人體接近探測儀選題報告

1、電子課程設計選題報告學院：電氣工程與自動化學院 專業(yè)：自動化 小組：第一組 組員：葛照瑞、李勇、李海松 1人體接近探測器一、選題目的及意義 隨著時代的不斷進步，科學技術的進步和安全防范意識的增強，人們對自己所處環(huán)境的安全性提出了更高的要求，一方面是在家居安全方面，當家中無人或者僅有老人孩子在家時，必須考慮家庭成員生命和財產的絕對安全，不得不時刻留意那些不速之客。目前，許多住宅小區(qū)的安防主要依靠安裝防盜窗、防盜門以及人工防范。這樣不僅有礙美觀，不符合防火的要求，而且不能有效地防止壞人的侵入?，F(xiàn)在現(xiàn)在很多小區(qū)都安裝了智能報警系統(tǒng)，因而大大提高了小區(qū)的安全程度，有效保證了居民的人身財產安全。關于電子

2、防盜報警設備，目前市面上主要有壓力觸發(fā)式防盜報警器、開關電子防盜報警器和壓力遮光觸發(fā)式防盜報警器等，但這幾種比較常見的報警器都存在一些缺陷。本課題研究一種超聲波人體探測報警器，它制作簡單、成本低，安裝比較方便，而且防盜性能比較穩(wěn)定，抗干擾能力強、靈敏度高、安全可靠。這種防盜器安裝隱蔽，不易被盜賊發(fā)現(xiàn)；另一方面是在高壓危險地域的提示安全方面，當人在緊急情況下，容易忽視潛在的危險，近年來由于人們的忽視以及一些小孩的無知，已經有許多無辜的生命被剝奪。利用該項技術可以在適時地時候對人們起到一些警示作用，同時對看護小孩的大人予以提醒，針對這兩個問題我們設計一種人體接近自動報警系統(tǒng)，當有不速之客或者人們接

3、近危險區(qū)其感應區(qū)時，它會自動報警提醒人們，從而達到人體接近報警的目的，具有較高的應用價值。 意義：超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而經常用于距離的測量。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，能夠在測量精度上能達到工業(yè)實用的要求。超聲測距是一種非接觸式的檢測方式，與其它方法相比，如電磁或光學的方法，它不受被測對象顏色、光線等影響，對于被測物處于惡劣生產環(huán)境（如黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等）有一定的適應能力，具有較高的分辨力，其準確度也比其它方法高。由于超聲波傳感器具有結構簡單、體積小、信號處理可靠等特點，本設計利用超聲波來測量距離判斷人體是

4、否處在安全區(qū)域。二、設計研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1.1 超聲檢測技術研究意義超聲探傷技術作為一種重要的無損檢測技術，在現(xiàn)代工業(yè)的各個方面都有著廣泛的應用，體現(xiàn)在改進產品質量、產品設計、加工制造、成品檢驗以及設備服役的各個階段；體現(xiàn)在新材料和新技術的研究中；也體現(xiàn)在保證機器零件、最終產品的可靠性和安全性上，世界各國對它的研究都非常重視。例如美國為了保持它在世界上科學技術的領先地位，早在1979年的政府工作報告中提出要成立的六大技術中心中，無損檢測技術便是其中之一。日本最近制定的21世紀優(yōu)先發(fā)展四大技術領域之一的設備延壽技術中，也把無損探傷放在十分重要的位置。另外，無損探傷技術所能帶來的經濟效率也是明

5、顯的，目前我國的投入不比日本少，而國民生產總值只有日本的三分之一左右，這種現(xiàn)象主要是由于我國產品質量上存在問題而導致大量產品報廢所致。據(jù)測算，我國不良品的年損失約2000億元。再者，無損探傷的經濟效益還表現(xiàn)在產品的競爭能力上，在無損技術支持下提高產品質量和可靠性，是保證產品進入國際市場的決定性因素之一。例如，日本小汽車生產中30零件采用無損檢測后質量迅速超過美國，市場擴大而嚴重威脅美國的汽車工業(yè)，德國奔馳汽車公司對汽車的幾千個零件全部進行無損檢測后，運行里程增加一倍，大大提高了產品在國際市場的競爭能力。國內超聲檢測技術的主要研究領域可以分為檢測方法研究和設備研發(fā)。在設備研發(fā)方面主要為數(shù)字化超聲

