李錦廷，荀延龍

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010080）

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，安保系統(tǒng)越來越受到人們的重視。在電子科技快速發(fā)展的大背景下，利用超聲波感測的安保系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣。超聲波具有指向性好、功耗小、對(duì)玻璃等介質(zhì)穿透性不強(qiáng)等特點(diǎn)，而利用超聲波測距的安保系統(tǒng)成本較低，不受光線以及被測物體的顏色影響，并且超聲波在空氣中的傳播速度較慢，這樣誤差較小，分辨率較高，同時(shí)，超聲波傳感器體積小，整個(gè)系統(tǒng)集成化程度高，適合一些需保密探測的安保場合。利用超聲波測距的安保系統(tǒng)方便、體積小、成本低，因此被廣泛應(yīng)用。作者在對(duì)基于超聲波測距的安保系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和測試后，在探測距離、被測物體移動(dòng)速度、探測角度以及環(huán)境溫度和環(huán)境風(fēng)速等因素對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響進(jìn)行了分析，使基于超聲波測距的安保系統(tǒng)在應(yīng)用價(jià)值上有更加深入的研究，為后續(xù)該系統(tǒng)的改進(jìn)以及應(yīng)用提供一定的借鑒意義。

1 安保系統(tǒng)工作原理及硬件設(shè)計(jì)

基于超聲波感測的安保系統(tǒng)，主要是利用了超聲波測距原理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。當(dāng)進(jìn)入安保狀態(tài)時(shí)，裝置檢測范圍內(nèi)將禁止閑雜人員進(jìn)入，此時(shí)裝置檢測到的距離是固定的，當(dāng)有任何侵入物進(jìn)入到檢測范圍后，安保裝置檢測到距離變化超過10 cm（考慮到人身體的實(shí)際厚度和寬度，此距離可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)）后，安保裝置選擇進(jìn)行聲光報(bào)警；當(dāng)業(yè)主進(jìn)入安保裝置保護(hù)范圍時(shí)，可以通過開關(guān)控制安保裝置取消安保狀態(tài)。

整個(gè)安保系統(tǒng)由超聲波感測模塊、數(shù)碼顯示模塊、信息處理模塊以及報(bào)警模塊組成。測距模塊負(fù)責(zé)超聲波的收發(fā)，控制模塊用與整個(gè)裝置的協(xié)調(diào)和控制，因?yàn)闇y距傳感器是集成模塊所以與控制模塊連接時(shí)不用進(jìn)行信號(hào)的調(diào)理；鍵盤模塊是用來設(shè)置檢測距離閾值、身體厚度閾值等參數(shù)和復(fù)位、解除安保等控制命令之用；報(bào)警模塊是當(dāng)檢測到入侵后通過驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的警燈閃爍和警報(bào)鳴叫信號(hào)；顯示模塊是用于實(shí)驗(yàn)過程中測試之用，后來考慮在非報(bào)警用途以外可以用于家庭中的一般簡單測距使用故予以保留。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

超聲波感測模塊使用HC-SR04，其具有使用簡單、工作可靠的特點(diǎn)。控制芯片使用STC89C52RC，這款單片機(jī)是由宏晶科技推出的一款單片機(jī)，工作頻率為0～40 MHz，具有成本低、低功耗、抗靜電（ESD保護(hù)）的特點(diǎn)。

系統(tǒng)的工作過程是：首先由單片機(jī)給超聲波測距模塊一個(gè)10 μs的高電平，并且單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器開始計(jì)時(shí)。超聲波測距模塊在接收到這10 μs的高電平后，會(huì)在發(fā)射端發(fā)出8個(gè)40 kHz的方波，并且會(huì)在信號(hào)回送端口給單片機(jī)發(fā)送一段持續(xù)的高電平。當(dāng)發(fā)送出去的超聲波遇到障礙物后被反射回來，測距模塊的接收端口接收到后，則給單片機(jī)的高電平停止，單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器停止工作，進(jìn)而根據(jù)接收和發(fā)射時(shí)刻間的時(shí)間差和超聲波傳播速度的乘積來計(jì)算傳感器與反射障礙物之間的距離。當(dāng)該距離是固定的（此距離設(shè)定為報(bào)警閾值），則說明沒有侵入物，則不報(bào)警；反之，而當(dāng)探測傳感器與反射障礙物之間侵入了外來物體，從而使得探測距離變小，單片機(jī)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，隨后會(huì)觸發(fā)報(bào)警器，報(bào)警器報(bào)警。同時(shí)單片機(jī)會(huì)將測得的距離通過數(shù)碼管顯示出來。

