用于智能马桶上的微波传感技术应用

　　智能马桶使用比较多的人体运动检测方式是PSD（PosiTIon SensiTIve Device，位置敏感器件）和PIR（Passiveinfrared Detector，被动红外检测器）。PSD是主动式发射，可比较准确地检测出位置，但是容易受到周边环境和障碍物的影响而导致误检测;PIR通常通过检测人体辐射出来的红外线来识别人体，是一种运动传感器，但是也容易受到温度等周边环境的影响。同时，PSD和PIR检测方式均无法透过非透明的材质，通常需要另外开窗口以检测接收信号，这在一定程度上破坏了产品外观的完整性和协调性。与目前卫浴领域简洁时尚的风格相违背。

　　为了充分保证产品外观上的完整性及更好的检测效果，本文提出了一种利用多普勒原理实现的微波人体检测方法。

　　1 总体方案设计

　　本设计在硬件上主要包含微波传感器HB100、陷波器、数控增益可调放大器、整形电路和单片机PIC16F1824等部分，设计框图如图1所示。

　　系统工作过程如下：首先单片机PIC16F1824控制微波传感器HB100发射微波信号，并不断地检测接收反射波，并根据多普勒原理将发射波和反射波进行混频，然后输出一个具有中频特性的多普勒信号，该信号经过陷波器滤除系统中的一些干扰信号后，输入到数控增益可调放大器进行信号放大。数控增益可调放大器的输出分别接至单片机和整形电路，整形电路的输出接至单片机，单片机根据系统的外接灵敏度条件输出控制数控增益可调放大器的放大增益。信号在单片机控制器中经过波形采集处理单元、频率检测处理单元、幅值检测处理单元和信号处理单元进行处理，并根据多普勒信号的波形趋势，结合预先确定的幅值和频率条件来判断出人体的行为状况，并输出对应的控制信号。

　　本设计充分利用了多普勒波形的强度变化规律，采用了判断信号强度变化趋势，并且结合强度和频率的限制，达到良好、可靠的检测效果。

　　1.1 硬件设计

　　1.1.1 PIC16F1824单片机

　　PIC16F1824是美国微芯公司设计的一款低成本、高性能8位单片机，最高工作频率为32 MHz，具有4 KB的闪存程序存储器、256字节的数据存储器以及256字节的EEPROM数据存储器，可用于存储系统中的一些参数设置，如数控增益可调放大器的增益设置，系统的软件灵敏度设置（包括灵敏度模式、灵敏度值、灵敏度档位等）。该单片机还有丰富的外设资源，如内部振荡器、10位A/D转换器、增强型串口通信模块、比较器等，无需额外的外部资源，既增强了系统的紧凑性和可靠性，又节省了系统的设计成本。

　　本文主要应用10位A/D转换器对系统的多普勒信号进行采集，并输送给后端的处理单元进行分析处理。应用增强型串口通信模块与智能马桶的主控制系统进行通信，接收系统的相关灵敏度设置调整信息及发送人体感应检测信息给主控制系统。

　　1.1.2 微波传感器

　　HB100微波移动传感器是X波段移动传感多普勒模块，具有低功耗、高灵敏度、体积小等特点，是理想的低成本移动检测器。由介质振荡器（DRO）和一对微带天线（包括发送天线和接收天线）组成;用来向空间发射10.525GHz的高频电磁波，接收该高频电磁波遇到障碍物后折回的反射波，并将接收波和发射波混频后，输出一个具有中频信号特征的多普勒信号。微波移动传感器框图如图2所示。

　　1.1.3 陷波器

　　智能马桶中需检测人体的靠近和离开，经过分析相关数据和试验数据，发现人体的运行频率集中在30～80Hz，容易受到环境和电网中100 Hz或120 Hz的辐射干扰，造成误触发动作，因此设计中增加了陷波器实现滤除功能，如图3所示。

　　经过试验，该陷波器对各频率的衰减情况如图4所示。陷波器对100 Hz或120 Hz频率的衰减在70 dB（3 162倍）以上，而在80 Hz频率的衰减只有40 dB（100倍）。对于人体运动的频率50 Hz（对应运动速度0.7 m/s）的衰减更是直线下降，只有不到23 dB（14倍），可以忽略不计。因此该陷波器能有效地滤除干扰信号。

　　1.1.4 数控可调增益放大器

　　数控可调增益放大器用来对微弱的多普勒信号进行放大处理，是一个增益可调的低频放大器。当有物体在微波传感器覆盖的面积内移动时，微波传感器会输出多普勒信号，输出强度与发射能量的发射强度有关，一般情况下该信号很微弱，所以需要一个高增益的低频放大器来处理该信号，使其能被处理器所识别，数控增益可调放大器正是起到了这个作用。同时，该放大器可由控制器根据情况自动调节灵敏度。数控增益可调放大器包括固定增益放大器和可调增益放大器，放大电路如图5所示。

该数控可调增益放大器主要通过调整数字电位器MCP4011—50K的电阻值来实现64级的