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(cè)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)定性和度上存在一定差距,但它在某些方面也具有優(yōu)勢(shì),如價(jià)格低廉,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(cè)距裝置在其檢測(cè)精度、手段和應(yīng)用范圍上都有了很大的提高,所以超聲測(cè)距的應(yīng)用范圍變得更加廣泛,倒車(chē)?yán)走_(dá)和自動(dòng)導(dǎo)航、液位測(cè)量、機(jī)器人視覺(jué)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(cè)距報(bào)警系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,檢測(cè)精度高,抗*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(cè)距報(bào)警原理
*是超聲測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)*的元器件之一,選擇合適的*對(duì)系統(tǒng)的性能有著重要的意義。目前zui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(guò)放大后送到測(cè)量電路,zui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(cè)距的系統(tǒng)原理方法一般包括三種:相位檢測(cè)法,聲波幅值檢測(cè)法和渡越時(shí)間檢測(cè)法。本系統(tǒng)采用渡越時(shí)間檢測(cè)法,也就是我們通常所說(shuō)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(cè)距離的2倍,所以:
其中:D--待測(cè)距離(m);c--聲波在該介質(zhì)中的速度(m/s);t--測(cè)得的時(shí)間差(s)。
由上式我們可以看出,測(cè)量誤差主要是由聲速誤差和測(cè)量時(shí)間誤差所引起的。本系統(tǒng)主要是通過(guò)軟件修正對(duì)測(cè)量時(shí)間誤差進(jìn)行改善,而聲速誤差則是通過(guò)溫度補(bǔ)償來(lái)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(guò)下式進(jìn)行修正:
其中,T為當(dāng)前環(huán)境溫度。
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
2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用Microchip公司的PIC16F877A芯片作為超聲測(cè)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(jiǎn)單、便捷。
圖1超聲測(cè)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(cè)量精度,使用電壓范圍寬,分辨率可調(diào),測(cè)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(jiǎn)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
*外加電壓的大小是決定探測(cè)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(chǎng)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(jiǎn)單,價(jià)格也很低,但它產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)峰峰電壓較低,zui高也僅有7v左右,大大縮短了探測(cè)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(lái)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(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)距離可達(dá)5m,占空比也近似50%,克服了探測(cè)距離近的缺點(diǎn),而且其他性能指標(biāo)*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(cè)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(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得,當(dāng)探測(cè)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(guò)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(cè)、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(cè)到有底跳變時(shí),把*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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(kāi)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(lái)便是通過(guò)讀取T1定時(shí)器的數(shù)值來(lái)計(jì)算測(cè)距時(shí)間和測(cè)量距離;得到正確的測(cè)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zui終的測(cè)量距離,以提高測(cè)距的度;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(guò)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(guò)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(xiě)或復(fù)位的過(guò)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(cè)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(cè)量距離和測(cè)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*,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(cè)量結(jié)果和相對(duì)誤差如表2所示。
表2探測(cè)結(jié)果及誤差分析
由表2我們可以看出:近距離測(cè)量比較準(zhǔn)確,但遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)較容易出現(xiàn)測(cè)量誤差。產(chǎn)生誤差的原因有很多,如聲速、空氣濕度、發(fā)射角度等,而換能器振膜的位置和電-機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換速率等誤差也是不可忽視的原因,這些誤差主要是通過(guò)多次測(cè)量不斷修改測(cè)量距離公式來(lái)進(jìn)行修正的。本文測(cè)距產(chǎn)生誤差的原因主要是超聲波在傳播的過(guò)程中的衰減和丟失。
超聲波報(bào)警方式主要有兩種:一種是通過(guò)軟件設(shè)置一個(gè)閾值與測(cè)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(guò)多普勒效應(yīng)波形檢測(cè),發(fā)射換能器發(fā)射超聲波后,在沒(méi)有移動(dòng)物體進(jìn)入被探測(cè)區(qū)域的情況下,反射回來(lái)的超聲波是等幅的;當(dāng)有活動(dòng)的物體進(jìn)入探測(cè)區(qū)域時(shí),反射回來(lái)的超聲波幅度不等,并且不斷變化,當(dāng)接收電路檢測(cè)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*種報(bào)警思路對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。我們把測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)安置在正對(duì)著辦公室門(mén)口的桌子上,系統(tǒng)穩(wěn)定后測(cè)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(cè)距離小于預(yù)設(shè)值,如果在預(yù)定的20s內(nèi)沒(méi)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、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(guò)短信的方式發(fā)送到手機(jī)客戶(hù)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(lèi)比為多普勒波形進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)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(mén)限會(huì)很快把輸出信號(hào)變?yōu)楦唠娖?,沒(méi)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(cè)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(guò)長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀察得知,在沒(méi)有移動(dòng)物體進(jìn)入探測(cè)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(cè)到的下降沿次數(shù)超過(guò)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(cè)距報(bào)警系統(tǒng)不僅在精度和測(cè)量距離上有了很大的改善,而且硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(méi)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(wèn)題。