2 安保系統(tǒng)可靠性分析

2.1 探測距離與誤差

HC-SR04的技術(shù)手冊(cè)標(biāo)稱其最大可探測距離為470 cm，最小探測距離為2 cm，在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)實(shí)際測試過程中，發(fā)現(xiàn)而其可靠探測的最大距離為380 cm，最小距離為2 cm，如表1所示。

表1 安保系統(tǒng)實(shí)測數(shù)據(jù)

在可靠探測距離內(nèi)，報(bào)警系統(tǒng)可以有效進(jìn)行測距報(bào)警，若超出這個(gè)距離，則系統(tǒng)有時(shí)無法進(jìn)行有效測距，進(jìn)而無法進(jìn)行可靠工作。當(dāng)然，這與報(bào)警系統(tǒng)所使用的測距模塊有關(guān)，此報(bào)警系統(tǒng)只是用一個(gè)簡單型號(hào)進(jìn)行了可靠性實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際應(yīng)用中，有可靠性更好，精度高，探測距離遠(yuǎn)的測距模塊，鑒于實(shí)驗(yàn)條件所限，無法進(jìn)行實(shí)測。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以根據(jù)安保裝置保護(hù)空間的大小，通過選擇不同的檢測傳感器而予以調(diào)整，進(jìn)而保證實(shí)踐中最佳的安保效果。

在實(shí)測過程中，對(duì)測得的距離用直尺測量實(shí)際距離和安保裝置測試顯示距離進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)報(bào)警系統(tǒng)測得的距離與實(shí)際距離存在一定的誤差，且通過繪制的折線圖發(fā)現(xiàn)，隨著距離的增加，誤差也隨著增大，如圖2所示。

圖2 探測距離與誤差關(guān)系

所以隨著探測距離的增加，其可靠性也會(huì)下降，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況控制探測距離，并且可以選擇器件使得誤差變小，另外，從測得的誤差值可以發(fā)現(xiàn)，雖然系統(tǒng)有誤差但是能夠滿足10 cm的閾值要求。

2.2 對(duì)被測物體移動(dòng)速度的測量

對(duì)于安保系統(tǒng)來說，被測物體的移動(dòng)速度也是一個(gè)重要的測試指標(biāo)。假如物體移動(dòng)速度過快，導(dǎo)致傳感器無法有效捕捉反射信號(hào)，則安保系統(tǒng)的可靠性就會(huì)下降。通過對(duì)基于超聲波感測的安保系統(tǒng)進(jìn)行測量，設(shè)置100 cm為報(bào)警距離，讓物體以不同速度通過報(bào)警裝置，觀察報(bào)警裝置是否報(bào)警。若物體移動(dòng)速度過快時(shí)，報(bào)警裝置無法捕捉有效信號(hào)，裝置不報(bào)警。只有當(dāng)物體在報(bào)警裝置感應(yīng)區(qū)內(nèi)有效停留0.5秒，或者物體移動(dòng)速度小于0.15 m/s時(shí)，報(bào)警裝置可以報(bào)警，實(shí)測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 物體移動(dòng)速度測量

