趙 凌

（鐵道警察學(xué)院治安系，鄭州，450053）

1 超聲波測距報警系統(tǒng)基本原理

超聲波是指頻率高于20000Hz 的機(jī)械波。為了實現(xiàn)超聲波回波測距，必須通過超聲波傳感器產(chǎn)生和接收超聲波。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)原理實現(xiàn)電能和超聲波能之間的相互轉(zhuǎn)化，即超聲波發(fā)射器是通過逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能，產(chǎn)生超聲波；而超聲波接收器是通過壓電效應(yīng)將超聲波能轉(zhuǎn)換為電能，接收超聲波。若超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波是以速度v(單位：m/s)在介質(zhì)中傳播，在有效防范區(qū)域內(nèi)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(jīng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，單片機(jī)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(shù)值在LCD 顯示屏上實時顯示,同時控制由發(fā)光二級管和蜂鳴器組成的聲光報警系統(tǒng)，使其以一定的頻率閃光并發(fā)出警報聲。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件電路

硬件電路的設(shè)計主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射與接收電路、聲光報警電路四部分。單片機(jī)采用STC89C52。采用12 MHz 高準(zhǔn)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(shè)置單片機(jī)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(jiān)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(fā)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(fā)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(xiàn)超聲波能和電能之間的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)超聲波的發(fā)射與接收的。將超聲波發(fā)射器安裝于J1 端，由單片機(jī)P27 端口以40kHz 的頻率輸出方波電信號，那么壓電晶體就會發(fā)生逆壓電效應(yīng)以相同的頻率進(jìn)行振動，實現(xiàn)電能向超聲波能的轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生超聲波，如圖3 所示；將超聲波接收安裝于J2 端，當(dāng)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(fā)生壓電效應(yīng)并以同頻率進(jìn)行振動，實現(xiàn)超聲波能向電能的轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生電信號，該電信號經(jīng)LM358 放大后送入LM567 進(jìn)行鎖相環(huán)檢波，那么單片機(jī)就可以檢測到一個接地方波。

圖3 超聲波發(fā)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(jī)輸出低電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器報警。如圖7 所示，光報警電路，當(dāng)單片機(jī)在對應(yīng)端口輸出低電平時，綠、黃、紅三種顏色的發(fā)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(jié)5 號電池組組成，C1、C2、C3、C4 起到穩(wěn)壓作用，按下開關(guān)SW1 電源接通，綠色發(fā)光二極管發(fā)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(jìn)入系統(tǒng)界面

按下電源開關(guān)，如圖11 所示，系統(tǒng)進(jìn)入初始化狀態(tài)，系統(tǒng)提示按下“確認(rèn)鍵”（LCD 屏下方自左向右第一個按鍵），系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)測模式。

圖11 系統(tǒng)進(jìn)入待命階段

圖12 系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)測模式

按下“確認(rèn)鍵”，如圖12 所示，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)測模式，系統(tǒng)開始布防，此時提示“物品安全”。

再次按下“確認(rèn)鍵”，如圖13 所示，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控范圍設(shè)置模式，LCD 屏下方自左向右第二、三個按鍵可增大或減少監(jiān)控區(qū)域的距離數(shù)值。

圖13 進(jìn)入監(jiān)控范圍設(shè)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(jiān)測

（1）如圖14 所示，有入侵者進(jìn)入防范區(qū)域，報警系統(tǒng)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(fā)聲（此時警戒距離為30-40cm）。

（2）如圖15 所示，有入侵者進(jìn)入防范區(qū)域，報警系統(tǒng)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(fā)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(jìn)入防范區(qū)域，報警系統(tǒng)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(fā)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(biāo)），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(fā)聲和不同顏色的發(fā)光二極管閃爍體現(xiàn)出來，從而有效提醒相關(guān)人員應(yīng)加強(qiáng)戒備及時應(yīng)對入侵；同時若入侵者發(fā)現(xiàn)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(tài)

按下自鎖式開關(guān)，接通電源，LCD 屏顯示系統(tǒng)最初始狀態(tài)“系統(tǒng)介紹 超聲波之監(jiān)測系統(tǒng) 可監(jiān)測三個可調(diào)區(qū) 按確認(rèn)鍵進(jìn)入系統(tǒng)”。

4.2 布防狀態(tài)

根據(jù)LCD 屏顯示的文字提示，按確認(rèn)鍵，即LCD 屏下方自左向右第一個按鍵，會聽到“嘀”的一聲，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控模式，即布防狀態(tài)。

4.3 設(shè)置狀態(tài)

再次按確認(rèn)鍵，進(jìn)入監(jiān)測范圍設(shè)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(diào)整三個監(jiān)測區(qū)域的距離數(shù)值。

4.4 回到布防狀態(tài)

監(jiān)測范圍調(diào)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(tǒng)重新進(jìn)入布放狀態(tài)，此時監(jiān)測范圍是調(diào)整后的范圍。

4.5 撤防狀態(tài)

再次按下自鎖式開關(guān)，電源關(guān)閉，系統(tǒng)進(jìn)入撤防狀態(tài)。

5 創(chuàng)新點

5.1 非接觸式報警

相比傳統(tǒng)的接觸式報警系統(tǒng)，該報警系統(tǒng)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(diào)監(jiān)測區(qū)

該報警系統(tǒng)監(jiān)測的是一個動態(tài)可調(diào)的防范區(qū)域，分為三個可調(diào)區(qū)，可以在最大有效距離內(nèi)任意調(diào)整三個監(jiān)測區(qū)域的距離數(shù)值，且數(shù)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(shè)計主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)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(jù)特殊的需求再稍加包裝即可大規(guī)模推廣應(yīng)用。

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