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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(shí)的不斷提高，室內(nèi)防盜已逐漸引起人們的注意。針對(duì)這種情況，本文設(shè)計(jì)了一種可用于室內(nèi)防盜的超聲測距報(bào)警系統(tǒng)。雖然與常用于軍事或特殊工業(yè)的雷達(dá)和激光相比，超聲波在穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度上存在一定差距，但它在某些方面也具有優(yōu)勢，如價(jià)格低廉，設(shè)計(jì)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(yīng)用范圍上都有了很大的提高，所以超聲測距的應(yīng)用范圍變得更加廣泛，倒車?yán)走_(dá)和自動(dòng)導(dǎo)航、液位測量、機(jī)器人視覺識(shí)別和建筑安防等。本文設(shè)計(jì)的基于PIC16F877A 的室內(nèi)安防超聲測距報(bào)警系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡單，檢測精度高，抗干擾能力強(qiáng)，隱蔽性好等特點(diǎn)，并且在辦公室進(jìn)行了初步安裝調(diào)試，試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的目的。 1 超聲測距報(bào)警原理 超聲換能器是超聲測距報(bào)警系統(tǒng)必備的元器件之一，選擇合適的超聲換能器對(duì)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(chǎn)生電致伸縮振動(dòng)而產(chǎn)生超聲波，同樣，當(dāng)超聲波作用到壓電晶片上時(shí)使晶片伸縮，在晶片的兩個(gè)界面上便產(chǎn)生交變電荷，這種電荷被轉(zhuǎn)換成電壓并經(jīng)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(shí)間檢測法。本系統(tǒng)采用渡越時(shí)間檢測法，也就是我們通常所說的時(shí)間差法，即超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間段內(nèi)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(shí)間誤差所引起的。本系統(tǒng)主要是通過軟件修正對(duì)測量時(shí)間誤差進(jìn)行改善，而聲速誤差則是通過溫度補(bǔ)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(jìn)行修正：
溫度與聲速對(duì)應(yīng)表如表1 所示。 表1 溫度與聲速對(duì)應(yīng)表
本設(shè)計(jì)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(shí)鐘頻率、內(nèi)置A/D 轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)，強(qiáng)大的功能使設(shè)計(jì)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(diào)，測溫范圍寬，負(fù)壓特性，數(shù)字轉(zhuǎn)換迅速等特點(diǎn)，應(yīng)用十分簡潔方便，符合設(shè)計(jì)要求。DS18B20讀取溫度時(shí)，要關(guān)閉中斷，否則可能造成溫度讀取錯(cuò)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(yuǎn)近的一個(gè)重要因素。外加電壓能影響換能器內(nèi)部壓電陶瓷材料的電場強(qiáng)度，進(jìn)而影響振膜形變量和壓電轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)芯片，盡管這種方案設(shè)計(jì)簡單，價(jià)格也很低，但它產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)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(duì)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(qū)動(dòng)電壓，提高壓電轉(zhuǎn)換效率。通過實(shí)驗(yàn)測的，MAX232 可將5v左右的TTL 電平轉(zhuǎn)換成9.2v 左右的232 電平，峰峰值可達(dá)18.5v，探測距離可達(dá)5m，占空比也近似50%，克服了探測距離近的缺點(diǎn)，而且其他性能指標(biāo)完全符合設(shè)計(jì)要求。本方案發(fā)送的超聲波以10 個(gè)周期為一個(gè)序列，兩個(gè)序列之間相隔32768us，即T1 定時(shí)器溢出的時(shí)間。當(dāng)T1 溢出時(shí)，系統(tǒng)顯示錯(cuò)誤并重新發(fā)射超聲波進(jìn)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(shí)，能量會(huì)隨著距離的增加而不斷衰減。通過實(shí)驗(yàn)測得，當(dāng)探測距離為1m 左右時(shí)，信號(hào)能量已經(jīng)衰減到30mv 左右，我們需要把這個(gè)接收到的微弱的超聲波正弦信號(hào)進(jìn)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(biāo)志。通常的設(shè)計(jì)思路是首先采用LM 系列的放大器進(jìn)行放大，然后經(jīng)過濾波、頻率鎖定等電路輸入到INT0 產(chǎn)生中斷。該方法的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)在于集成度不高，設(shè)計(jì)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(jī)的INT0 相連接，未接收到超聲波時(shí)，7 引腳輸出4.1v 左右的高電平，不產(chǎn)生中斷；當(dāng)接收到與中心頻率40KHz 相符或相近的超聲波時(shí)，便產(chǎn)生低跳變。 當(dāng)檢測到有底跳變時(shí)，把第一個(gè)下降沿信號(hào)輸入到INT0 作為外部中斷信號(hào)，然后關(guān)閉定時(shí)器T1 并讀取T1 的計(jì)數(shù)值，進(jìn)行下一步的時(shí)間和距離計(jì)算。接收電路圖如圖3 所示，圖4 為發(fā)射和接收時(shí)序圖。
圖3 系統(tǒng)發(fā)射電路圖
