基于單片機的超聲測距報警系統(tǒng)設計方案

　　隨著智能建筑安防系統(tǒng)要求的不斷完善和人們安全防范意識的不斷提高，室內防盜已逐漸引起人們的注意。針對這種情況，本文設計了一種可用于室內防盜的超聲測距報警系統(tǒng)。雖然與常用于軍事或特殊工業(yè)的雷達和激光相比，超聲波在穩(wěn)定性和度上存在一定差距，但它在某些方面也具有優(yōu)勢，如價格低廉，設計簡單，受外界環(huán)境的影響較小等。近幾年隨著微處理器的快速發(fā)展，超聲波測距裝置在其檢測精度、手段和應用范圍上都有了很大的提高，所以超聲測距的應用范圍變得更加廣泛，倒車雷達和自動導航、液位測量、機器人視覺識別和建筑安防等。本文設計的基于PIC16F877A的室內安防超聲測距報警系統(tǒng)具有設計簡單，檢測精度高，抗*力強，隱蔽性好等特點，并且在辦公室進行了初步安裝調試，試驗結果達到了預期的目的。
　　
　　1、超聲測距報警原理
　　
　　*是超聲測距報警系統(tǒng)*的元器件之一，選擇合適的*對系統(tǒng)的性能有著重要的意義。目前zui常用的是壓電式超聲波傳感器，它是利用電致伸縮現(xiàn)象制成的，在壓電材料切片上施加交變電壓，使它產生電致伸縮振動而產生超聲波，同樣，當超聲波作用到壓電晶片上時使晶片伸縮，在晶片的兩個界面上便產生交變電荷，這種電荷被轉換成電壓并經過放大后送到測量電路，zui終可以被記錄或顯示。
　　
　　本系統(tǒng)采用的是收發(fā)分離的壓電式超聲傳感器TX40-16和RX40-16。　　
　　超聲測距的系統(tǒng)原理方法一般包括三種：相位檢測法，聲波幅值檢測法和渡越時間檢測法。本系統(tǒng)采用渡越時間檢測法，也就是我們通常所說的時間差法，即超聲波從發(fā)射到接收的時間段內所走的距離為待測距離的2倍，所以：
　　其中：D--待測距離（m）；c--聲波在該介質中的速度（m/s）；t--測得的時間差（s）。
　　
　　由上式我們可以看出，測量誤差主要是由聲速誤差和測量時間誤差所引起的。本系統(tǒng)主要是通過軟件修正對測量時間誤差進行改善，而聲速誤差則是通過溫度補償來減小的。零度下聲速大約為331.48m/s，其他溫度下的聲速我們可以通過下式進行修正：　　
　　其中，T為當前環(huán)境溫度。
　　　　　　
　　2、系統(tǒng)硬件設計
　　
　　本設計采用Microchip公司的PIC16F877A芯片作為超聲測距系統(tǒng)的主控芯片，該芯片具有豐富的I/O口資源、可配置不同的時鐘頻率、內置A/D轉換等優(yōu)點，強大的功能使設計更為簡單、便捷。
　　　　
　　溫度傳感器采用DS18B20芯片，該傳感器具有單總線接口，±0.5℃的測量精度，使用電壓范圍寬，分辨率可調，測溫范圍寬，負壓特性，數(shù)字轉換迅速等特點，應用十分簡潔方便，符合設計要求。DS18B20讀取溫度時，要關閉中斷，否則可能造成溫度讀取錯誤。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。
　　
　　2.1超聲波發(fā)射電路
　　
　　*外加電壓的大小是決定探測距離遠近的一個重要因素。外加電壓能影響換能器內部壓電陶瓷材料的電場強度，進而影響振膜形變量和壓電轉換效率。目前常用的一種方法是采用7404系列的反相器作為超聲發(fā)射換能器的電壓驅動芯片，盡管這種方案設計簡單，價格也很低，但它產生的驅動峰峰電壓較低，zui高也僅有7v左右，大大縮短了探測距離。針對這種情況，本文決定采用MAX232代替反相器，以推挽的方式來增大超聲發(fā)射換能器的發(fā)射驅動電壓，提高壓電轉換效率。通過實驗測的，MAX232可將5v左右的TTL電平轉換成9.2v左右的232電平，峰峰值可達18.5v，探測距離可達5m，占空比也近似50%，克服了探測距離近的缺點，而且其他性能指標*符合設計要求。本方案發(fā)送的超聲波以10個周期為一個序列，兩個序列之間相隔32768us，即T1定時器溢出的時間。當T1溢出時，系統(tǒng)顯示錯誤并重新發(fā)射超聲波進入到下一次測量。系統(tǒng)發(fā)射電路如圖2所示。　　　　
