基于超声波传感器的测距报警系统设计

赵 凌

（铁道警察学院治安系，郑州，450053）

1 超声波测距报警系统基本原理

超声波是指频率高于20000Hz 的机械波。为了实现超声波回波测距，必须通过超声波传感器产生和接收超声波。超声波传感器是利用压电效应和逆压电效应原理实现电能和超声波能之间的相互转化，即超声波发射器是通过逆压电效应将电能转换为超声波能，产生超声波；而超声波接收器是通过压电效应将超声波能转换为电能，接收超声波。若超声波发射器发出的超声波是以速度v(单位：m/s)在介质中传播，在有效防范区域内遇到被测物体超声波受到反射，被超声波接收器接收，传播经历的时间为t（单位：s），那么可以计算出入侵者与防范物体之间的距离s（单位：m），公式为：

系统结构框图如图1 所示，单片机按照晶振电路给出的时钟时序下接收来自超声波传感器输出的入侵者距离电信号，并将该距离数值在LCD 显示屏上实时显示,同时控制由发光二级管和蜂鸣器组成的声光报警系统，使其以一定的频率闪光并发出警报声。

图1 系统结构框图

2 系统硬件设计

2.1 硬件电路

硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射与接收电路、声光报警电路四部分。单片机采用STC89C52。采用12 MHz 高准确度的晶振，减小测量误差。超声波传感器采用压电式超声波换能器，设置单片机端口P2.7 输出超声波换能器所需的40 kHz 的方波信号，端口P3.2 监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用KXM12864M 显示屏。声光报警电路由发光二极管和蜂鸣器组成。

2.2 各主要模块的硬件

2.2.1 STC89C52 主控电路

图2 主控电路

2.2.2 超声波发射接收电路

压电式超声波换能器是通过压电晶体的谐振来实现超声波能和电能之间的转换，从而实现超声波的发射与接收的。将超声波发射器安装于J1 端，由单片机P27 端口以40kHz 的频率输出方波电信号，那么压电晶体就会发生逆压电效应以相同的频率进行振动，实现电能向超声波能的转化，产生超声波，如图3 所示；将超声波接收安装于J2 端，当压电晶体两端没有施加电信号，接收到超声波信号时，压电晶体就会发生压电效应并以同频率进行振动，实现超声波能向电能的转化，产生电信号，该电信号经LM358 放大后送入LM567 进行锁相环检波，那么单片机就可以检测到一个接地方波。

图3 超声波发射电路

2.2.3 显示电路

显示电路采用KXM12864M 型LCD 显示屏。

2.2.4 声光报警电路

如图6 所示，声报警电路选用压电式蜂鸣器。单片机输出低电平时，三极管导通，蜂鸣器报警。如图7 所示，光报警电路，当单片机在对应端口输出低电平时，绿、黄、红三种颜色的发光二极管以不同频率闪烁。

图6 声报警电路

图7 光报警电路

2.2.5 电源电路

如图8 所示，电源VCC 由2 到4 节5 号电池组组成，C1、C2、C3、C4 起到稳压作用，按下开关SW1 电源接通，绿色发光二极管发光。

图8 电源电路

3 软件方案

3.1 主程序

图10 主程序流程图

3.2 功能显示

3.2.1 进入系统界面

按下电源开关，如图11 所示，系统进入初始化状态，系统提示按下“确认键”（LCD 屏下方自左向右第一个按键），系统进入监测模式。

图11 系统进入待命阶段

图12 系统进入监测模式

按下“确认键”，如图12 所示，系统进入监测模式，系统开始布防，此时提示“物品安全”。

再次按下“确认键”，如图13 所示，系统进入监控范围设置模式，LCD 屏下方自左向右第二、三个按键可增大或减少监控区域的距离数值。

图13 进入监控范围设置模式

图14 超声波测距范围在30-40cm

3.2.2 入侵者距离实时监测

（1）如图14 所示，有入侵者进入防范区域，报警系统启动，超声波传感器测出的距离为33 cm，绿色LED 灯和蜂鸣器以较慢的频率闪光和发声（此时警戒距离为30-40cm）。

（2）如图15 所示，有入侵者进入防范区域，报警系统启动，超声波传感器测出的距离为24 cm，黄色LED 灯和蜂鸣器以较快的频率闪光和发声（此时警戒距离为20-30cm）。

图15 超声波测距范围在20-30cm 20cm

图16 超声波测距范围小于

（3）如图16 所示，有入侵者进入防范区域，报警系统启动，超声波传感器测出的距离为11 cm，红色LED 灯和蜂鸣器以更快的频率闪光和发声（此时警戒距离为10-20cm）。

由上述可知，随着入侵者不断接近超声波传感器（或防范目标），声光报警装置的警报信号会在三种不同的频率下通过蜂鸣器的发声和不同颜色的发光二极管闪烁体现出来，从而有效提醒相关人员应加强戒备及时应对入侵；同时若入侵者发现警报信号，对其入侵行为也是一种威慑。

4 操作步骤

4.1 初始状态

按下自锁式开关，接通电源，LCD 屏显示系统最初始状态“系统介绍 超声波之监测系统 可监测三个可调区 按确认键进入系统”。

4.2 布防状态

根据LCD 屏显示的文字提示，按确认键，即LCD 屏下方自左向右第一个按键，会听到“嘀”的一声，系统进入监控模式，即布防状态。

4.3 设置状态

再次按确认键，进入监测范围设置模式，即按下LCD 屏下方自左向右第二个和第三个按键，可以调整三个监测区域的距离数值。

4.4 回到布防状态

监测范围调整完毕，按返回键，即按下LCD 屏下方自左向右第四个按键，系统重新进入布放状态，此时监测范围是调整后的范围。

4.5 撤防状态

再次按下自锁式开关，电源关闭，系统进入撤防状态。

5 创新点

5.1 非接触式报警

相比传统的接触式报警系统，该报警系统采用超声波测距非接触式报警方式，可以为防范对象在空间方面提供最大限度的安全保障。

5.2 三个可调监测区

该报警系统监测的是一个动态可调的防范区域，分为三个可调区，可以在最大有效距离内任意调整三个监测区域的距离数值，且数值可以精确到厘米。

5.3 装置体积小，易安装

装置体积约400cm3，占有的空间较小，安装方便、隐蔽，基本不受安装条件限制。

5.4 成本低，易推广

硬件电路的设计主要由单片机系统及显示电路、超声波发射与接收电路、声光报警电路四部分，电路简易，成本价格为50～60 元人民币，低廉的价格，根据特殊的需求再稍加包装即可大规模推广应用。

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