超聲波簡易手勢檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊 敏，蔡哲鵬，王林福（五邑大學(xué)　信息工程學(xué)院，廣東 江門　529020）

超聲波簡易手勢檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊 敏，蔡哲鵬，王林福
（五邑大學(xué)信息工程學(xué)院，廣東 江門529020）

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)超聲波簡易手勢檢測系統(tǒng)，采用NE555及運(yùn)放產(chǎn)生45 kHz正弦波信號(hào)，信號(hào)由超聲波探頭發(fā)出，遇到障礙物后被反射回來，由麥克風(fēng)接收，接收的信號(hào)經(jīng)放大去噪后經(jīng)AD633模擬乘法器與原正弦波混頻，經(jīng)高通濾波、放大及低通濾波后可從幅度和頻率觀測出手勢的推拉動(dòng)作。測試結(jié)果表明能準(zhǔn)確的檢測30 cm內(nèi)在麥克風(fēng)和超聲波探頭垂直方向上的推和拉的動(dòng)作。

手勢；超聲波；混頻；放大

相較于單純的觸控功能，超聲波非接觸式手勢能為控制和命令帶來廣泛的應(yīng)用空間，而不受限于屏幕的尺寸。無論是國外還是國內(nèi)超聲波非接觸式手勢識(shí)別都處于初級階段，因此這方面還有很大的提升空間。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

超聲手勢檢測系統(tǒng)由發(fā)射部分和接收部分兩部分組成。發(fā)射部分框圖如圖1所示。接收部分框圖如圖2所示。

發(fā)射部分的主要功能是產(chǎn)生45 kHz的正弦波。發(fā)射部分主要由NE555、CD4049以及運(yùn)放和RC電路、超聲探頭組成。

接收電路是接收經(jīng)障礙物反射回來的超聲波，并進(jìn)行放大、高通濾波后用AD633JN進(jìn)行與本源信號(hào)混頻，混頻后的信號(hào)再經(jīng)過二級低通濾波與放大，得到頻率較低，噪聲較小的信號(hào)，從而依靠幅度和頻率判斷出靠近與遠(yuǎn)離這兩種手勢的移動(dòng)。

圖1　發(fā)射部分框圖

圖2　接收部分框圖

2　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1方波發(fā)生電路

方波發(fā)生電路［1-2］如圖3所示。由555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器，其原理是電壓通過電阻R1和R7來對電容C5充放電，電路形成震蕩，從而連續(xù)地生成方波［3］。CD4049是六反相緩沖器，主要作用是整形。因555產(chǎn)生的方波有尖峰毛刺，故在555輸出端加反相器進(jìn)行整形。

其中，方波頻率的計(jì)算如下：

占空比的計(jì)算如下：

圖3　方波產(chǎn)生電路圖

2.2方波-正弦波轉(zhuǎn)換電路

R4、R5、C3、C4組成了積分濾波電路，將45 kHz方波轉(zhuǎn)換成三角波和正弦波。由于經(jīng)過了積分電路與低通濾波過后，正弦波的幅度變小。使用AD812芯片作為運(yùn)放［4］，選擇放大倍數(shù)為20倍，可滿足信號(hào)發(fā)送的強(qiáng)度。電路如圖4所示。

2.3麥克風(fēng)接收電路

采用普通麥克風(fēng)接收反射回來的波，接收電路如圖5所示。C1為隔直電容。麥克風(fēng)采集到的信號(hào)比較微弱，需放大信號(hào)，采用由AD820組成的二級放大電路［5］，放大倍數(shù)為100倍。二級放大電路既放大了有用信號(hào)又放大噪音，在混頻的過程會(huì)影響產(chǎn)生信號(hào)干擾，所以要濾除掉低頻的噪音。有用信號(hào)頻率是40 kHz以上，因此采用R8、C2組成高通濾波器濾除40 kHz以下的頻信號(hào)。通過計(jì)算選取了22 nF電容，180 Ω電阻。其截止頻率計(jì)算公式如下。

