基于PIC单片机的超声测距报警系统设计

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1、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；PIC16F877ATheDesignofUltrasonicRanging AlarmSystemBasedonPICLixinYunchu,ZhangZhangyang(ShanDongJianZhuU

2、niversity)Abstract：An ultrasonic rangingsystembasedonPIC16F877Aisintroducedinthispaper.Thissystemcanachieve theassignmentofreal-timemonitoring and intrusion alarm,andalsocandisplay thecurrentmeasuredistance. Withthehelpofthetemperaturecompensation,high launchdrivingvoltage andthefunct

3、ionofsoftwarefilter,wegreatlyimprovethemeasurementaccuracy.Thissystemcanbe usedaloneorcooperatewithother securityfacilities,andalsocanprovidethebasis forsubsequent researchanddevelopment.Keywords:ultrasonicranging;securityalarm;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

4、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,

5、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

6、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，

7、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

8、管这种方案