超声波安全防控自动报警装置系统方案

2008-04-02 00:00:00 来源:华南理工大学自动化系 责任编辑: boxer8888 收藏本文

    引言

    目前市场上报警装置五花八门，功能各异，但普遍存在价格高贵，功能不全等现象，不利于推广使用。在参考大量现有技术资料，并加以创新改进后，我们在超声波安防报警装置方面做了新的突破。所研制的超声波安全防控自动报警装置采用转动探头，灵活性大，使防控空间扩展到360度大范围，且可以根据实际情况调整防控距离(3m/4m/5m)、旋转角度(0~360度)、倾斜角度(0~90度)，使之能够适应不同的环境。此外该装置体积小，隐蔽性好(两个探头的大小是1cm×1.5cm×1.5cm)，电路板则可隐入墙体或其他固定物体。由于采用抗干扰设置，只有主频与之相近的发射超声波才能得到响应，其他频率的超声波不会使之产生错误报警，这样也为多个报警器同时使用而互不影响提供了可能。总之，该装置电路简单，成本低，功能齐全，性价比高。

    系统设计

    根据超声波遇到障碍物反射的特性，在有外物闯入规定的报警范围内，超声波反射回来的周期将会发生变化，由单片机8051组成的接收电路识别后自动报警。利用声波传播公式：

    s=ct/2

    式中是空气中声速和温度的关系，取室温T=20℃，则c=343.3m/s，从而可以得出障碍物的距离S。本装置利用脉冲超声波信号，通过周期性测量得出最近障碍物距离，与已定制的报警距离比较后决定是否实行报警。超声波测距原理如图1所示。    

超声波测距原理

    发射部分

    超声波发射部分利用两个555定时器组成间歇式振荡器，其中电源电压VCC为12V(图2)，并且由低频振荡器控制高频振荡器，高低两种频率分别为20Hz和40KHz。超声波发射探头MA40EIS接到间歇式振荡器上，经过换能器将振荡电信号转变为声信号，即发射出40KHz的超声波，其有足够功率传播10m以上。    

发射电路

    我们所采用的脉冲式发射40KHz超声波，每一个脉冲约有10个波峰(如图1右)，即每个脉冲的持续时间约是0.25ms。根据试验可知脉冲峰数在8-10个比较合适。因为数量过少，发射头发射强度小，容易由外界原因造成波形缺失，而数量过多，则使整串波的长度不容忽视，而且在反射时整串波的前段可能被衰减，因此很难辨别回波是整串波的前段还是后段，这在距离稍远的时候表现明显，而在近距离时，信号尚未发射完毕，回波已经到达接收端，这也严重影响测距。在每个脉冲发出之后会暂停一段时间，使每个脉冲周期达到约50ms，这样就可以保证在暂停的时间里接收到对应的脉冲信号或者什么都没有接收到，不会出现刚发出后面的信号而收到前面的信号，因为超声波在空气中传播50ms后已经微乎其微，不可能接收到了。这样各个脉冲信号之间互不影响。每当单片机的端口输入高电平时，就会触发单片机计时器开始计时。

    接收部分

    超声波的接收部分是由超声波接收探头MA40EIR，放大电路、检波电路、滤波电路和选频电路组成(如图3所示)。当超声波探头接收到超声信号后，超声信号经过换能器从声信号转变为电信号，然后电信号经过放大，检波，滤波和选频作用，达到足够增益和较低噪声的理想状态。最后的输出端是三级管非门电路，并且连接到单片机上。当没有接收到信号时，即输入为低电平时，三极管截止，输出为VDD5V的高电平；当接收到信号时，即输入为高电平时，三极管工作在深度饱和状态，输出为低电平。这时由于电平的改变，触发单片机的计时器停止工作，得出超声波传播时间。    

接收电路

[NextPage]    放大电路是为了让长距离传播已变得相当微弱的信号得到足够增益；滤波、检波电路主要作用是滤除低压电流中的杂波，有效地抑制干扰噪声和同相的干扰信号。选频电路顾名思义就是选择主频与之相近的超声波才能得到响应，即使接收到其他频率的超声波也不会使之产生错误报警。本装置的选频电路是选出38KHz~42KHz的超声波。因为我们必须考虑进多普勒效应，在38KHz~42KHz的范围内，即不明物体以相对于发射探头正负10米以内的速度进入监控范围都会产生报警响应。这也为多个报警装置进行互不干扰地工作提供了可能性。

    单片机设计

    本装置利用单片机来实现报警判断功能，单片机选用8051，经济易用，便于编程。电路接线图如图4所示。    

电路接线图

    当装置电源接通，开始发射脉冲式声波时，单片机由于连接“发射信号输入”的端口P3.2接收到中断信号而触发单片机计时器开始计时。超声信号发送完毕，延时1MS避开盲区后使装置处于待接收状态。当接收到超声波返回信号时，接收部分三极管U7输出端从高电平变为低电平时，通过“接收信号输入”端口P3.3触发单片机转入外部中断子程序，实现结束计时，并将实际定时时间与各种报警距离对应的预先设定报警时间进行比较，若小于相应预设报警时间就自动拨号报警，否则返回等待定时溢出，重复循环。下一个脉冲周期时，又开始重新计时，如此反复。流程图中延时1ms才开中断端口P3.3主要是要避免接收探头直接收到发射探头发出的信号，剔除这种干扰信号。主程序的流程图如图5所示。    