所以，對(duì)于安保系統(tǒng)來說，若人或物體的移動(dòng)速度過快，安保系統(tǒng)可能不會(huì)報(bào)警。若單一的增加控制芯片的工作頻率，例如提高單片機(jī)的晶振頻率，從而提高安保系統(tǒng)的靈敏度，但是，這樣會(huì)使控制芯片不能可靠工作，進(jìn)而影響安保系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)我們也可以換個(gè)思路，改變基于超聲波感測的安保系統(tǒng)的應(yīng)用場合，對(duì)某一特定的貴重物品進(jìn)行監(jiān)視，將報(bào)警裝置的安保方式由探測有物體進(jìn)入產(chǎn)生報(bào)警變成對(duì)一個(gè)物體進(jìn)行監(jiān)視，若這個(gè)物體被拿走、移動(dòng)，報(bào)警裝置探測到超聲波探頭與目標(biāo)物體的距離大于一個(gè)閾值，則報(bào)警。這樣就可以解決報(bào)警裝置反應(yīng)不靈敏的問題。

2.3 安保系統(tǒng)的探測角度

安保系統(tǒng)的探測角度主要受超聲波測距模塊的影響，實(shí)驗(yàn)所用的超聲波測距模塊型號(hào)是HCSR04，其具有良好的指向性，探測距離為1 m時(shí)，實(shí)測探測角度與是否報(bào)警的關(guān)系如表3所示。數(shù)據(jù)表明，探測角度大于15°后，安保系統(tǒng)將會(huì)失效。

2.4 不同材料對(duì)安保系統(tǒng)的影響

由于運(yùn)用超聲波反射的原理，所以被測物體的材料會(huì)影響超聲波測距的精度。例如，對(duì)于平整的墻面，超聲波測距可以準(zhǔn)確及可靠地測量墻面到超聲波測距的距離。但是，對(duì)于一些有著凹凸不平的表面的物體，則測距效果會(huì)大打折扣。同時(shí)，查閱資料可知，對(duì)于一些用吸波材料涂覆的物體，或者將表面做成蜂窩狀，可將超聲波吸收或反射到別的地方，從而使測距模塊無法接受反射信號(hào)，會(huì)影響測距甚至不能測距，從而導(dǎo)致安保系統(tǒng)無法及時(shí)報(bào)警。

表3 探測角度測量

2.5 環(huán)境對(duì)安保系統(tǒng)的影響

1）風(fēng)對(duì)安保系統(tǒng)的影響

風(fēng)會(huì)對(duì)超聲波測距有影響。風(fēng)速會(huì)影響空氣的密度，而超聲波的傳播速度在不同密度的空氣中是不同的，所以這會(huì)影響安保系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，通過實(shí)測，發(fā)現(xiàn)橫向風(fēng)對(duì)超聲波測距的影響不大，逆風(fēng)會(huì)增加系統(tǒng)的靈敏度，而順風(fēng)對(duì)測距影響特別大，順風(fēng)風(fēng)速與探測距離的數(shù)據(jù)如表4所示，距離單位m。

表4 順風(fēng)風(fēng)速與探測距離測試結(jié)果

所以，根據(jù)表4數(shù)據(jù)可以知道，室內(nèi)無風(fēng)時(shí)的安保系統(tǒng)要比室外有風(fēng)環(huán)境的系統(tǒng)可靠性更高。

2）溫度對(duì)安保系統(tǒng)的影響

溫度可以改變空氣的密度，而空氣密度又和超聲波的傳播速度有關(guān)，所以溫度也會(huì)影響基于超聲波測距的安保系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)查找的資料，超聲波在空氣中的傳播速度與溫度的關(guān)系如圖3所示。隨著溫度的升高，超聲波的傳播速度也會(huì)增大，而我們都是在默認(rèn)聲速為340 m/s的條件下進(jìn)行計(jì)算的，所以系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生誤差，影響系統(tǒng)可靠性。所以環(huán)境溫度高有利于安保系統(tǒng)的可靠性，而溫度低則有不利影響，降低反應(yīng)速度。

2.6 測量盲區(qū)

