超聲波是指頻率高于20000Hz 的機械波。為了實現(xiàn)超聲波回波測距，必須通過超聲波傳感器產(chǎn)生和接收超聲波。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)原理實現(xiàn)電能和超聲波能之間的相互轉(zhuǎn)化，即超聲波發(fā)射器是通過逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能，產(chǎn)生超聲波；而超聲波接收器是通過壓電效應(yīng)將超聲波能轉(zhuǎn)換為電能，接收超聲波。若超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波是以速度v（ 單位：m/s） 在介質(zhì)中傳播，在有效防范區(qū)域內(nèi)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(jīng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù)值在LCD 顯示屏上實時顯示， 同時控制由發(fā)光二級管和蜂鳴器組成的聲光報警系統(tǒng)，使其以一定的頻率閃光并發(fā)出警報聲。

　　圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1 硬件電路

　　硬件電路的設(shè)計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)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(zhǔn)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(shè)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(jiān)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(fā)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(fā)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(xiàn)超聲波能和電能之間的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)超聲波的發(fā)射與接收的。將超聲波發(fā)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(fā)生逆壓電效應(yīng)以相同的頻率進行振動，實現(xiàn)電能向超聲波能的轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生超聲波，如圖3 所示。

　　圖3 超聲波發(fā)射電路

　　將超聲波接收安裝于J2 端，當(dāng)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(fā)生壓電效應(yīng)并以同頻率進行振動，實現(xiàn)超聲波能向電能的轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生電信號，該電信號經(jīng)LM358 放大后送入LM567 進行鎖相環(huán)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(dǎo)通，蜂鳴器報警。

　　圖5 聲報警電路

　　如圖6所示，光報警電路，當(dāng)單片機在對應(yīng)端口輸出低電平時，綠、黃、紅三種顏色的發(fā)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(jié)5 號電池組組成，C1、C2、C3、C4 起到穩(wěn)壓作用，按下開關(guān)SW1 電源接通，綠色發(fā)光二極管發(fā)光。