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隨著智能建筑安防系統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。雖然與常用于軍事或特殊工業的雷達和激光相比，超聲波在穩定性和精準度上存在一定差距，但它在某些方面也具有優勢，如價格低廉，設計簡單，受外界環境的影響較小等。近幾年隨著微處理器的快速發展，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必備的元器件之一，選擇合適的超聲換能器對系統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。 本系統采用的是收發分離的壓電式超聲傳感器TX40-16 和RX40-16。 超聲測距的系統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。系統硬件框圖如圖1 所示。2.1 超聲波發射電路 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射換能器的發射驅動電壓，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，系統顯示錯誤并重新發射超聲波進入到下一次測量。系統發射電路如圖2 所示。
圖2 系統發射電路圖 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 為發射和接收時序圖。
圖3 系統發射電路圖
圖4 發射與接收時序圖 2.3 測距報警系統外圍電路系統的外圍電路包括電源、復位、晶振、測溫、報警、串口以及數碼管顯示電路等。 PIC16F877A 可采用的時鐘頻率為4MHz ~20MHz，在保證系統計算精準度的基礎上，采用了8MHz 的晶振，這樣便于設定發射超聲波的數目，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。系統采用蜂鳴器進行報警。串口電路可以實現和上位機通信。為了便于觀察，采用數碼管顯示測量的距離，PIC 單片機的RD0~RD7 控制數碼管的七位段選，RC1~RC3 控制位選，以動態掃描的方式顯示距離。串口通信和顯示電路如圖5 所示，系統外圍電路如圖6 所示。
圖5 系統顯示電路和串口通信電路圖
圖6 超聲測距報警系統外圍電路 3 系統軟件設計 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。 系統開始工作后，首先完成系統初始化；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組的方式進行記錄，數組元素個數為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，系統重新發射超聲波。系統主程序及中斷程序流程圖如圖7 所示。
圖7 系統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據不準確。 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。發射換能器剛發射的超聲波可能會直接橫向發射到接收超聲換能器，所以在發射完超聲波后進行延時，由此產生的盲區大約為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，發射換能器發射超聲波后，在沒有移動物體進入被探測區域的情況下，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進行了設計。我們把測距報警系統安置在正對著辦公室門口的桌子上，系統穩定后測的距離為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，系統便會自動報警。試驗結果表明，系統反應靈敏、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為高電平，沒有活動物體便一直維持在低電平。因此，本系統便采用該種方式發送超聲波，圖8 為穩定后的輸出電平，圖9 為人員進入探測區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目，如果檢測到的下降沿次數超過10 次，則可以認為有移動物體，系統會進行報警，否則一直循環采樣比較。5 總結 與傳統的超聲報警系統相比，本文設計的超聲測距報警系統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，工作穩定，可移植性好，應用在安防系統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。 |
