時間：2022-10-22 21:48:01
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超聲波是指振動頻率大于20KHz以上的,人在自然環(huán)境下無法聽到和感受到的聲波。超聲波的波長比一般聲波要短,具有較好的方向性,能量消耗緩慢,在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn),因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。本文超聲波測距系統(tǒng)選用了600系列智能傳感器——615088超聲波傳感器,溫度傳感器——DS18B20,微處理器采用了ATMEL公司的AT89C52。本文對此超聲波測距系統(tǒng)進(jìn)行了分析與介紹。
1、超聲波測距原理
超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知,測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間,根據(jù)發(fā)射和接收的時間計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。測距的公式表示為“L=C×T”,公式中L為測量的距離長度;C為超聲波在空氣中的傳播速度;T為測量距離傳播的時間差（T為發(fā)射到接收時間數(shù)值的一半）。
2、超聲波測距誤差分析
從測距公式L=C×T中看出超聲波測距的誤差由超聲波的傳送速度和超聲波的傳送時間引起的。在空氣中的傳送速度隨著溫度的上升而加快,超聲波在空氣中傳播速度與溫度的變化關(guān)系公式表示為“C＝C0＋0.607T”,C的單位是m/s;C0是指零度時的聲波速度331.4m/s;T是指實(shí)際溫度值,單位是℃。在超聲波傳播速度準(zhǔn)確的前提下,測量距離的傳播時間差只要達(dá)到微秒級,就能保證測距誤差小于1mm。使用AT89C52單片機(jī)外接晶振頻率為12M時,AT89C52單片機(jī)的計(jì)數(shù)器可以方便的計(jì)數(shù)到1微妙的精度,這樣就能保證時間誤差在1mm內(nèi)。通過分析超聲波測距誤差產(chǎn)生的原因,提高測量時間差到微秒級,以及用DS18B20溫度傳感器進(jìn)行超聲波傳播速度的補(bǔ)償后,設(shè)計(jì)的高精度超聲波測距系統(tǒng)就能達(dá)到毫米級的測量精度。
3、超聲波傳感器
615088超聲波傳感器是基于超靈敏的6500測距模塊板的增強(qiáng)型600系列50KHz靜電傳感器,波束角度15°,測距范圍15cm～10.7m,該傳感器是集發(fā)送與接收為一體的超聲波傳感器,設(shè)計(jì)緊湊,最小的外部結(jié)構(gòu)以方便連接。615088超聲波傳感器的簡圖見圖1。
圖1 615088傳感器簡圖
圖1中J1配線信息:
Pin1——VCC:供電電壓＋6V～30VDC,具有100mA電流能力的控制電源,傳輸過程中具有2A的短脈沖串能力。
Pin2——公共端
Pin3——Echo輸出:當(dāng)接收到回波信號時改變狀態(tài)。
Pin4——Qsc輸出:內(nèi)部49.4KHz晶振器輸出。
注意:只有當(dāng)INIT信號（Pin5）是高電平時該腳輸出。
Pin5——INIT輸入:當(dāng)從低到高的變化時初始化一個傳輸、接收周期。目標(biāo)探測期間信號必須保持高電平。
Pin6——BINH輸入:高電平時可進(jìn)行多目標(biāo)探測。
Pin7——BLNK輸入:當(dāng)發(fā)出一個信號后,輸入信號為高電平時重置接收器的閥門,這樣可進(jìn)行多回波探測,正常情況下與Pin2腳可連接也可不連接。
可編程跳線——跳線安裝后內(nèi)部5Hz重復(fù)率,消除外部INIT輸入。
