基于超聲波傳感器的測距報警系統設計

趙 凌

（鐵道警察學院治安系，鄭州，450053）

1 超聲波測距報警系統基本原理

超聲波是指頻率高于20000Hz 的機械波。為了實現超聲波回波測距，必須通過超聲波傳感器產生和接收超聲波。超聲波傳感器是利用壓電效應和逆壓電效應原理實現電能和超聲波能之間的相互轉化，即超聲波發射器是通過逆壓電效應將電能轉換為超聲波能，產生超聲波；而超聲波接收器是通過壓電效應將超聲波能轉換為電能，接收超聲波。若超聲波發射器發出的超聲波是以速度v(單位：m/s)在介質中傳播，在有效防范區域內遇到被測物體超聲波受到反射，被超聲波接收器接收，傳播經歷的時間為t（單位：s），那么可以計算出入侵者與防范物體之間的距離s（單位：m），公式為：

系統結構框圖如圖1 所示，單片機按照晶振電路給出的時鐘時序下接收來自超聲波傳感器輸出的入侵者距離電信號，并將該距離數值在LCD 顯示屏上實時顯示,同時控制由發光二級管和蜂鳴器組成的聲光報警系統，使其以一定的頻率閃光并發出警報聲。

圖1 系統結構框圖

2 系統硬件設計

2.1 硬件電路

硬件電路的設計主要包括單片機系統及顯示電路、超聲波發射與接收電路、聲光報警電路四部分。單片機采用STC89C52。采用12 MHz 高準確度的晶振，減小測量誤差。超聲波傳感器采用壓電式超聲波換能器，設置單片機端口P2.7 輸出超聲波換能器所需的40 kHz 的方波信號，端口P3.2 監測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用KXM12864M 顯示屏。聲光報警電路由發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現超聲波能和電能之間的轉換，從而實現超聲波的發射與接收的。將超聲波發射器安裝于J1 端，由單片機P27 端口以40kHz 的頻率輸出方波電信號，那么壓電晶體就會發生逆壓電效應以相同的頻率進行振動，實現電能向超聲波能的轉化，產生超聲波，如圖3 所示；將超聲波接收安裝于J2 端，當壓電晶體兩端沒有施加電信號，接收到超聲波信號時，壓電晶體就會發生壓電效應并以同頻率進行振動，實現超聲波能向電能的轉化，產生電信號，該電信號經LM358 放大后送入LM567 進行鎖相環檢波，那么單片機就可以檢測到一個接地方波。

圖3 超聲波發射電路

2.2.3 顯示電路

顯示電路采用KXM12864M 型LCD 顯示屏。

2.2.4 聲光報警電路

如圖6 所示，聲報警電路選用壓電式蜂鳴器。單片機輸出低電平時，三極管導通，蜂鳴器報警。如圖7 所示，光報警電路，當單片機在對應端口輸出低電平時，綠、黃、紅三種顏色的發光二極管以不同頻率閃爍。

圖6 聲報警電路

圖7 光報警電路

2.2.5 電源電路

如圖8 所示，電源VCC 由2 到4 節5 號電池組組成，C1、C2、C3、C4 起到穩壓作用，按下開關SW1 電源接通，綠色發光二極管發光。

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 進入系統界面

按下電源開關，如圖11 所示，系統進入初始化狀態，系統提示按下“確認鍵”（LCD 屏下方自左向右第一個按鍵），系統進入監測模式。

圖11 系統進入待命階段

圖12 系統進入監測模式

按下“確認鍵”，如圖12 所示，系統進入監測模式，系統開始布防，此時提示“物品安全”。

再次按下“確認鍵”，如圖13 所示，系統進入監控范圍設置模式，LCD 屏下方自左向右第二、三個按鍵可增大或減少監控區域的距離數值。

圖13 進入監控范圍設置模式

圖14 超聲波測距范圍在30-40cm

3.2.2 入侵者距離實時監測

（1）如圖14 所示，有入侵者進入防范區域，報警系統啟動，超聲波傳感器測出的距離為33 cm，綠色LED 燈和蜂鳴器以較慢的頻率閃光和發聲（此時警戒距離為30-40cm）。

（2）如圖15 所示，有入侵者進入防范區域，報警系統啟動，超聲波傳感器測出的距離為24 cm，黃色LED 燈和蜂鳴器以較快的頻率閃光和發聲（此時警戒距離為20-30cm）。

圖15 超聲波測距范圍在20-30cm 20cm

圖16 超聲波測距范圍小于

（3）如圖16 所示，有入侵者進入防范區域，報警系統啟動，超聲波傳感器測出的距離為11 cm，紅色LED 燈和蜂鳴器以更快的頻率閃光和發聲（此時警戒距離為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），聲光報警裝置的警報信號會在三種不同的頻率下通過蜂鳴器的發聲和不同顏色的發光二極管閃爍體現出來，從而有效提醒相關人員應加強戒備及時應對入侵；同時若入侵者發現警報信號，對其入侵行為也是一種威懾。

4 操作步驟

4.1 初始狀態

按下自鎖式開關，接通電源，LCD 屏顯示系統最初始狀態“系統介紹 超聲波之監測系統 可監測三個可調區 按確認鍵進入系統”。

4.2 布防狀態

根據LCD 屏顯示的文字提示，按確認鍵，即LCD 屏下方自左向右第一個按鍵，會聽到“嘀”的一聲，系統進入監控模式，即布防狀態。

4.3 設置狀態

再次按確認鍵，進入監測范圍設置模式，即按下LCD 屏下方自左向右第二個和第三個按鍵，可以調整三個監測區域的距離數值。

4.4 回到布防狀態

監測范圍調整完畢，按返回鍵，即按下LCD 屏下方自左向右第四個按鍵，系統重新進入布放狀態，此時監測范圍是調整后的范圍。

4.5 撤防狀態

再次按下自鎖式開關，電源關閉，系統進入撤防狀態。

5 創新點

5.1 非接觸式報警

相比傳統的接觸式報警系統，該報警系統采用超聲波測距非接觸式報警方式，可以為防范對象在空間方面提供最大限度的安全保障。

5.2 三個可調監測區

該報警系統監測的是一個動態可調的防范區域，分為三個可調區，可以在最大有效距離內任意調整三個監測區域的距離數值，且數值可以精確到厘米。

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

硬件電路的設計主要由單片機系統及顯示電路、超聲波發射與接收電路、聲光報警電路四部分，電路簡易，成本價格為50～60 元人民幣，低廉的價格，根據特殊的需求再稍加包裝即可大規模推廣應用。

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