超声波简易手势检测系统的设计

杨 敏，蔡哲鹏，王林福（五邑大学　信息工程学院，广东 江门　529020）

超声波简易手势检测系统的设计

杨 敏，蔡哲鹏，王林福
（五邑大学信息工程学院，广东 江门529020）

设计并实现超声波简易手势检测系统，采用NE555及运放产生45 kHz正弦波信号，信号由超声波探头发出，遇到障碍物后被反射回来，由麦克风接收，接收的信号经放大去噪后经AD633模拟乘法器与原正弦波混频，经高通滤波、放大及低通滤波后可从幅度和频率观测出手势的推拉动作。测试结果表明能准确的检测30 cm内在麦克风和超声波探头垂直方向上的推和拉的动作。

手势；超声波；混频；放大

相较于单纯的触控功能，超声波非接触式手势能为控制和命令带来广泛的应用空间，而不受限于屏幕的尺寸。无论是国外还是国内超声波非接触式手势识别都处于初级阶段，因此这方面还有很大的提升空间。

1　系统总体设计

超声手势检测系统由发射部分和接收部分两部分组成。发射部分框图如图1所示。接收部分框图如图2所示。

发射部分的主要功能是产生45 kHz的正弦波。发射部分主要由NE555、CD4049以及运放和RC电路、超声探头组成。

接收电路是接收经障碍物反射回来的超声波，并进行放大、高通滤波后用AD633JN进行与本源信号混频，混频后的信号再经过二级低通滤波与放大，得到频率较低，噪声较小的信号，从而依靠幅度和频率判断出靠近与远离这两种手势的移动。

图1　发射部分框图

图2　接收部分框图

2　系统硬件电路设计

2.1方波发生电路

方波发生电路［1-2］如图3所示。由555定时器构成多谐振荡器，其原理是电压通过电阻R1和R7来对电容C5充放电，电路形成震荡，从而连续地生成方波［3］。CD4049是六反相缓冲器，主要作用是整形。因555产生的方波有尖峰毛刺，故在555输出端加反相器进行整形。

其中，方波频率的计算如下：

占空比的计算如下：

图3　方波产生电路图

2.2方波-正弦波转换电路

R4、R5、C3、C4组成了积分滤波电路，将45 kHz方波转换成三角波和正弦波。由于经过了积分电路与低通滤波过后，正弦波的幅度变小。使用AD812芯片作为运放［4］，选择放大倍数为20倍，可满足信号发送的强度。电路如图4所示。

2.3麦克风接收电路

采用普通麦克风接收反射回来的波，接收电路如图5所示。C1为隔直电容。麦克风采集到的信号比较微弱，需放大信号，采用由AD820组成的二级放大电路［5］，放大倍数为100倍。二级放大电路既放大了有用信号又放大噪音，在混频的过程会影响产生信号干扰，所以要滤除掉低频的噪音。有用信号频率是40 kHz以上，因此采用R8、C2组成高通滤波器滤除40 kHz以下的频信号。通过计算选取了22 nF电容，180 Ω电阻。其截止频率计算公式如下。

2.4混频及滤波放大电路

图4　方波-正弦波转换电路

图5　接收及二级放大电路图

图6　混频及滤波放大电路图

混频及滤波放大电路如图6所示。AD633为模拟乘法器［6］，将图5中经处理后的信号与正弦波产生电路产生的45kHz正弦波混频。得到了两种频率信号，分别为高频之和，低频之差。低通电路目的是去除两信号的高频之和，而留下低频之差。根据手势的移动速度，频移差大概为200 Hz，所以设计低通滤波时要滤去200 Hz以上的频率，考虑到冗余，截止频率应为300 Hz左右。其截止频率计算如下：

经过低通滤波器后信号幅度减弱，采用AD820放大电路来增强信号。

最后由LF353组成低通滤波器，电路如图7所示，滤除语音和周围噪声形成更干净的信号。截止频率为300 Hz。其计算如下：

图7　LF353低通滤波器

3　测试结果

如图8（a）、（b）所示分别为当手靠近、远离系统时用示波器观测到的经系统处理后的波形图，图9为手先靠近系统随即远离系统的波形图，从波形不难看出，手靠近远离系统意味着幅度变大、频率变低。但是，由于超声波发射功率和接收信号强度的影响，在手远离系统到30 cm以外时，系统无法检测到手势的移动。

图8　波形

图9　手势靠近远离与靠近的波形

4　结　论

系统以NE555以及AD633和各种运放为基础，设计并实现了超声波手势检测系统。测试结果表明，在离系统30cm以内的垂直范围内，系统可有效检测到手的靠近和远离的这两种动作。

［1］田清华．方波三角波发生器的设计与仿真［J］．电子制作，2013（5）:7．

［2］文华兵，陈常婷，刘频．基于NE555方波脉冲发生器的设计及应用［J］．现代电子技术，2014，11（37）:30-34．

［3］苏文平，薛永毅．基于NE555设计的脉冲信号发生器在实践教学的应用［J］．实验技术与管理，2008，6（25）:76-78．

［4］张阳，金华．金硅面垒型半导体探测器专用电荷灵敏放大装置［J］．实验技术与管理，2012，32（12）:1462-1465．

［5］刘宗是，何宗锐．基于 DDS激励PLL方式的Ku波段频率源［J］．电子质量，2014，8：93-96．

［6］李姣军．AD633模拟相乘功能设计与实现［J］．实验技术与管理，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稿件编号：201507034

2013年国家级大学生创新创业训练计划项目--教高司函［2013］102号（201311349030）

杨 敏（1980—），女，湖北黄冈人，硕士，讲师。研究方向：自动化控制、故障诊断。