615088超聲波傳感器里面有一個圓形的薄片,在其背后有一個鋁制的后板,兩者構(gòu)成了一個電容器,當(dāng)給薄片加上為49.9KHz、電壓為300AVC pk-pk的方波電壓時,薄片以同樣頻率震動,從而產(chǎn)生49.9KHz頻率的超聲波。當(dāng)接收回波時,傳感器內(nèi)有一調(diào)諧電路,使得只有頻率接近49.9KHz的信號才能被接收,而其它頻率的信號被濾掉。超聲波傳感器加電后,INIT信號由低電平變高電平前必須至少經(jīng)過5毫秒,在此期間,所有內(nèi)部電路被重置、內(nèi)部振蕩器穩(wěn)定。當(dāng)INIT輸入低電平變?yōu)楦唠娖胶髥觽鞲衅靼l(fā)出一串超聲波束,只有待發(fā)射結(jié)束后才能接收被檢測物反射回的回波。超聲波存在固有的阻尼振蕩（振幅逐漸變小的振蕩）,也就是說傳感器發(fā)射結(jié)束后還留有一定余震,同樣可以產(chǎn)生振蕩信號,擾亂了系統(tǒng)接收返回信號的工作。如果要減少阻尼振蕩時間,那么要在INIT啟動傳感器發(fā)射超聲波波束后2.38毫秒再將BINH輸入低電平變?yōu)楦唠娖?這樣啟動系統(tǒng)進(jìn)行回波的接收就不會受到影響。INIT變成高電平和Echo輸出變成高電平之間的時間同傳感器與測量目標(biāo)之間的距離成比例的。如果需要,當(dāng)準(zhǔn)備下一次重新發(fā)射一串超聲波的時候可以返回一個低電平的INIT然后再使它變?yōu)楦唠娖?這樣就可以使周期重復(fù)。
4、溫度傳感器
為了提高測距的精度,考慮到超聲波在空氣中的傳播速度與溫度的變化關(guān)系,設(shè)計(jì)采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器對溫度進(jìn)行補(bǔ)償。DS18B20是單線接口,僅需一根信號線與CPU進(jìn)行通訊;傳送串行數(shù)據(jù),不需要外部器件;可以直接以9位的數(shù)字量讀出;溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時間200ms（典型值）;測量溫度范圍從－55℃～＋125℃,精度±5℃。DS18B20溫度傳感器的引腳排列見圖2。
引腳說明:
GND——公共端口,接地。
DO——數(shù)據(jù)端口I/O
VDD——電源端口,接＋5V
圖2 DS18B20引腳排列圖
5、AT89C52單片機(jī)
本系統(tǒng)采用AT89C52對615088超聲波傳感器、DS18B20溫度傳感器的控制來實(shí)現(xiàn)測距模塊系統(tǒng)。超聲波測距模塊電路見圖3。
圖3 超聲波測距模塊電路圖
通過對石英晶振分頻產(chǎn)生172.8KHz的計(jì)數(shù)脈沖。AT89C52單片機(jī)通過引腳P1.0來控制超聲波的發(fā)送,然后單片機(jī)不停檢測INT0引腳,當(dāng)INT0引腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)器的所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間;DS18B20溫度傳感器檢測出實(shí)際溫度值,通過換算就可以得到傳輸之間的距離。
6、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)程序流程由主程序、定時中斷子程序和外部中斷子程序構(gòu)成,具體流程如下:
(1)主程序:
(2)定時中斷服務(wù)子程序:
定時器中斷入口定時器初始化發(fā)射超聲波啟動計(jì)數(shù)器,開始計(jì)數(shù)延遲2.38ms開啟外部中斷返回
(3)外部中斷子程序:
外部中斷入口關(guān)外部中斷,關(guān)閉計(jì)數(shù)器讀取計(jì)數(shù)器數(shù)值溫度補(bǔ)償計(jì)算距離開外部中斷返回
工作時,AT89C52單片機(jī)把P1.0由低電平置成高電平,啟動超聲波傳感器發(fā)射超聲波,同時啟動內(nèi)部定時器T0開始計(jì)時。本系統(tǒng)采用的615088超聲波傳感器是收發(fā)一體的,在發(fā)射完一串超聲波后還存在阻尼振蕩,因此在啟動發(fā)射信號后延遲2.38ms才可以檢測返回信號,這樣就可以避免余震的干擾。超聲波信號接觸到被測物時信號立即返回,微處理器不停的掃描INT0引腳,如果INT0接收的信號由低電平變?yōu)楦唠娖?則表明超聲波傳感器接收到了返回波,微處理器進(jìn)入中斷關(guān)閉計(jì)數(shù)器,讀取計(jì)數(shù)器的數(shù)值。通過溫度傳感器采集實(shí)際數(shù)據(jù)對超聲波傳播速度的補(bǔ)償,同計(jì)數(shù)器中數(shù)值一起經(jīng)過換算就可以得出超聲波傳感器與被測物之間的距離。
