基于超聲波傳感器的測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙 凌

（鐵道警察學(xué)院治安系，鄭州，450053）

1 超聲波測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)基本原理

超聲波是指頻率高于20000Hz 的機(jī)械波。為了實(shí)現(xiàn)超聲波回波測(cè)距，必須通過超聲波傳感器產(chǎn)生和接收超聲波。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)電能和超聲波能之間的相互轉(zhuǎn)化，即超聲波發(fā)射器是通過逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能，產(chǎn)生超聲波；而超聲波接收器是通過壓電效應(yīng)將超聲波能轉(zhuǎn)換為電能，接收超聲波。若超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波是以速度v(單位：m/s)在介質(zhì)中傳播，在有效防范區(qū)域內(nèi)遇到被測(cè)物體超聲波受到反射，被超聲波接收器接收，傳播經(jīng)歷的時(shí)間為t（單位：s），那么可以計(jì)算出入侵者與防范物體之間的距離s（單位：m），公式為：

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，單片機(jī)按照晶振電路給出的時(shí)鐘時(shí)序下接收來自超聲波傳感器輸出的入侵者距離電信號(hào)，并將該距離數(shù)值在LCD 顯示屏上實(shí)時(shí)顯示,同時(shí)控制由發(fā)光二級(jí)管和蜂鳴器組成的聲光報(bào)警系統(tǒng)，使其以一定的頻率閃光并發(fā)出警報(bào)聲。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路

硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射與接收電路、聲光報(bào)警電路四部分。單片機(jī)采用STC89C52。采用12 MHz 高準(zhǔn)確度的晶振，減小測(cè)量誤差。超聲波傳感器采用壓電式超聲波換能器，設(shè)置單片機(jī)端口P2.7 輸出超聲波換能器所需的40 kHz 的方波信號(hào)，端口P3.2 監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用KXM12864M 顯示屏。聲光報(bào)警電路由發(fā)光二極管和蜂鳴器組成。

2.2 各主要模塊的硬件

2.2.1 STC89C52 主控電路

圖2 主控電路

2.2.2 超聲波發(fā)射接收電路

壓電式超聲波換能器是通過壓電晶體的諧振來實(shí)現(xiàn)超聲波能和電能之間的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射與接收的。將超聲波發(fā)射器安裝于J1 端，由單片機(jī)P27 端口以40kHz 的頻率輸出方波電信號(hào)，那么壓電晶體就會(huì)發(fā)生逆壓電效應(yīng)以相同的頻率進(jìn)行振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電能向超聲波能的轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生超聲波，如圖3 所示；將超聲波接收安裝于J2 端，當(dāng)壓電晶體兩端沒有施加電信號(hào)，接收到超聲波信號(hào)時(shí)，壓電晶體就會(huì)發(fā)生壓電效應(yīng)并以同頻率進(jìn)行振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)超聲波能向電能的轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)LM358 放大后送入LM567 進(jìn)行鎖相環(huán)檢波，那么單片機(jī)就可以檢測(cè)到一個(gè)接地方波。

圖3 超聲波發(fā)射電路

2.2.3 顯示電路

顯示電路采用KXM12864M 型LCD 顯示屏。

2.2.4 聲光報(bào)警電路

如圖6 所示，聲報(bào)警電路選用壓電式蜂鳴器。單片機(jī)輸出低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警。如圖7 所示，光報(bào)警電路，當(dāng)單片機(jī)在對(duì)應(yīng)端口輸出低電平時(shí)，綠、黃、紅三種顏色的發(fā)光二極管以不同頻率閃爍。

圖6 聲報(bào)警電路

圖7 光報(bào)警電路

2.2.5 電源電路

如圖8 所示，電源VCC 由2 到4 節(jié)5 號(hào)電池組組成，C1、C2、C3、C4 起到穩(wěn)壓作用，按下開關(guān)SW1 電源接通，綠色發(fā)光二極管發(fā)光。

圖8 電源電路

3 軟件方案

3.1 主程序

圖10 主程序流程圖

3.2 功能顯示

3.2.1 進(jìn)入系統(tǒng)界面

按下電源開關(guān)，如圖11 所示，系統(tǒng)進(jìn)入初始化狀態(tài)，系統(tǒng)提示按下“確認(rèn)鍵”（LCD 屏下方自左向右第一個(gè)按鍵），系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)測(cè)模式。

圖11 系統(tǒng)進(jìn)入待命階段

圖12 系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)測(cè)模式

按下“確認(rèn)鍵”，如圖12 所示，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)測(cè)模式，系統(tǒng)開始布防，此時(shí)提示“物品安全”。