6、波探傷儀、TOFD超聲檢測系統(tǒng)、超聲成像系統(tǒng)和磁致伸縮超聲導波檢測系統(tǒng)；在檢測方法和技術方面，主要為自動超聲檢測技術、超聲成像檢測技術、人工智能技術、TOFD超聲檢測技術和超聲導波檢測技術。2000年以來，國內研究機構和高校主要側重于超聲相控陣技術。例如清華大學的施克仁教授和鮑曉宇博士、電子測試技術國防科技重點實驗室利用數(shù)字波形相位延時技術，設計實現(xiàn)了多通道相控陣超聲檢測實驗系統(tǒng)，達到了很高的發(fā)射延時分辨率。中國石油天然氣管道科學院聯(lián)合上海電氣自動化設計研究所等單位，通過對超聲波相位控制和電子方法，實現(xiàn)了超聲波聲束聚焦、偏轉。與國外同類產品相比，增加了橫向裂紋的掃描檢測、三維動態(tài)缺陷顯示功能。

7、近年來，國內科研機構開始側重于研究數(shù)字化多通道超聲檢測技術，并結合自動化控制技術，用于中小型管道類、曲面類構件的無損檢測。例如，南京航空航天大學的芮華、徐大專把傳統(tǒng)的超聲波無損檢測技術和先進的虛擬儀器、數(shù)字信號處理、嵌入式操作系統(tǒng)等技術相結合，研制了一種新型滿足了自動化探傷中高重復頻率(1kbp s)和實時報警等關鍵性能的要求的數(shù)字化超聲波自動探傷系統(tǒng)。國內研究的總體現(xiàn)狀是，大多局限于聲場理論的探討和國外已有產品的仿制，缺少新的檢測技術、檢測方法以及檢測系統(tǒng)設計方面的研究。換能器的研制上沒有創(chuàng)新，為了達到聚焦和偏轉的目的通常只考慮數(shù)字延時，幾乎都未考慮強度控制。國內外超聲相控陣的檢測儀器價格昂

8、貴，無法實現(xiàn)可控強度聚焦和偏轉。國內外對超聲檢測技術的研究已經十分深入，特別是近年來國外對相控陣超聲檢測技術的研究日趨活躍，例如在造船工業(yè)、核工業(yè)、航空工業(yè)等質量要求高的行業(yè)，開始引入超聲相控陣技術進行缺陷檢測。五十年代末六十年代初，國內科研單位進口了波蘭產超聲儀，并進行仿制生產。目前已經形成自己的研制和生產基地。許多廠家，如廣東汕頭超聲儀器研究所、中科院武漢物理研究所、武漢科聲、南通精密儀器、鞍山美斯等公司和研究機構都推出了自己的超聲波探傷儀系列產品。其中一些單通道手持檢測儀的技術水平也已相當接近國外同類產品的，但數(shù)字式多通道探傷儀（用于大型板材的自動化超聲波探傷）的研制還基本處于起步階段。

9、直到1988年鞍山鋼鐵公司從日本購入了一套二手厚鋼板自動探傷設備，在生產中取得了比較好的效果后，帶動了國內鋼板自動探傷設備的開發(fā)。目前國內在大型板材的探傷設備上，已經取得了一定的成績。例如武漢的中國科學院物理研究所推出的KS-128和KS-64兩種型號的探傷系統(tǒng)，以及鞍山美斯探傷設備公司研制的MS-8nB型多通道數(shù)字式超聲波探傷儀。分別用于在線檢測和離線檢測。汕頭超聲電子研制的國產64路檢測通道、實現(xiàn)動態(tài)聚焦功能的CTS-2108便攜式超聲相控陣探傷儀，采用開放式結構設計，可隨時擴展更多檢測通道。雖然也具有線掃和扇掃功能，但還不能達到一次同時多角度檢測，與國外產品存在一定的差距。數(shù)字化超聲波探

10、傷儀配套機械傳動裝置構成自動超聲檢測裝置，國內的一些公司已經有相關產品。例如，武漢中科創(chuàng)新技術公司等國內數(shù)10家公司生產的便攜式和多通道數(shù)字化超聲探傷儀，通道數(shù)多達128個，采樣率最高可達100MHz，已經用于無縫鋼管、焊接鋼管、火車車輪、石油鉆桿和汽車關鍵部件的自動化檢測。國產超聲探傷儀在自動化和智能化方面與國外儀器還有較大差距。國產超聲波探傷儀掃描范圍較小，測量還不是很精確。此外，對于大規(guī)格高性能鋁合金厚板全面積探傷成套設備，目前國內尚沒有成熟的產品可供選用，而英國Ultrasonic Sciences公司的厚板水浸探傷成套設備技術成熟，已經成功應用于鋁合金厚板缺陷檢測。針對在目前工業(yè)生產

