否為有效的檢測，并執行相應的輸出。

圖10 人體側面靠近時波形

判定的條件有3個：幅值、頻率和幅值變化趨勢。這3個條件單片機中都做有預設值，控制器將這3個條件和預設值進行比較，如果滿足則視為一次成功有效檢測。比如，假設檢測目標物體接近的時候，要求幅值為V0、頻率為[F0,F1]、幅值變化為上升趨勢，單片機檢測到的結果是V，頻率為F。如果V>V0并且F1>F>F0，同時幅值變化趨勢是上升的，那么就會視為一次有效的檢測；如果這3個條件中的任一個都不能滿足，則視為無效檢測。

結 語

[1] ST Electronics (Satcom&Sensor Systems) Pte Ltd. AgilSense HB100 Datasheet.Rev1.02,2012.

[2] Microchip.PIC16F1824 Datasheet, 2014.

[3] Microchip.MCP4011Datasheet, 2006.

[4] Microchip.MCP6L04 Datasheet, 2009.

[5] 魏威,陳愛萍.淺析多普勒原理[J].文理導航，2013(8).

[6] 童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M]. 4版.北京:高等教育出版社，2005.

[7] 多普勒原理[EB/OL].[2014-08].http://baike.baidu.com/view/4146252.htm?fr=aladdin.

[8] 運算放大器[EB/OL].[2014-08].http://baike.baidu.com/view/389763.htm?fr=aladdin.

駱忠鋒，主要研究智能衛浴控制系統及關鍵模塊的設計與應用。

Application of Microwave Sensing Technology in Smart Toilet

Luo Zhongfeng

(Xiamen Axent Corporation Limited, Xiamen 361000,China)

The paper introduces a microwave sensing technology which is using to detect the human motion through the ceramic and plastic part applying in smart toilet.This technology is realized by the doppler's principle. The microwave sensor outputs a doppler's signal when detected a human motion, and then the signal is sent to the PIC MCU after notch filter and amplifier. This technology now has been used in the mass product, and achieves a good effect on human motion detecting.

microwave sensor; doppler; smart toilet; human detector; MCU; notch filter

TP274.5

A

迪娜

2014-08-01)