圖4 發(fā)射與接收時(shí)序圖 2.3 測距報(bào)警系統(tǒng)外圍電路系統(tǒng)的外圍電路包括電源、復(fù)位、晶振、測溫、報(bào)警、串口以及數(shù)碼管顯示電路等。 PIC16F877A 可采用的時(shí)鐘頻率為4MHz ~20MHz，在保證系統(tǒng)計(jì)算精準(zhǔn)度的基礎(chǔ)上，采用了8MHz 的晶振，這樣便于設(shè)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(duì)聲速進(jìn)行修正，使結(jié)果更加準(zhǔn)確。系統(tǒng)采用蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。串口電路可以實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)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(jī)的RD0~RD7 控制數(shù)碼管的七位段選，RC1~RC3 控制位選，以動(dòng)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(bào)警系統(tǒng)外圍電路 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)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(bào)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(duì)聲速進(jìn)行修正，得到當(dāng)前溫度下的聲速；然后對(duì)定時(shí)器T1 進(jìn)行設(shè)置，并由PIC 單片機(jī)產(chǎn)生40KHz 的方波；接下來便是通過讀取T1 定時(shí)器的數(shù)值來計(jì)算測距時(shí)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(jìn)行記錄，數(shù)組元素個(gè)數(shù)為11，采用冒泡法進(jìn)行排序，取中間值作為最終的測量距離，以提高測距的精準(zhǔn)度；下一步便是判定是否符合報(bào)警條件，如果符合條件便報(bào)警，然后通過數(shù)碼管顯示距離，不符合報(bào)警條件則直接顯示距離。在程序運(yùn)行過程中，如果有中斷產(chǎn)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(guān)閉T1 和外部中斷使能并計(jì)算時(shí)間和距離；如果是T1 溢出中斷，則對(duì)T1 進(jìn)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(shè)計(jì)時(shí)，要特別注意避免在DS18B20 總線讀寫或復(fù)位的過程中產(chǎn)生中斷，防止溫度讀取錯(cuò)誤。系統(tǒng)每計(jì)算完一次時(shí)間和距離時(shí)都要對(duì)定時(shí)器T1 清零，否則下一次測量會(huì)造成數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 本文首先對(duì)測量距離和測量結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證和分析。發(fā)射換能器剛發(fā)射的超聲波可能會(huì)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(jìn)行延時(shí)，由此產(chǎn)生的盲區(qū)大約為10cm.測量結(jié)果和相對(duì)誤差如表2 所示。 表2 探測結(jié)果及誤差分析
超聲波報(bào)警方式主要有兩種：一種是通過軟件設(shè)置一個(gè)閾值與測的距離進(jìn)行比較，如果不符合確定的定義則報(bào)警。另一種是通過多普勒效應(yīng)波形檢測，發(fā)射換能器發(fā)射超聲波后，在沒有移動(dòng)物體進(jìn)入被探測區(qū)域的情況下，反射回來的超聲波是等幅的；當(dāng)有活動(dòng)的物體進(jìn)入探測區(qū)域時(shí)，反射回來的超聲波幅度不等，并且不斷變化，當(dāng)接收電路檢測到變化的信號(hào)時(shí)，控制電路便驅(qū)動(dòng)報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警。 本文首先按照第一種報(bào)警思路對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。我們把測距報(bào)警系統(tǒng)安置在正對(duì)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?cè)O(shè)定的閾值為200，當(dāng)有人進(jìn)入便造成探測距離小于預(yù)設(shè)值，如果在預(yù)定的20s 內(nèi)沒有取消報(bào)警設(shè)置時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)報(bào)警。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)反應(yīng)靈敏、精準(zhǔn)度高，誤報(bào)率低于1%，符合設(shè)計(jì)要求。下一步工作我們可以把產(chǎn)生的報(bào)警信號(hào)通過短信的方式發(fā)送到手機(jī)客戶端或者防務(wù)人員信息端。 針對(duì)第二種報(bào)警方式，我們把CX20106A 輸出電平信號(hào)變化類比為多普勒波形進(jìn)行檢測。通過試驗(yàn)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(huì)和預(yù)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(shí)間的電平變化，其內(nèi)部的上拉門限會(huì)很快把輸出信號(hào)變?yōu)楦唠娖剑瑳]有活動(dòng)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(jìn)入探測區(qū)域走動(dòng)造成的電平變化。
圖8 接收到的電壓波形圖
圖9 有活動(dòng)物體進(jìn)入時(shí)得到的電壓波形圖 通過長時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀察得知，在沒有移動(dòng)物體進(jìn)入探測區(qū)時(shí)，平均每小時(shí)大約有10 次低電平跳變，誤報(bào)率很低，所以采用短時(shí)間間隔取樣的方式，這樣出現(xiàn)誤報(bào)為小概率事件。設(shè)定取樣間隔為2s，采用外部中斷計(jì)算產(chǎn)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(rèn)為有移動(dòng)物體，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行報(bào)警，否則一直循環(huán)采樣比較。5 總結(jié) 與傳統(tǒng)的超聲報(bào)警系統(tǒng)相比，本文設(shè)計(jì)的超聲測距報(bào)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(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定，可移植性好，應(yīng)用在安防系統(tǒng)中具有很強(qiáng)的隱蔽性，能夠較為準(zhǔn)確的識(shí)別闖入者并報(bào)警，達(dá)到了預(yù)期結(jié)果。同時(shí)本系統(tǒng)也存在一些不足，譬如：沒有設(shè)置手機(jī)短信報(bào)警模塊，如何和其他安防設(shè)施配合使用等，在下一步的研究工作中會(huì)著重解決這些問題。 |