　　2.2超聲波接收電路
　　
　　超聲波在空氣中傳播時，能量會隨著距離的增加而不斷衰減。通過實驗測得，當探測距離為1m左右時，信號能量已經衰減到30mv左右，我們需要把這個接收到的微弱的超聲波正弦信號進行放大、濾波等處理，輸入到PIC的外部中斷口，作為接收到回波的標志。通常的設計思路是首先采用LM系列的放大器進行放大，然后經過濾波、頻率鎖定等電路輸入到INT0產生中斷。該方法的優(yōu)點在于可以鎖定所需要的頻率，防止外界其他頻率的超聲波的干擾，但缺點在于集成度不高，設計和焊接比較繁瑣。為此本文采用索尼公司的CX20106A紅外遙控接收集成芯片，該芯片可用于超聲波處理電路，它集成了放大、限幅、帶通濾波、峰值檢測、整形和比較等功能，具有很高的靈敏度和抗干擾性［5］.CX20106A芯片的7引腳與PIC單片機的INT0相連接，未接收到超聲波時，7引腳輸出4.1v左右的高電平，不產生中斷；當接收到與中心頻率40KHz相符或相近的超聲波時，便產生低跳變。
　　
　　當檢測到有底跳變時，把*個下降沿信號輸入到INT0作為外部中斷信號，然后關閉定時器T1并讀取T1的計數(shù)值，進行下一步的時間和距離計算。接收電路圖如圖3所示，圖4為發(fā)射和接收時序圖。　　　　　　
　　2.3測距報警系統(tǒng)外圍電路
　　
　　系統(tǒng)的外圍電路包括電源、復位、晶振、測溫、報警、串口以及數(shù)碼管顯示電路等。
　　
　　PIC16F877A可采用的時鐘頻率為4MHz~20MHz，在保證系統(tǒng)計算度的基礎上，采用了8MHz的晶振，這樣便于設定發(fā)射超聲波的數(shù)目，使超聲波中心頻率維持在40KHz.采用的DS18B20芯片可對聲速進行修正，使結果更加準確。系統(tǒng)采用蜂鳴器進行報警。串口電路可以實現(xiàn)和上位機通信。為了便于觀察，采用數(shù)碼管顯示測量的距離，PIC單片機的RD0~RD7控制數(shù)碼管的七位段選，RC1~RC3控制位選，以動態(tài)掃描的方式顯示距離。串口通信和顯示電路如圖5所示，系統(tǒng)外圍電路如圖6所示。　　　　　　
　　3、系統(tǒng)軟件設計
　　
　　軟件設計主要包括：主程序，測溫修正聲速子程序，中斷子程序，濾波子程序，報警子程序和顯示子程序等。
　　
　　系統(tǒng)開始工作后，首先完成系統(tǒng)初始化；緊接著是對聲速進行修正，得到當前溫度下的聲速；然后對定時器T1進行設置，并由PIC單片機產生40KHz的方波；接下來便是通過讀取T1定時器的數(shù)值來計算測距時間和測量距離；得到正確的測量距離便采用數(shù)組的方式進行記錄，數(shù)組元素個數(shù)為11，采用冒泡法進行排序，取中間值作為zui終的測量距離，以提高測距的度；下一步便是判定是否符合報警條件，如果符合條件便報警，然后通過數(shù)碼管顯示距離，不符合報警條件則直接顯示距離。在程序運行過程中，如果有中斷產生便跳到中斷子程序。在中斷程序中，首先判斷該中斷是外部中斷還是T1溢出中斷。如果是外部中斷，則關閉T1和外部中斷使能并計算時間和距離；如果是T1溢出中斷，則對T1進行清零，系統(tǒng)重新發(fā)射超聲波。系統(tǒng)主程序及中斷程序流程圖如圖7所示。　　　　