11、的超聲檢測中缺陷難以定性的問題，國內一些科研單位已經開始了超聲無損評價技術的研究，并取得了一定的進展。超聲無損評價技術主要涉及噪音信號的去除、特征提取和智能識別缺陷。例如，南昌航空工業(yè)學院的盧超、鄔冠華和吳偉在分析儀器電噪聲，材料散射噪聲和缺陷回波的小波變換特性的基礎上，提出一種用一個尺度間變化的門限閾值來抑制噪聲回波的小波變換系數(shù)再重構檢測回波的方法提高信噪比4。浙江大學的車紅昆、項占琴、程耀東提出一種基于小波包變換時頻鄰域統(tǒng)計特征的自適應消噪方法，能有效提高信號的信噪比以及不同類型缺陷信號之間的可區(qū)分性，并抑制波形失真和信號的能量衰減。三、課題研究的主要內容3.1超聲波發(fā)射電路 3.1.1

12、超聲波傳感器 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。本次設計的核心器件是UCM-T40K1和UCM-R40K1壓電式超聲波發(fā)生器。壓電式超聲波發(fā)生器體積小，靈敏度高、性能可靠、價格低廉，是遙控、報警等電子裝置最理想的電子器件。主要技術參數(shù)：靈敏度：70dB/V/ubar，諧振頻率：40KHZ1KHZ（UCMT40K1，發(fā)射用），40KHZ1KHZ（U

13、CMR40K1，接收用），頻帶寬：2KHZ0.5KHZ，溫度：20+60，相對濕度：205時達98%主要工作原理：它是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內部結構如圖3-1所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。 3-1超聲波傳感器結構3.1.2超聲波發(fā)射電路 根據(jù)超聲波的結構特點，要使超聲波傳感器產生信號，必須使其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率40KHZ時

14、，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，因此發(fā)射電路關鍵是由振蕩電路產生40KHZ的電磁波再由壓電式超聲波傳感器將信號發(fā)射出去。555電路比較方便實現(xiàn)多諧振蕩信號，設計的關鍵是使其工作頻率在40KHZ上，超聲波發(fā)射電路如圖3-2所示。 3-2 超聲波發(fā)射電路圖矩形波的周期取決于電容充放電的時間常數(shù)。 充電時間常數(shù)為（R1+W）*C1，放電時間常數(shù)為W*C1。電容電壓Uc1由(1/3)Ucc充電到（2/3）Ucc，所需要時間為Tph0.7*(R1+W)*C1，Uc1由(2/3)Ucc放電到（1/3）Ucc所需要時間為Tpl0.7*W*C1， T=Tpl+Tph=0.7(R1+2*W)*C1，而

15、f=1/T, 則f1/T1.43/(R1+2*W)*C1。 通過改變充放電時間常數(shù)，便可改變矩形波的頻率。調節(jié)電位器W使工作頻率為40KHZ，其中為了濾除干擾，C2旁路電容一般為0.01uF。發(fā)光二極管串聯(lián)電阻組成指示電路，指示燈亮表示發(fā)射電路工作。3.2超聲波接收電路接收電路由直流電源模塊、接收電路模塊（包括接收放大電路、倍壓整流濾波、比較器等電路）、報警電路模塊等組成。3.2.1 電源電路模塊 直流穩(wěn)壓電路是電子電路的基本組成部分，本設計采用低壓直流穩(wěn)壓電源6V，在設計中單獨將該電源模塊化設計，并且利用數(shù)碼管顯示0-7V，便于今后學習和工作中使用。 圖3-3為直流穩(wěn)壓電源電路框圖，利用LM

