超聲波接近探測器的設計

王艷秋

超聲波接近探測器的設計

王艷秋

王艷秋 楊秀清 裴春梅 韓 偉 張艾迪

北京電子科技職業學院電信工程學院

本設計采用HC-SR04超聲波測距模塊組成接收和發送網絡，通過STC12C5A80S2單片機采集超聲波測距模塊的信號，并對接近距離進行判斷，從而控制指示燈和揚聲器發出三級聲光報警。

這種超聲波接近探測器，可以應用在多種場合，例如應用在產品的展臺上，當有參展者對產品感興趣而接近展臺時，可自動播放相關產品的音頻或視頻介紹，以助于參展者更詳細的了解產品信息。此探測器也可以用在防止閑人接近的安防或安全場所。另外，此探測器還可以安裝在各種寵物的身上，當寵物沖撞陌生人時，接近探測器能夠發出聲光報警，以提醒寵物主人做出快速反應。

探測器硬件電路總體設計

探測器電路總體設計

本設計的探測器硬件電路框圖如圖1所示。

圖1 探測器硬件電路框圖

本設計采用了STC12C5A 系列單片機的STC12C5A80S2，該單片機具有高速、低功耗、超強抗干擾的特點，指令代碼與8051完全兼容，但速度要快8～12倍。

探測器硬件電路包括晶振電路、復位電路、狀態指示電路。電路板采用單+5V 供電。報警電路包括聲報警電路和光報警電路。聲報警電路由單片機IO口經三極管驅動一個直流蜂鳴器組成，光報警電路由單片機IO口經三極管驅動一個直徑為φ10的紅色發光二極管構成。采用四位一體數碼管顯示距離值。采用P0口作為數碼管的段驅動，并使用74HC245 增強驅動能力；使用P2口的4個引腳作為每個數碼管的COM，并使用三極管增強驅動能力。在顯示時，四個數碼管輪流顯示，只要幀刷新頻率不低于50Hz，由于人眼的視覺暫留，看起來就好像是顯示了一幀完整的數據。RS232 串口電路采用MAX232芯片把單片機的UART 口轉換為RS232 串口電路。超聲波傳感器的回波信號接到單片機的P13 管腳，該管腳具有捕獲功能，在軟件設計中采用捕獲的方式得到回波信號的寬度，并計算出距離。

超聲波采集模塊

超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，它具有碰到雜質或分界面會產生反射回波的特點。

本設計采用的超聲波傳感器是HC-SR04超聲波測距模塊，該模塊能夠測量非接觸式的距離，測量的距離范圍為2cm～400cm，測量精度為3mm。該模塊包括超聲波發射器、接收器與控制電路，模塊供電電壓為+5V，采用4 針引腳的接口端子。該模塊引腳VCC引腳、GND引腳、觸發信號輸入引腳和回響信號輸出引腳。

HC-SR04超聲波測距模塊的工作時序如圖2所示。

圖2 HC-SR04超聲波測距模塊的工作時序圖

根據工作時序圖，通過在觸發信號輸入引腳接入超過10μs的高電平信號，從而引起模塊內部CPU 循環發出8個40KHz的脈沖信號，該脈沖信號驅動超聲波發射傳感器發出超聲波信號；發出的超聲波信號被反射物體反射回來，超聲波接收傳感器接收反射回來的回波信號，但是該回波信號非常微弱，因此要通過放大、濾波；模塊在發出超聲波信號和檢測到回波信號的這段時間內，回響信號輸出引腳輸出高電平，高電平持續的時間與檢測距離成正比，因此可以根據高電平持續的時間長度和聲音在空氣中的傳播速度計算出與被測物體到模塊之間的距離。

探測器的使用

這種超聲波接近探測器，可以應用在產品的展臺上、安全場所、寵物身上，當有物體接近時，接近探測器能夠發出聲光報警。此外，此探測器還具有測距功能，能夠實時顯示物體接近探測器的距離，為了保證測量結果的準確性，要求測量周期在60ms 以上，以防止發射信號對回響信號的影響，且要求被測物體的面積不小于0.5m2，反射表面盡量平整。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.077