超声波接近探测器的设计

王艳秋

超声波接近探测器的设计

王艳秋

王艳秋 杨秀清 裴春梅 韩 伟 张艾迪

北京电子科技职业学院电信工程学院

本设计采用HC-SR04超声波测距模块组成接收和发送网络，通过STC12C5A80S2单片机采集超声波测距模块的信号，并对接近距离进行判断，从而控制指示灯和扬声器发出三级声光报警。

这种超声波接近探测器，可以应用在多种场合，例如应用在产品的展台上，当有参展者对产品感兴趣而接近展台时，可自动播放相关产品的音频或视频介绍，以助于参展者更详细的了解产品信息。此探测器也可以用在防止闲人接近的安防或安全场所。另外，此探测器还可以安装在各种宠物的身上，当宠物冲撞陌生人时，接近探测器能够发出声光报警，以提醒宠物主人做出快速反应。

探测器硬件电路总体设计

探测器电路总体设计

本设计的探测器硬件电路框图如图1所示。

图1 探测器硬件电路框图

本设计采用了STC12C5A 系列单片机的STC12C5A80S2，该单片机具有高速、低功耗、超强抗干扰的特点，指令代码与8051完全兼容，但速度要快8～12倍。

探测器硬件电路包括晶振电路、复位电路、状态指示电路。电路板采用单+5V 供电。报警电路包括声报警电路和光报警电路。声报警电路由单片机IO口经三极管驱动一个直流蜂鸣器组成，光报警电路由单片机IO口经三极管驱动一个直径为φ10的红色发光二极管构成。采用四位一体数码管显示距离值。采用P0口作为数码管的段驱动，并使用74HC245 增强驱动能力；使用P2口的4个引脚作为每个数码管的COM，并使用三极管增强驱动能力。在显示时，四个数码管轮流显示，只要帧刷新频率不低于50Hz，由于人眼的视觉暂留，看起来就好像是显示了一帧完整的数据。RS232 串口电路采用MAX232芯片把单片机的UART 口转换为RS232 串口电路。超声波传感器的回波信号接到单片机的P13 管脚，该管脚具有捕获功能，在软件设计中采用捕获的方式得到回波信号的宽度，并计算出距离。

超声波采集模块

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，它具有碰到杂质或分界面会产生反射回波的特点。

本设计采用的超声波传感器是HC-SR04超声波测距模块，该模块能够测量非接触式的距离，测量的距离范围为2cm～400cm，测量精度为3mm。该模块包括超声波发射器、接收器与控制电路，模块供电电压为+5V，采用4 针引脚的接口端子。该模块引脚VCC引脚、GND引脚、触发信号输入引脚和回响信号输出引脚。

HC-SR04超声波测距模块的工作时序如图2所示。

图2 HC-SR04超声波测距模块的工作时序图

根据工作时序图，通过在触发信号输入引脚接入超过10µs的高电平信号，从而引起模块内部CPU 循环发出8个40KHz的脉冲信号，该脉冲信号驱动超声波发射传感器发出超声波信号；发出的超声波信号被反射物体反射回来，超声波接收传感器接收反射回来的回波信号，但是该回波信号非常微弱，因此要通过放大、滤波；模块在发出超声波信号和检测到回波信号的这段时间内，回响信号输出引脚输出高电平，高电平持续的时间与检测距离成正比，因此可以根据高电平持续的时间长度和声音在空气中的传播速度计算出与被测物体到模块之间的距离。

探测器的使用

这种超声波接近探测器，可以应用在产品的展台上、安全场所、宠物身上，当有物体接近时，接近探测器能够发出声光报警。此外，此探测器还具有测距功能，能够实时显示物体接近探测器的距离，为了保证测量结果的准确性，要求测量周期在60ms 以上，以防止发射信号对回响信号的影响，且要求被测物体的面积不小于0.5m2，反射表面尽量平整。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.077