16、317集成穩(wěn)壓塊為穩(wěn)壓調整元件，LM317具有調壓范圍大，外圍元件少，電路簡單，工作穩(wěn)定可靠和性價比高等特點。選用A/D變換1、顯示驅動一體化模塊TC7107為數(shù)顯驅動。 3-3直流穩(wěn)壓電源電路低壓電源電路由交流變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓、A/D轉換、譯碼驅動、數(shù)字顯示等部分。利用LM317集成穩(wěn)壓塊為穩(wěn)壓調整元件，選用A/D變換、顯示驅動一體化模塊TC7107為數(shù)顯驅動。 該電路具有電路簡單，價格低廉，便于調試等特點，而且其電壓輸出穩(wěn)定，調壓精度較高。 （1）變壓電路 電源變壓器的作用是將電網的220V交流電壓u1變換為整流電路所需要的交流電壓u2。 （2） 整流濾波電路 整流電路的作用是將交流

17、電壓u2變換成脈動的直流電壓u3。整流電路較常見的有半波和橋式整流電路，因橋式整流輸出電壓較高，紋波較少，本設計選用橋式整流電路。在電源電路設計中用四個二極管組成橋式整流電路來完成整流功能。 （3）穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓電路一般采用集成穩(wěn)壓器和一些外圍元件所組成。采用集成穩(wěn)壓器設計的穩(wěn)壓電源具有結構簡單、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。可調式三端集成穩(wěn)壓器是指輸出電壓可以連續(xù)調節(jié)的穩(wěn)壓器，有輸出正電壓的CW317系列（LM317L）三端穩(wěn)壓器。 采用LM317構成的穩(wěn)壓部分電路，R3與RV2組成輸出電壓調節(jié)電路，RV為精密可調電位器。電容C9可以進一步消除紋波，電容C還能起到相位補償作用，以防止電路產生自激振蕩。電容

18、C與RV并聯(lián)組成濾波電路，電位器RV兩端的紋波電壓通過電容C2旁路掉，以減小輸出電壓中的紋波。 （4）A/D轉換、譯碼驅動 為了實現(xiàn)輸出電壓的實時顯示，更直觀地觀測電源的電壓大小。設計中加上A/D轉換、譯碼驅動電路。這就涉及到從模擬到數(shù)字的轉換，再通過譯碼器將其顯示出來。如果采用分立元件來實現(xiàn)，電路就變得非常復雜，實現(xiàn)困難，而且可靠性較低，這里選用將A/D轉換與數(shù)碼顯示集成一起的芯片TC7107，它包含AD轉換器，可直接驅動LED數(shù)碼管，內部設有獨立模擬開關，邏輯控制，參考電壓，自動調零等，只須少量的外圍元件就可以構成數(shù)字顯示電路。 （5）數(shù)字顯示部分數(shù)字顯示器件則選用了7SEG-MPX2-C

19、C數(shù)碼管。其功能是將TC7107轉換出來的數(shù)字電壓顯實時示出來。 直流穩(wěn)壓電源電路如圖3-4所示。該電源用一位數(shù)碼管顯示，可顯示0-7V，在實際使用時，調節(jié)RV1電位器實現(xiàn)電壓的變化。 3-4 直流穩(wěn)壓電源3.2.2接收電路模塊 接收電路模塊由接收放大、倍壓整流濾波、比較器及驅動電路組成，如圖3-5所示。 3-5 接收電路模塊 傳感器接收頭UCM-T40的共振板接收到40KHZ超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，由于該頻率與其固有頻率一致，機械能轉換為電信號，從第一級放大電路的基極送入，進行兩級電壓放大。由于三極管V4集電極輸出的放大信號為交流信號，為達到由運算放大器（IC2）構成的比較器電路的直

20、流電壓極性，必須由VD5、VD7、R13、R14組成二倍壓整流電路進行整流，再經過C5濾波后送入運放2腳作為輸入電壓。 運放參考電壓由電位器RP2上送入，其數(shù)值取決于超聲波發(fā)射和接收頭相距5m時2腳上的電壓大小。 如果距離超過5m，則超聲波接收頭上收到的信號較弱，經放大、整流、濾波后的信號（即運放2腳上信號）小于參考點3腳的信號強度，比較器輸出端（即運放6腳）輸出低電平，V5、V6組成的復合管截止，繼電器K1不動作；如果兩車距離在5m以內，則超聲波接收頭上收到的信號較強，經放大、整流、濾波后的信號（即運放2腳上信號）大于參考點3腳的信號強度，比較器輸出端（即運放6腳）輸出高電平，V5、V6組成的復合管飽和導通，繼電器K1得電，常開觸K1-1吸合，報警電路工作。因此合理調節(jié)電位器RP2的位置，可改變送入3腳的電壓大小，進而可以調