7、結(jié)語
由于超聲波易于定向發(fā)射、強(qiáng)度可控、與被測量物無需直接接觸的優(yōu)點(diǎn),是作為測量距離的理想手段。本文介紹的采用AT89C52單片機(jī)微處理器、615088超聲波傳感器測距和DS18B20數(shù)字溫度傳感器溫度補(bǔ)償進(jìn)行距離的測量硬件電路簡單,電路制作方便、可靠,成本經(jīng)濟(jì),測得的數(shù)據(jù)精度高,誤差小。
參考文獻(xiàn)
超聲波是一種彈性波，它具有X射線以及光波和磁波等諸多波線所不具有的功能特點(diǎn)，正是基于超聲波的應(yīng)用靈活性與技術(shù)要求性高等特點(diǎn)，人們將其制成超聲波傳感器進(jìn)行工業(yè)實(shí)踐與應(yīng)用。
一、超聲波傳感器概況
1.1超聲波及其原理
物體機(jī)械振動狀態(tài)的傳播形式就是聲波，而超聲波主要是指聲波頻率在20000Hz以上的聲波形式。由于這種聲波每秒鐘的振動頻率較高，因此大大超出了人耳所能承受的聽覺范圍。超聲波按照其在機(jī)械振蕩過程中的不同表現(xiàn)形式，可將其分為縱向與橫向兩種振蕩波[1]。而在我國現(xiàn)階段的工業(yè)實(shí)踐中，主要應(yīng)用的是縱向振蕩波，與可聽聲波相比，超聲波具有獨(dú)特的傳播特征，其衍射能力較強(qiáng)，而且在均勻的傳播介質(zhì)中可以進(jìn)行直線傳播。一般情況下，在同等強(qiáng)度條件下，聲波的頻率與功率具有正相關(guān)性，聲波頻率越大，其傳波的功率就越大。因?yàn)槌暡ㄒ纫话懵暡l率更大，所以其在運(yùn)行傳播時的功率也較大。由于超聲波具有諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在不同環(huán)境下得到了廣泛應(yīng)用與實(shí)踐。
1.2超聲波傳感器的特點(diǎn)
超聲波傳感器是利用超聲波的上述優(yōu)點(diǎn)研制而成的一種數(shù)字傳感器，以超聲技術(shù)為核心、超聲傳感裝置為載體，進(jìn)行超聲波傳輸與接收。通常情況下，超聲波傳感器又稱為超聲換能器及超聲探頭。超聲波探頭主要由壓電晶片構(gòu)成，其不但可以接收超聲波，而且可以發(fā)射超聲波。因此在超聲探頭中，核心運(yùn)作組件就是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。這種壓電晶片通過具有磁致伸縮作用的鎳鐵鋁合金材料與具有電致伸縮作用的壓電晶片材料制成。采用壓電晶體材料構(gòu)成的超聲波傳感器是具有可逆功能的一種數(shù)字化傳感器，在其運(yùn)行過程中可將機(jī)械設(shè)備的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而在不同能量轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生超聲波。與此同時，超聲波傳感器可接收超聲波，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能[2]。因此，按照超聲波傳感器的實(shí)際工作運(yùn)行原理，可將其分為超聲波接收器與超聲波傳輸器。
二、超聲波傳感器的具體應(yīng)用分析
首先，超聲波傳感器可在遠(yuǎn)距離傳輸過程中得到運(yùn)用。通過上述分析可知，超聲波傳感器主要由處理單元模塊及超聲換能單元模塊、輸出單元模塊所組成。在具體應(yīng)用過程中，處理單元模塊可對超聲換能器進(jìn)行電壓激勵，從而使經(jīng)過激勵后的電壓以脈沖形式發(fā)出電磁波。隨之，超聲換能器轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，處理單元模塊對接收到的超聲波脈沖進(jìn)行科學(xué)分析，以此判斷其接收到的信號是否是超聲波的回聲[3]。如果經(jīng)過核實(shí)，其所接收到的信號是超聲波回聲，則對超聲波的聲波傳輸時間進(jìn)行測量分析，按照行程測算結(jié)果，對反超聲波的行程時間進(jìn)行測算分析。在具體應(yīng)用過程中，可將超聲波傳感裝置安裝于適當(dāng)位置，并對被測物體變化方向發(fā)射的超聲波進(jìn)行分析，就可測量物體表面與超聲波傳感器之間的實(shí)際距離。
