基于单片机的声光报警系统的设计方案

1 声光报警系统基本原理

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 STC89C52 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。

图3 超声波发射电路

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。如下图4所示。

图4 超声波接收电路

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5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。

图5 声报警电路

如图6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 光报警电路

2.2.5 电源电路

如图7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7 电源电路

3 软件方案

3.1 主程序

主程序流程图如图8所示。程序先进行初始化工作之后，按下确认键后，单片机发射方波，整个系统进入布放状态，每次发射方波以后程序都会进入延时状态，判断是否接收到回波，也即是否发生了中断，若有回波产生，则程序进入中断服务程序，先关中断，测算并读取定时器时间t,由公式即可计算出入侵者的距离，并将该数值在LCD 屏上显示，由于报警程序内置三个报警状态，所以随着入侵者入侵距离的迫近，蜂鸣器的“嘀嘀”声和发光二极管的闪烁频率会逐渐加快。

图8 主程序流程图

3.2 功能显示