超聲波簡易手勢檢測系統的設計

楊 敏，蔡哲鵬，王林福（五邑大學　信息工程學院，廣東 江門　529020）

超聲波簡易手勢檢測系統的設計

楊 敏，蔡哲鵬，王林福
（五邑大學信息工程學院，廣東 江門529020）

設計并實現超聲波簡易手勢檢測系統，采用NE555及運放產生45 kHz正弦波信號，信號由超聲波探頭發出，遇到障礙物后被反射回來，由麥克風接收，接收的信號經放大去噪后經AD633模擬乘法器與原正弦波混頻，經高通濾波、放大及低通濾波后可從幅度和頻率觀測出手勢的推拉動作。測試結果表明能準確的檢測30 cm內在麥克風和超聲波探頭垂直方向上的推和拉的動作。

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用空間，而不受限于屏幕的尺寸。無論是國外還是國內超聲波非接觸式手勢識別都處于初級階段，因此這方面還有很大的提升空間。

1　系統總體設計

超聲手勢檢測系統由發射部分和接收部分兩部分組成。發射部分框圖如圖1所示。接收部分框圖如圖2所示。

發射部分的主要功能是產生45 kHz的正弦波。發射部分主要由NE555、CD4049以及運放和RC電路、超聲探頭組成。

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

圖1　發射部分框圖

圖2　接收部分框圖

2　系統硬件電路設計

2.1方波發生電路

方波發生電路［1-2］如圖3所示。由555定時器構成多諧振蕩器，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，從而連續地生成方波［3］。CD4049是六反相緩沖器，主要作用是整形。因555產生的方波有尖峰毛刺，故在555輸出端加反相器進行整形。

其中，方波頻率的計算如下：

占空比的計算如下：

圖3　方波產生電路圖

2.2方波-正弦波轉換電路

R4、R5、C3、C4組成了積分濾波電路，將45 kHz方波轉換成三角波和正弦波。由于經過了積分電路與低通濾波過后，正弦波的幅度變小。使用AD812芯片作為運放［4］，選擇放大倍數為20倍，可滿足信號發送的強度。電路如圖4所示。

2.3麥克風接收電路

采用普通麥克風接收反射回來的波，接收電路如圖5所示。C1為隔直電容。麥克風采集到的信號比較微弱，需放大信號，采用由AD820組成的二級放大電路［5］，放大倍數為100倍。二級放大電路既放大了有用信號又放大噪音，在混頻的過程會影響產生信號干擾，所以要濾除掉低頻的噪音。有用信號頻率是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。通過計算選取了22 nF電容，180 Ω電阻。其截止頻率計算公式如下。

2.4混頻及濾波放大電路

圖4　方波-正弦波轉換電路

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中經處理后的信號與正弦波產生電路產生的45kHz正弦波混頻。得到了兩種頻率信號，分別為高頻之和，低頻之差。低通電路目的是去除兩信號的高頻之和，而留下低頻之差。根據手勢的移動速度，頻移差大概為200 Hz，所以設計低通濾波時要濾去200 Hz以上的頻率，考慮到冗余，截止頻率應為300 Hz左右。其截止頻率計算如下：

經過低通濾波器后信號幅度減弱，采用AD820放大電路來增強信號。

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。截止頻率為300 Hz。其計算如下：

圖7　LF353低通濾波器

3　測試結果

如圖8（a）、（b）所示分別為當手靠近、遠離系統時用示波器觀測到的經系統處理后的波形圖，圖9為手先靠近系統隨即遠離系統的波形圖，從波形不難看出，手靠近遠離系統意味著幅度變大、頻率變低。但是，由于超聲波發射功率和接收信號強度的影響，在手遠離系統到30 cm以外時，系統無法檢測到手勢的移動。

圖8　波形

圖9　手勢靠近遠離與靠近的波形

4　結　論

系統以NE555以及AD633和各種運放為基礎，設計并實現了超聲波手勢檢測系統。測試結果表明，在離系統30cm以內的垂直范圍內，系統可有效檢測到手的靠近和遠離的這兩種動作。

［1］田清華．方波三角波發生器的設計與仿真［J］．電子制作，2013（5）:7．

［2］文華兵，陳常婷，劉頻．基于NE555方波脈沖發生器的設計及應用［J］．現代電子技術，2014，11（37）:30-34．

［3］蘇文平，薛永毅．基于NE555設計的脈沖信號發生器在實踐教學的應用［J］．實驗技術與管理，2008，6（25）:76-78．

［4］張陽，金華．金硅面壘型半導體探測器專用電荷靈敏放大裝置［J］．實驗技術與管理，2012，32（12）:1462-1465．

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

［6］李姣軍．AD633模擬相乘功能設計與實現［J］．實驗技術與管理，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：201507034

2013年國家級大學生創新創業訓練計劃項目--教高司函［2013］102號（201311349030）

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