基于單片機的超聲測距報警系統設計方案

　　軟件設計主要包括：主程序，測溫修正聲速子程序，中斷子程序，濾波子程序，報警子程序和顯示子程序等。

　　系統開(kāi)始工作后，首先完成系統初始化；緊接著(zhù)是對聲速進(jìn)行修正，得到當前溫度下的聲速；然后對定時(shí)器T1 進(jìn)行設置，并由PIC 單片機產(chǎn)生40KHz 的方波；接下來(lái)便是通過(guò)讀取T1 定時(shí)器的數值來(lái)計算測距時(shí)間和測量距離；得到正確的測量距離便采用數組的方式進(jìn)行記錄，數組元素個(gè)數為11,采用冒泡法進(jìn)行排序，取中間值作為最終的測量距離，以提高測距的精準度；下一步便是判定是否符合報警條件，如果符合條件便報警，然后通過(guò)數碼管顯示距離，不符合報警條件則直接顯示距離。在程序運行過(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算時(shí)間和距離；如果是T1 溢出中斷，則對T1 進(jìn)行清零，系統重新發(fā)射超聲波。系統主程序及中斷程序流程圖如圖7 所示。

圖7 系統主程序及中斷程序流程圖。

　　在軟件設計時(shí)，要特別注意避免在DS18B20 總線(xiàn)讀寫(xiě)或復位的過(guò)程中產(chǎn)生中斷，防止溫度讀取錯誤。

　　系統每計算完一次時(shí)間和距離時(shí)都要對定時(shí)器T1 清零，否則下一次測量會(huì )造成數據不準確。

　　4 實(shí)驗結果及分析

　　本文首先對測量距離和測量結果進(jìn)行了驗證和分析。發(fā)射換能器剛發(fā)射的超聲波可能會(huì )直接橫向發(fā)射到接收超聲換能器，所以在發(fā)射完超聲波后進(jìn)行延時(shí)，由此產(chǎn)生的盲區大約為10cm.測量結果和相對誤差如表2 所示。

表2 探測結果及誤差分析

　　由表2 我們可以看出：近距離測量比較準確，但遠距離測量時(shí)較容易出現測量誤差。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-機械信號轉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)多次測量不斷修改測量距離公式來(lái)進(jìn)行修正的。本文測距產(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。

　　超聲波報警方式主要有兩種：一種是通過(guò)軟件設置一個(gè)閾值與測的距離進(jìn)行比較，如果不符合確定的定義則報警。另一種是通過(guò)多普勒效應波形檢測，發(fā)射換能器發(fā)射超聲波后，在沒(méi)有移動(dòng)物體進(jìn)入被探測區域的情況下，反射回來(lái)的超聲波是等幅的；當有活動(dòng)的物體進(jìn)入探測區域時(shí)，反射回來(lái)的超聲波幅度不等，并且不斷變化，當接收電路檢測到變化的信號時(shí)，控制電路便驅動(dòng)報警裝置進(jìn)行報警。

　　本文首先按照第一種報警思路對系統進(jìn)行了設計。我們把測距報警系統安置在正對著(zhù)辦公室門(mén)口的桌子上，系統穩定后測的距離為188,我們設定的閾值為200,當有人進(jìn)入便造成探測距離小于預設值，如果在預定的20s 內沒(méi)有取消報警設置時(shí)，系統便會(huì )自動(dòng)報警。試驗結果表明，系統反應靈敏、精準度高，誤報率低于1%,符合設計要求。下一步工作我們可以把產(chǎn)生的報警信號通過(guò)短信的方式發(fā)送到手機客戶(hù)端或者防務(wù)人員信息端。

　　針對第二種報警方式，我們把CX20106A 輸出電平信號變化類(lèi)比為多普勒波形進(jìn)行檢測。通過(guò)試驗得知：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，其內部的上拉門(mén)限會(huì )很快把輸出信號變?yōu)楦唠娖?，沒(méi)有活動(dòng)物體便一直維持在低電平。因此，本系統便采用該種方式發(fā)送超聲波，圖8 為穩定后的輸出電平，圖9 為人員進(jìn)入探測區域走動(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(cháng)時(shí)間實(shí)驗結果觀(guān)察得知，在沒(méi)有移動(dòng)物體進(jìn)入探測區時(shí)，平均每小時(shí)大約有10 次低電平跳變，誤報率很低，所以采用短時(shí)間間隔取樣的方式，這樣出現誤報為小概率事件。設定取樣間隔為2s,采用外部中斷計算產(chǎn)生低脈沖數目，如果檢測到的下降沿次數超過(guò)10 次，則可以認為有移動(dòng)物體，系統會(huì )進(jìn)行報警，否則一直循環(huán)采樣比較。

　　5 總結

　　與傳統的超聲報警系統相比，本文設計的超聲測距報警系統不僅在精度和測量距離上有了很大的改善，而且硬件結構簡(jiǎn)單，工作穩定，可移植性好，應用在安防系統中具有很強的隱蔽性，能夠較為準確的識別闖入者并報警，達到了預期結果。同時(shí)本系統也存在一些不足，譬如：沒(méi)有設置手機短信報警模塊，如何和其他安防設施配合使用等，在下一步的研究工作中會(huì )著(zhù)重解決這些問(wèn)題。

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