 

主程序的流程图

    为了适应各种不同的需要，本装置设定了三种不同的报警距离，分别为3米，4米和5米。它们对应的报警时间由公式t=2s/c可推得(s为预设的报警距离，c为室温时的超声波在空气中传播速度)。三种报警距离互不干扰，独立报警，只要接收部分接上对应的报警距离接头就会产生相应的报警防控范围。

    机械转动部分

    两种最优方案的主要区别在机械转动部分，在实际应用中可以根据实际情况来选择。下面将具体介绍机械转动部分以及两种方案的不同点和各自的优势。

    采用机械转动改变了传统的点对点或者点对面的小范围监控，通过转动来进行360度扫描监控，实现点对体的大范围监控。还可以根据实际情况需要，在0~360度中选取一个范围来监控。又使超声波探头的倾斜度可在0~90度范围内调整，由此改变监控高度，实现从高到低地扫描监控。我们所用的转动带动器是新加坡产的可调频率马达MMI-6S2L(体积是2cm×2cm×2cm),使用的是12V直流电压，无噪音。装置每秒钟转动两周，即2Hz。通过计算可知在声波传播到5米的地方往返一次所用的时间内，探头转动约20度。为此安装探头时让发射和接收两个探头分开一个小角度，加上探头宽度，则很容易达到20度的转角。根据实际的情况和环境，可以做出不同的范围和角度调整。我们选择的两种最优方案如下：

    方案一

    超声波探头在360度范围内转动工作，倾斜度约50度，主要适用于大范围的监控。假如为室内监控，即可安装在天花板中间位置，则实际监控范围最大能达到高3米，半径4米。此方案的特点是监控范围大，效率高，但需通过外观设计和天花板改造等提高其隐蔽性。

    方案二

[NextPage]    超声波探头只是在60度的范围内转动工作，倾斜度约50度。这个方案适用于安装在墙角等隐蔽地方，最大可达到高3米，半径4米，弧度为90度的有效监控。这个方案比较不错，不仅隐蔽性好，监控范围也不小。与方案一相比，方案二只要增加一个由555组成的可控方波发生器，并且调整其占空系数为17％即可。但安装时需要调整该方波发生器的周期和马达的周期一致。

    自动报警部分

    当探头探出有不明物体或人闯入监控范围时，单片机就会把指令传给自动报警部分，报警器开始工作。因为我们往往是没有人在现场看护的情况下才要启动这个超声波安全防控装置。故我们认为单单发出警铃等声音来吓唬侵犯者是不足够的，而且警铃装置可能会让侵犯者在短时间内还没有引起人们注意时被破坏掉。而我们研制的装置的自动报警部分是由自动拨打110报警电话系统组成的，不会引起侵犯者的注意而自动报警，让警察有时间包围现场，来个瓮中捉鳖，人赃俱获。

    本自动报警系统原理是经单稳态触发器带动继电器J(改装在电话机中)，该继电器J有三对常开触点：J1用于模拟摘机，把它连到电话叉簧开关上；J2用于事先拨打的存储器号码110，并把它连到定时器和重拨键(REDIAL)上；J3用于开启随录随放语言模块。图6所示自动报警过程如下：当发生盗贼进入监控范围时，单片机输出指令使单稳态触发器带动继电器J开始工作。首先是J1闭合，电话摘机，同时J2闭合，自动拨出110，由于J3与J1，J2是同时闭合的，语音模块也已经开始工作，所以当拨出的110报警电话接通后，就能听到语音模块一遍又一遍地发出事先录进去的语段，如发案地点、具体门牌号及“我家有贼”、“我店有贼”等语音信号。定时器的作用是防止电话占线，每隔一段时间就会重拨一次，直到有人来把自动报警系统复位，使之又处于待报警状态。 

 

自动报警系统原理

    用于改造的电话必须是具有存储健和重拨键的电话，不能用免提电话，以免摘机后发出音响惊动侵犯者。存储的电话号码，除110外，也可以是物业管理公司保安部、工作单位保安部等安全管理部门的电话。还有要注意的是监控现场有工作人员或其他非监控对象时要断开控制开关，以免错误报警。

    结语

    本装置原理简单，效果显著，能够实现大范围的监控，并且能通过调整来适应不同的环境，抗干扰和隐蔽性都不错，还有实用的自动拨号报警功能。下一步我们努力的方向是：提高工作精度，减少误差，减小体积。我们将寻找代替接收部分放大，检波，滤波等功能的集成IC块，如LM1808，LM1812,SB5027等，这样不仅可以减小体积，提高精度，还可以减少调试难度。此外，在制作技巧方面会加以改进，在外观设计方面也加以包装，以提高灵活性和隐蔽性，方便推广。