基于单片机的超声测距报警系统设计方案

随着智能建筑安防系统要求的不断完善和人们安全防范意识的不断提高，室内防盗已逐渐引起人们的注意。针对这种情况，本文设计了一种可用于室内防盗的超声测距报警系统。虽然与常用于军事或特殊工业的雷达和激光相比，超声波在稳定性和精准度上存在一定差距，但它在某些方面也具有优势，如价格低廉，设计简单，受外界环境的影响较小等。近几年随着微处理器的快速发展，超声波测距装置在其检测精度、手段和应用范围上都有了很大的提高，所以超声测距的应用范围变得更加广泛，倒车雷达和自动导航、液位测量、机器人视觉识别和建筑安防等。本文设计的基于PIC16F877A 的室内安防超声测距报警系统具有设计简单，检测精度高，抗干扰能力强，隐蔽性好等特点，并且在办公室进行了初步安装调试，试验结果达到了预期的目的。
　　1 超声测距报警原理
　　超声换能器是超声测距报警系统必备的元器件之一，选择合适的超声换能器对系统的性能有着重要的意义。目前最常用的是压电式超声波传感器，它是利用电致伸缩现象制成的，在压电材料切片上施加交变电压，使它产生电致伸缩振动而产生超声波，同样，当超声波作用到压电晶片上时使晶片伸缩，在晶片的两个界面上便产生交变电荷，这种电荷被转换成电压并经过放大后送到测量电路，最终可以被记录或显示。
　　本系统采用的是收发分离的压电式超声传感器TX40-16 和RX40-16。
　　超声测距的系统原理方法一般包括三种：相位检测法，声波幅值检测法和渡越时间检测法。本系统采用渡越时间检测法，也就是我们通常所说的时间差法，即超声波从发射到接收的时间段内所走的距离为待测距离的2 倍，所以：

　　其中：D--待测距离（m）；c--声波在该介质中的速度（m/s）；t--测得的时间差（s）。
　　由上式我们可以看出，测量误差主要是由声速误差和测量时间误差所引起的。本系统主要是通过软件修正对测量时间误差进行改善，而声速误差则是通过温度补偿来减小的。零度下声速大约为331.48m/s，其他温度下的声速我们可以通过下式进行修正：

　　其中，T 为当前环境温度。
　　温度与声速对应表如表1 所示。

表1 温度与声速对应表

　　2 系统硬件设计
　　本设计采用Microchip 公司的PIC16F877A芯片作为超声测距系统的主控芯片，该芯片具有丰富的I/O口资源、可配置不同的时钟频率、内置A/D 转换等优点，强大的功能使设计更为简单、便捷。

图1 超声测距原理框图

　　温度传感器采用DS18B20 芯片，该传感器具有单总线接口，±0.5℃的测量精度，使用电压范围宽，分辨率可调，测温范围宽，负压特性，数字转换迅速等特点，应用十分简洁方便，符合设计要求。DS18B20读取温度时，要关闭中断，否则可能造成温度读取错误。系统硬件框图如图1 所示。
　　2.1 超声波发射电路
　　超声换能器外加电压的大小是决定探测距离远近的一个重要因素。外加电压能影响换能器内部压电陶瓷材料的电场强度，进而影响振膜形变量和压电转换效率。目前常用的一种方法是采用7404 系列的反相器作为超声发射换能器的电压驱动芯片，尽管这种方案设计简单，价格也很低，但它产生的驱动峰峰电压较低，最高也仅有7v 左右，大大缩短了探测距离。针对这种情况，本文决定采用MAX232 代替反相器，以推挽的方式来增大超声发射换能器的发射驱动电压，提高压电转换效率。通过实验测的，MAX232 可将5v左右的TTL 电平转换成9.2v 左右的232 电平，峰峰值可达18.5v，探测距离可达5m，占空比也近似50%，克服了探测距离近的缺点，而且其他性能指标完全符合设计要求。本方案发送的超声波以10 个周期为一个序列，两个序列之间相隔32768us，即T1 定时器溢出的时间。当T1 溢出时，系统显示错误并重新发射超声波进入到下一次测量。系统发射电路如图2 所示。

图2 系统发射电路图

　　2.2 超声波接收电路
　　超声波在空气中传播时，能量会随着距离的增加而不断衰减。通过实验测得，当探测距离为1m 左右时，信号能量已经衰减到30mv 左右，我们需要把这个接收到的微弱的超声波正弦信号进行放大、滤波等处理，输入到PIC 的外部中断口，作为接收到回波的标志。通常的设计思路是首先采用LM 系列的放大器进行放大，然后经过滤波、频率锁定等电路输入到INT0 产生中断。该方法的优点在于可以锁定所需要的频率，防止外界其他频率的超声波的干扰，但缺点在于集成度不高，设计和焊接比较繁琐。为此本文采用索尼公司的CX20106A 红外遥控接收集成芯片，该芯片可用于超声波处理电路，它集成了放大、限幅、带通滤波、峰值检测、整形和比较等功能，具有很高的灵敏度和抗干扰性［5］.CX20106A 芯片的7 引脚与PIC单片机的INT0 相连接，未接收到超声波时，7 引脚输出4.1v 左右的高电平，不产生中断；当接收到与中心频率40KHz 相符或相近的超声波时，便产生低跳变。
　　当检测到有底跳变时，把第一个下降沿信号输入到INT0 作为外部中断信号，然后关闭定时器T1 并读取T1 的计数值，进行下一步的时间和距离计算。接收电路图如图3 所示，图4 为发射和接收时序图。