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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)定性和精準度上存在一定差距，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，抗干擾能力強，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 超聲換能器是超聲測距報警系統(tǒng)必備的元器件之一，選擇合適的超聲換能器對系統(tǒng)的性能有著重要的意義。目前最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，最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： 
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：
溫度與聲速對應表如表1 所示。 表1 溫度與聲速對應表
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。
圖1 超聲測距原理框圖 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 超聲換能器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，最高也僅有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，而且其他性能指標完全符合設計要求。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。
圖2 系統(tǒng)發(fā)射電路圖 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，把第一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。
圖3 系統(tǒng)發(fā)射電路圖
圖4 發(fā)射與接收時序圖 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)計算精準度的基礎上，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。
圖5 系統(tǒng)顯示電路和串口通信電路圖
圖6 超聲測距報警系統(tǒng)外圍電路 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，取中間值作為最終的測量距離，以提高測距的精準度；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。
圖7 系統(tǒng)主程序及中斷程序流程圖。 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)射到接收超聲換能器，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。 表2 探測結果及誤差分析
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。 本文首先按照第一種報警思路對系統(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、精準度高，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。
圖8 接收到的電壓波形圖
圖9 有活動物體進入時得到的電壓波形圖 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。 |
