基于PIC单片机的超声测距报警系统设计.doc

基于PIC单片机的超声测距报警系统设计张运楚，李欣，张洋（山东建筑大学）摘要：本文介绍一种基于PIC16F877的超声测距系统，该系统可以做到入侵实时监测和报警，也可显示当前测量的距离。通过温度补偿和较高的发射驱动电压，以及软件滤波功能的实现，大大提高了测量的精准度。该系统可单独使用，也可和其他安防设备配合使用，为后续研发提供基础。关键词： 超声波测距；安防报警；PIC16F877AThe Design of Ultrasonic RangingAlarm System Based on PICLixin Yunchu,Zhang Zhangyang(Shan Dong Jian Zhu University)Abstract：Anultrasonicranging system based on PIC16F877A is introduced in this paper. This system can achievethe assignment of real-time monitoringandintrusionalarm, and also can displaythe current measure distance.With the help of the temperature compensation, highlaunch driving voltageand the function of software filter, we greatly improve the measurement accuracy. This system can beused alone or cooperate with othersecurity facilities, and also can provide the basisfor subsequentresearch and development.Key words: ultrasonic ranging; security alarm; PIC16F877A1 引言目前，常用于超声测距仪的非接触式检测方式主要有三种：超声波，激光和雷达。激光和雷达一般用于军事或特殊工业，造价很高，推广有一定难度；超声波测距与之相比，虽然在稳定性和精准度上存在一定差距，但它的优势也十分明显：价格低廉，设计简单，受外界环境的影响较小。特别是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，如倒车雷达和自动导航、液位测量、机器人视觉识别、工业自动控制、建筑工程测量等1。本文提出一种可用于安防系统的超声测距报警系统。2 超声测距工作原理超声换能器是超声测距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经过放大后送到测量电路，最终可以被记录或者现实2。本系统就是采用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。本系统采用第三种渡越时间检测法，也就是我们通常所说的时间差法，即超声波从发射到接受该时间段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引起。测量时间误差本系统主要是通过软件方面来进行修正和改善，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（）表1 温度与声速对应表3温度（）-20-1001020速度（m/s）319325332338344本系统采用DS18B20作为声速补偿的温度传感器，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，应用简洁方便，符合设计要求。但在软件设计时，要特别注意在总线读写或复位的过程中不能产生中断，防止温度读取错误。3 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4，强大的功能使设计更为简单、便捷。系统硬件框图如图1所示：图1 超声测距原理框图3.1超声波发射电路超声换能器的外加电压影响其内部压电陶瓷材料的电场强度，进而影响形变量，最终影响超声波的幅值，即超声波的能量。目前常用的一种方案是采用7404系列的反相器作为超声发射换能器的驱动芯片，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，本系统决定采用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强度，提高压电转换效率和外加电压的幅值。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左右，并且占空比也近似50%，不仅改善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。发射方案如图2所示。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。图2 超声测距系统发射电路3.2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调制正弦信号进行放大、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、频率锁定电路等输入到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、设计和焊接繁琐。为此本设计采用索尼公司的CX20106A红外遥控接收集成芯片，该芯片也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。CX20106A芯片的7引脚与PIC单片机的INT0相连接，没接收到超声波时，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相符的超声波时，便产生低跳变，输入到INT0作为外部中断信号。当检测到第一个下降沿时，便关闭定时器T1并读取T1的计数值，然后计算时间和距离。接受电路图如图3所示，图4为发射和接受时序图：图3 发射与接收时序图图4 发射与接收时序图3.3单片机外围电路如图5和图6所示，PIC单片机的外围电路包括电源、复位、晶振、测温、报警，以及数码管显示等部分。采用8MHz的晶振，使指令周期短至0.5us，提高了发射超声波定时的准确性；采用DS18B20单总线测温芯片，可对声速进行修正。单片机的RD0RD7控制数码管的七位段选，RC1RC3控制位选，以动态扫描的方式来显示测得的距离。如果测得的距离小于设定值，则认为有闯入者，可通过RC4控制的蜂鸣器进行报警。图5 超声测距系统外围电路图6 超声测距系统显示电路4 系统软件设计软件设计主要包括：主程序，测温修正声速子程序，中断子程序，滤波子程序，报警子程序和显示子程序等。开始工作后，主程序首先完成初始化设置和声速修正；然后进入超声波发射程序，完成对定时器T1设置后由PIC单片机产生40KHz的方波，遇到障碍物反射回来的超声波，被RX-40超声换能器转换为电信号输入到CX20106A，经过一系列的放大、滤波、整形，输入到外部中断INT0，进入中断子程序。在中断子程序中判定为外部中断时，则关闭T1定时器，读取计数值，跳出中断并进行距离计算。如此进行5次运算，再进入到滤波子程序进行均值滤波，以提高测量的精准度。得到的最终距离与提前设定的阈值进行比较，如果小于预定值则进入报警子程序，然后进入到显示子程序，否则直接进入显示子程序。在整个程序运行中，如果T1溢出，同样会进入到中断子程序，这时候则会重新运行程序。系统主程序及中断程序流程图如图7所示： 图7 系统主程序及中断程序流程图5结果分析为防止刚发射的超声波直接横向衍射到接受超声换能器，所以在发射完超声波后进行了延时，由此产生的误区大约为30cm。下表是探测结果和相对误差。表2 探测结果及误差分析实际距离/cm测量距离/cm相对误差%30-500512.0080080010010001201200150149-0.67200197-1.50250246-1.60300295-1.67400393-1.75500492-1.60由上表我们可以看出：近距离测得到距离比实际距离偏大，较远时测得的距离比实际距离偏小，中间部分测得的距离较为准确。近距离时，接受超声换能器接收到的超声波能量比远距离时要强很多，其内部振膜振幅大，转换成电信号速率快，而远距离部分转换速率慢，进而造成这种现象。误差产生原因是多方面的，如空气湿度、发射角度、程序延时、换能器振膜的位置等都会造成误差的产生。实验过程中，我们可以把测距仪安置在2m左右宽的走廊中，当有人经过时会造成探测距离小于预设值，系统便会自动报警，试验结果达到了预期目的。另一种报警思路是利用波形检测。图8为CX20106A芯片7引脚输出的波形图，周期性的发射序列超声波得到了一系列稳定的回波，我们可以以此作为检测手段，使房间或探测区域充满超声波，如果波形突然变得杂乱无序，我们就可以认为有探测区域出现异常情况。该方法可以和图像处理技术相结合做到自动检测报警，这也是下步研究方向。图8 处理后的回波波形图6 结束语与传统的超声测距系统相比，本文设计的超声测距系统不仅在精度和测量距离上有了很大的改善，而且硬件结构简单，工作稳定，可移植性好，应用在安防系统中具有很强的隐蔽性，能够准确的监测闯入者并报警。参考文献1 冯学齐.基于单片机的超声测距系统J.硅谷，2009(3)：30.2 王雪文，张志勇.传感器原理及应用M.北京：北京航空航天大学出版社，2004.3：286-287.3 姜道连，宁延一，袁世良.用AT89C2051设计超声波测距仪 J. 国外电子元器件，2000(12)：4.4 Microchip Technology Inc.PIC16F87XA Data Sheet(DS39582B-Page 232).2003.