　　在軟件設計時，要特別注意避免在DS18B20總線讀寫或復位的過程中產生中斷，防止溫度讀取錯誤。
　　
　　系統(tǒng)每計算完一次時間和距離時都要對定時器T1清零，否則下一次測量會造成數(shù)據(jù)不準確。
　　
　　4、實驗結果及分析
　　
　　本文首先對測量距離和測量結果進行了驗證和分析。發(fā)射換能器剛發(fā)射的超聲波可能會直接橫向發(fā)射到接收*，所以在發(fā)射完超聲波后進行延時，由此產生的盲區(qū)大約為10cm.測量結果和相對誤差如表2所示。
　　
　　
　　由表2我們可以看出：近距離測量比較準確，但遠距離測量時較容易出現(xiàn)測量誤差。產生誤差的原因有很多，如聲速、空氣濕度、發(fā)射角度等，而換能器振膜的位置和電-機械信號轉換速率等誤差也是不可忽視的原因，這些誤差主要是通過多次測量不斷修改測量距離公式來進行修正的。本文測距產生誤差的原因主要是超聲波在傳播的過程中的衰減和丟失。
　　
　　超聲波報警方式主要有兩種：一種是通過軟件設置一個閾值與測的距離進行比較，如果不符合確定的定義則報警。另一種是通過多普勒效應波形檢測，發(fā)射換能器發(fā)射超聲波后，在沒有移動物體進入被探測區(qū)域的情況下，反射回來的超聲波是等幅的；當有活動的物體進入探測區(qū)域時，反射回來的超聲波幅度不等，并且不斷變化，當接收電路檢測到變化的信號時，控制電路便驅動報警裝置進行報警。
　　
　　本文首先按照*種報警思路對系統(tǒng)進行了設計。我們把測距報警系統(tǒng)安置在正對著辦公室門口的桌子上，系統(tǒng)穩(wěn)定后測的距離為188，我們設定的閾值為200，當有人進入便造成探測距離小于預設值，如果在預定的20s內沒有取消報警設置時，系統(tǒng)便會自動報警。試驗結果表明，系統(tǒng)反應靈敏、度高，誤報率低于1%，符合設計要求。下一步工作我們可以把產生的報警信號通過短信的方式發(fā)送到手機客戶端或者防務人員信息端。
　　
　　針對第二種報警方式，我們把CX20106A輸出電平信號變化類比為多普勒波形進行檢測。通過試驗得知：如果不間斷的發(fā)射超聲波，CX20106A芯片7引腳的輸出并不會和預期的那樣一直維持在低電平，這是由于該芯片的靈敏度不足以分辨出這么短時間的電平變化，其內部的上拉門限會很快把輸出信號變?yōu)楦唠娖剑瑳]有活動物體便一直維持在低電平。因此，本系統(tǒng)便采用該種方式發(fā)送超聲波，圖8為穩(wěn)定后的輸出電平，圖9為人員進入探測區(qū)域走動造成的電平變化。　　　　　　
　　通過長時間實驗結果觀察得知，在沒有移動物體進入探測區(qū)時，平均每小時大約有10次低電平跳變，誤報率很低，所以采用短時間間隔取樣的方式，這樣出現(xiàn)誤報為小概率事件。設定取樣間隔為2s，采用外部中斷計算產生低脈沖數(shù)目，如果檢測到的下降沿次數(shù)超過10次，則可以認為有移動物體，系統(tǒng)會進行報警，否則一直循環(huán)采樣比較。
　　
　　5、總結
　　
　　與傳統(tǒng)的超聲報警系統(tǒng)相比，本文設計的超聲測距報警系統(tǒng)不僅在精度和測量距離上有了很大的改善，而且硬件結構簡單，工作穩(wěn)定，可移植性好，應用在安防系統(tǒng)中具有很強的隱蔽性，能夠較為準確的識別闖入者并報警，達到了預期結果。同時本系統(tǒng)也存在一些不足，譬如：沒有設置手機短信報警模塊，如何和其他安防設施配合使用等，在下一步的研究工作中會著重解決這些問題。