圖3 溫度與聲速的關(guān)系

當(dāng)安保系統(tǒng)工作時(shí)，所用的超聲波模塊進(jìn)行測距，其發(fā)出一段超聲波作為探測載體，當(dāng)單片機(jī)給模塊觸發(fā)端一個(gè)10 μs的高電平，超聲波會(huì)發(fā)出一段8個(gè)40 kHz的方波，因此，只有發(fā)射時(shí)間結(jié)束后才可以啟動(dòng)接受裝置。因?yàn)?0 kHz方波的周期是25 μs，設(shè)發(fā)射方波的時(shí)間為t，則t=8×25 μs=200 μs，也就是說，系統(tǒng)在200 μs內(nèi)不會(huì)接受到反射回來的信號(hào)。而聲波的速度為340 m/s，所以反射回來的前幾個(gè)波形接收不到，這樣就出現(xiàn)了誤差。但是考慮到，懷有敵意的入侵者的移動(dòng)速度在入侵時(shí)不會(huì)過大，在200 μs內(nèi)不可能脫離安保系統(tǒng)的探測距離，所以該測量盲區(qū)的存在可以忽略不計(jì)，認(rèn)為對(duì)安保沒有影響。

2.7 不同超聲波模塊之間的比較

實(shí)驗(yàn)時(shí)，選用了3款超聲波測距模塊，分別是HC-SR04、US-015和US-100。這3塊超聲波測距模塊工作方式均相同，都是由單片機(jī)發(fā)出觸發(fā)信號(hào)后，超聲波模塊發(fā)出8個(gè)40 kHz的方波，然后通過接收裝置接收反射信號(hào)，利用單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)時(shí)器來計(jì)算時(shí)間進(jìn)而算出障礙物與報(bào)警裝置的距離。所不同的是這3種測距模塊兒的精度不同。

HC-SR04是一款比較基礎(chǔ)的測距模塊，其最大測距距離為380 cm，最小探測距離為2 cm，且誤差隨著距離的增加而增大。

US-015是一款分辨率較HC-SR04有所改善的超聲波測距傳感器，工作方式與HC-SR04相類似，其探測距離與HC-SR04相差不是很大，但是從總體測試數(shù)據(jù)來看，使用US-015模塊后，測距裝置的探測精度有所提高。

US-100則是具有溫度補(bǔ)償?shù)某暡y距模塊，工作方式與HC-SR04也相同，但其帶有溫度補(bǔ)償功能，所以在使用時(shí)，不需要考慮溫度對(duì)測距的影響，聲速可以以固定值340 m/s來計(jì)算測試距離，因此，可以US-100在一定程度上減小環(huán)境溫度對(duì)超聲波測距的影響。

通過實(shí)測比較，精度最好的是US-100，而精度最差的是HC-SR04，且?guī)в袦囟妊a(bǔ)償?shù)腢S-100在一定程度上，可以在寬范圍的環(huán)境溫度下使用，克服了環(huán)境溫度對(duì)超聲波測距安保系統(tǒng)的影響，提高了系統(tǒng)可靠性。

3 結(jié)論

通過對(duì)基于超聲波感測的安保系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以及對(duì)其可靠性進(jìn)行研究，分析了此報(bào)警裝置的誤差以及靈敏度，探討了不同材料以及環(huán)境對(duì)超聲波測距的精度的影響，并通過實(shí)際測試對(duì)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了檢驗(yàn)。通過實(shí)際測試數(shù)據(jù)表明，基于超聲波測距的安保系統(tǒng)雖然在使用中具有一定的誤差，且會(huì)受到環(huán)境因素的一定影響，但只要注意安保系統(tǒng)的使用環(huán)境，其仍有一些其他裝置無法替代的獨(dú)特之處。基于超聲波測距的安保系統(tǒng)在使用時(shí)探測距離較大、被測物體移動(dòng)速度較快、被測物體與超聲波傳感器軸線的夾角過大，以及安保環(huán)境溫度和環(huán)境風(fēng)速都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的測量距離有一定的影響。但是室內(nèi)安保環(huán)境不可能有太大的溫度和風(fēng)速變化，入侵者在安保環(huán)境下也不可能有過大的動(dòng)作幅度，所有影響但不會(huì)對(duì)可靠性影響太大。