2.4混頻及濾波放大電路

圖4　方波-正弦波轉(zhuǎn)換電路

圖5　接收及二級放大電路圖

圖6　混頻及濾波放大電路圖

混頻及濾波放大電路如圖6所示。AD633為模擬乘法器［6］，將圖5中經(jīng)處理后的信號(hào)與正弦波產(chǎn)生電路產(chǎn)生的45kHz正弦波混頻。得到了兩種頻率信號(hào)，分別為高頻之和，低頻之差。低通電路目的是去除兩信號(hào)的高頻之和，而留下低頻之差。根據(jù)手勢的移動(dòng)速度，頻移差大概為200 Hz，所以設(shè)計(jì)低通濾波時(shí)要濾去200 Hz以上的頻率，考慮到冗余，截止頻率應(yīng)為300 Hz左右。其截止頻率計(jì)算如下：

經(jīng)過低通濾波器后信號(hào)幅度減弱，采用AD820放大電路來增強(qiáng)信號(hào)。

最后由LF353組成低通濾波器，電路如圖7所示，濾除語音和周圍噪聲形成更干凈的信號(hào)。截止頻率為300 Hz。其計(jì)算如下：

圖7　LF353低通濾波器

3　測試結(jié)果

如圖8（a）、（b）所示分別為當(dāng)手靠近、遠(yuǎn)離系統(tǒng)時(shí)用示波器觀測到的經(jīng)系統(tǒng)處理后的波形圖，圖9為手先靠近系統(tǒng)隨即遠(yuǎn)離系統(tǒng)的波形圖，從波形不難看出，手靠近遠(yuǎn)離系統(tǒng)意味著幅度變大、頻率變低。但是，由于超聲波發(fā)射功率和接收信號(hào)強(qiáng)度的影響，在手遠(yuǎn)離系統(tǒng)到30 cm以外時(shí)，系統(tǒng)無法檢測到手勢的移動(dòng)。

圖8　波形

圖9　手勢靠近遠(yuǎn)離與靠近的波形

4　結(jié)　論

系統(tǒng)以NE555以及AD633和各種運(yùn)放為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了超聲波手勢檢測系統(tǒng)。測試結(jié)果表明，在離系統(tǒng)30cm以內(nèi)的垂直范圍內(nèi)，系統(tǒng)可有效檢測到手的靠近和遠(yuǎn)離的這兩種動(dòng)作。

［1］田清華．方波三角波發(fā)生器的設(shè)計(jì)與仿真［J］．電子制作，2013（5）:7．

［2］文華兵，陳常婷，劉頻．基于NE555方波脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，11（37）:30-34．

［3］蘇文平，薛永毅．基于NE555設(shè)計(jì)的脈沖信號(hào)發(fā)生器在實(shí)踐教學(xué)的應(yīng)用［J］．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2008，6（25）:76-78．

［4］張陽，金華．金硅面壘型半導(dǎo)體探測器專用電荷靈敏放大裝置［J］．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，32（12）:1462-1465．

［5］劉宗是，何宗銳．基于 DDS激勵(lì)PLL方式的Ku波段頻率源［J］．電子質(zhì)量，2014，8：93-96．

［6］李姣軍．AD633模擬相乘功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015，32（3）:25-29．

Gesture detection system based on Ultrasonic

YANG Min，CAI Zhe-peng，WANG Lin-fu
（School of Information Engineering，Wuyi University，Jiangmen 529020，China）

A simple gesture detection system based on ultrasonic is designed and implemented.40 kHz sine wave signal is produced by NE555 and operational amplifiers and emitted by the ultrasonic probe，received by the microphone after being reflected obstacle.The received signal is amplified and mixed by AD633JN which is analog noising multipliers.A low noise and low frequency is obtained by high-pass filtering，amplification and low-pass filtering which can indicate push-pull motion. Results show that push and pull action can be accurately detected in 30cm in the vertical direction.

gesture detection；ultrasonic；mixing；amplify

TN274

A

1674－6236（2016）11-0134-03

2015-07-03稿件編號(hào)：201507034

2013年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目--教高司函［2013］102號(hào)（201311349030）

楊 敏（1980—），女，湖北黃岡人，碩士，講師。研究方向：自動(dòng)化控制、故障診斷。