基于單片機的聲光報警系統的設計方案 - 全文

　　1 聲光報警系統基本原理

　　超聲波是指頻率高于20000Hz 的機械波。為了實現超聲波回波測距，必須通過超聲波傳感器產生和接收超聲波。超聲波傳感器是利用壓電效應和逆壓電效應原理實現電能和超聲波能之間的相互轉化，即超聲波發射器是通過逆壓電效應將電能轉換為超聲波能，產生超聲波；而超聲波接收器是通過壓電效應將超聲波能轉換為電能，接收超聲波。若超聲波發射器發出的超聲波是以速度v（單位：m/s）在介質中傳播，在有效防范區域內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：

　　系統結構框圖如圖1 所示，單片機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，并將該距離數值在LCD 顯示屏上實時顯示，同時控制由發光二級管和蜂鳴器組成的聲光報警系統，使其以一定的頻率閃光并發出警報聲。

　　圖1 系統結構框圖

　　2 系統硬件設計

　　2.1 硬件電路

　　硬件電路的設計主要包括單片機系統及顯示電路、超聲波發射與接收電路、聲光報警電路四部分。單片機采用STC89C52.采用12 MHz 高準確度的晶振，減小測量誤差。超聲波傳感器采用壓電式超聲波換能器，設置單片機端口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 STC89C52 主控電路

　　2.2.2 超聲波發射接收電路

　　壓電式超聲波換能器是通過壓電晶體的諧振來實現超聲波能和電能之間的轉換，從而實現超聲波的發射與接收的。將超聲波發射器安裝于J1 端，由單片機P27 端口以40kHz 的頻率輸出方波電信號，那么壓電晶體就會發生逆壓電效應以相同的頻率進行振動，實現電能向超聲波能的轉化，產生超聲波，如圖3 所示。

　　圖3 超聲波發射電路

　　將超聲波接收安裝于J2 端，當壓電晶體兩端沒有施加電信號，接收到超聲波信號時，壓電晶體就會發生壓電效應并以同頻率進行振動，實現超聲波能向電能的轉化，產生電信號，該電信號經LM358 放大后送入LM567 進行鎖相環檢波，那么單片機就可以檢測到一個接地方波。如下圖4所示。

　　圖4 超聲波接收電路

　　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5所示，聲報警電路選用壓電式蜂鳴器。單片機輸出低電平時，三極管導通，蜂鳴器報警。

　　圖5 聲報警電路

　　如圖6所示，光報警電路，當單片機在對應端口輸出低電平時，綠、黃、紅三種顏色的發光二極管以不同頻率閃爍。

　　圖6 光報警電路

　　2.2.5 電源電路

　　如圖7所示，電源VCC 由2 到4 節5 號電池組組成，C1、C2、C3、C4 起到穩壓作用，按下開關SW1 電源接通，綠色發光二極管發光。

　　圖7 電源電路

　　3 軟件方案

　　3.1 主程序

　　主程序流程圖如圖8所示。程序先進行初始化工作之后，按下確認鍵后，單片機發射方波，整個系統進入布放狀態，每次發射方波以后程序都會進入延時狀態，判斷是否接收到回波，也即是否發生了中斷，若有回波產生，則程序進入中斷服務程序，先關中斷，測算并讀取定時器時間t，由公式即可計算出入侵者的距離，并將該數值在LCD 屏上顯示，由于報警程序內置三個報警狀態，所以隨著入侵者入侵距離的迫近，蜂鳴器的“嘀嘀”聲和發光二極管的閃爍頻率會逐漸加快。