再次按下“確認(rèn)鍵”，如圖13 所示，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控范圍設(shè)置模式，LCD 屏下方自左向右第二、三個(gè)按鍵可增大或減少監(jiān)控區(qū)域的距離數(shù)值。

圖13 進(jìn)入監(jiān)控范圍設(shè)置模式

圖14 超聲波測(cè)距范圍在30-40cm

3.2.2 入侵者距離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

（1）如圖14 所示，有入侵者進(jìn)入防范區(qū)域，報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)，超聲波傳感器測(cè)出的距離為33 cm，綠色LED 燈和蜂鳴器以較慢的頻率閃光和發(fā)聲（此時(shí)警戒距離為30-40cm）。

（2）如圖15 所示，有入侵者進(jìn)入防范區(qū)域，報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)，超聲波傳感器測(cè)出的距離為24 cm，黃色LED 燈和蜂鳴器以較快的頻率閃光和發(fā)聲（此時(shí)警戒距離為20-30cm）。

圖15 超聲波測(cè)距范圍在20-30cm 20cm

圖16 超聲波測(cè)距范圍小于

（3）如圖16 所示，有入侵者進(jìn)入防范區(qū)域，報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)，超聲波傳感器測(cè)出的距離為11 cm，紅色LED 燈和蜂鳴器以更快的頻率閃光和發(fā)聲（此時(shí)警戒距離為10-20cm）。

由上述可知，隨著入侵者不斷接近超聲波傳感器（或防范目標(biāo)），聲光報(bào)警裝置的警報(bào)信號(hào)會(huì)在三種不同的頻率下通過蜂鳴器的發(fā)聲和不同顏色的發(fā)光二極管閃爍體現(xiàn)出來，從而有效提醒相關(guān)人員應(yīng)加強(qiáng)戒備及時(shí)應(yīng)對(duì)入侵；同時(shí)若入侵者發(fā)現(xiàn)警報(bào)信號(hào)，對(duì)其入侵行為也是一種威懾。

4 操作步驟

4.1 初始狀態(tài)

按下自鎖式開關(guān)，接通電源，LCD 屏顯示系統(tǒng)最初始狀態(tài)“系統(tǒng)介紹 超聲波之監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 可監(jiān)測(cè)三個(gè)可調(diào)區(qū) 按確認(rèn)鍵進(jìn)入系統(tǒng)”。

4.2 布防狀態(tài)

根據(jù)LCD 屏顯示的文字提示，按確認(rèn)鍵，即LCD 屏下方自左向右第一個(gè)按鍵，會(huì)聽到“嘀”的一聲，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控模式，即布防狀態(tài)。

4.3 設(shè)置狀態(tài)

再次按確認(rèn)鍵，進(jìn)入監(jiān)測(cè)范圍設(shè)置模式，即按下LCD 屏下方自左向右第二個(gè)和第三個(gè)按鍵，可以調(diào)整三個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的距離數(shù)值。

4.4 回到布防狀態(tài)

監(jiān)測(cè)范圍調(diào)整完畢，按返回鍵，即按下LCD 屏下方自左向右第四個(gè)按鍵，系統(tǒng)重新進(jìn)入布放狀態(tài)，此時(shí)監(jiān)測(cè)范圍是調(diào)整后的范圍。

4.5 撤防狀態(tài)

再次按下自鎖式開關(guān)，電源關(guān)閉，系統(tǒng)進(jìn)入撤防狀態(tài)。

5 創(chuàng)新點(diǎn)

5.1 非接觸式報(bào)警

相比傳統(tǒng)的接觸式報(bào)警系統(tǒng)，該報(bào)警系統(tǒng)采用超聲波測(cè)距非接觸式報(bào)警方式，可以為防范對(duì)象在空間方面提供最大限度的安全保障。

5.2 三個(gè)可調(diào)監(jiān)測(cè)區(qū)

該報(bào)警系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的是一個(gè)動(dòng)態(tài)可調(diào)的防范區(qū)域，分為三個(gè)可調(diào)區(qū)，可以在最大有效距離內(nèi)任意調(diào)整三個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的距離數(shù)值，且數(shù)值可以精確到厘米。

5.3 裝置體積小，易安裝

裝置體積約400cm3，占有的空間較小，安裝方便、隱蔽，基本不受安裝條件限制。

5.4 成本低，易推廣

硬件電路的設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射與接收電路、聲光報(bào)警電路四部分，電路簡(jiǎn)易，成本價(jià)格為50～60 元人民幣，低廉的價(jià)格，根據(jù)特殊的需求再稍加包裝即可大規(guī)模推廣應(yīng)用。

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