其次，超聲波傳感器可在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行廣泛應(yīng)用。目前，超聲波在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的實(shí)踐應(yīng)用，主要體現(xiàn)在患者臨床疾病診斷方面。隨著這項(xiàng)技術(shù)不斷成熟，超聲波傳感器診斷已成為我國現(xiàn)階段醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的一種重要診斷方式。在實(shí)際運(yùn)用過程中，利用超聲波進(jìn)行疾病診斷的主要優(yōu)點(diǎn)是受檢者無明顯的疾病痛苦，而且實(shí)踐操作過程非常簡單、無損害、無創(chuàng)傷，診斷過程中有較為清晰的顯像，尤其是診斷精確率較高。
另外，超聲傳感器在測量液位中具有重要作用。在液位測量過程中，超聲波的使用原理是，通過超聲波探頭發(fā)出超聲脈沖信號，其在空氣中進(jìn)行廣泛傳播。當(dāng)傳播過程中遇到空氣與液面之后，就會被被測液體的液面反射回來，此時技術(shù)測量人員可根據(jù)反射回的信號測算時間與距離，從而得到液面實(shí)際高度。在液面測量中，超聲波傳感器測量技術(shù)屬于非接觸式測量，因此測量過程中電磁干擾小、不易受到刺激性液體腐蝕，且測量結(jié)果穩(wěn)定，設(shè)備使用壽命較長。
除此之外，超聲波傳感器可在測距系統(tǒng)中得到應(yīng)用實(shí)踐。采用超聲波傳感器進(jìn)行距離測算，不但可以科學(xué)測量設(shè)備輸出脈沖的寬度，而且可以測量脈沖波的具體運(yùn)行時間。因此，測量精度較高，并可對測量結(jié)果與測量過程進(jìn)行修正。
結(jié)束語：綜上所述，超聲波傳播方向性較好，因此能夠集中進(jìn)行傳播；同時，超聲波的傳播適應(yīng)能力較強(qiáng)，其能夠在不同傳播媒介中進(jìn)行科學(xué)傳播，而且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離傳播；再者，超聲波與傳聲媒介的相互作用適中，而且在傳波過程中容易攜帶有關(guān)傳聲媒介狀態(tài)的信息。因此，基于上述應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)，其在我國諸多技術(shù)領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用與實(shí)踐。
參 考 文 獻(xiàn)
伴隨著我國煙草制造行業(yè)的不斷發(fā)展進(jìn)步，卷煙產(chǎn)品的品牌競爭不斷加劇，卷煙產(chǎn)品的包裝也隨之不斷創(chuàng)新。好的煙草包裝不僅能表現(xiàn)出煙草品牌的內(nèi)涵與文化，也為煙草品牌的擴(kuò)張發(fā)展提供了支持。國內(nèi)外學(xué)者相關(guān)研究表明了當(dāng)前卷煙廠商同卷煙消費(fèi)者二者之間溝通交流的渠道呈現(xiàn)出越來越少的趨勢，在廠商消費(fèi)者缺乏足夠溝通交流的情況下卷煙包裝對于塑造煙草品牌的重要性就不言而喻了，特別是對于新興煙草廠商來說大力推行商標(biāo)戰(zhàn)略，為企業(yè)的煙草產(chǎn)品設(shè)計(jì)并包裝上品位高端的外包裝更是動搖老牌煙草企業(yè)霸主地位的利器。而老牌煙草企業(yè)在煙草包裝的競爭中也沒有示弱，老牌煙草廠家業(yè)不斷開展煙草產(chǎn)品包裝的設(shè)計(jì)研究，同時不斷增加包裝機(jī)設(shè)備的維修、改造與更新投入。客觀上來說，我國煙草產(chǎn)品從技術(shù)主導(dǎo)走向品牌、商標(biāo)、包裝主導(dǎo)是煙草行業(yè)總體營銷水平進(jìn)步的表現(xiàn)，也是煙草產(chǎn)品企業(yè)邁進(jìn)品牌主導(dǎo)市場階段的必經(jīng)之路。
一、我國煙草包裝機(jī)應(yīng)用的現(xiàn)狀
我國的煙草包裝工業(yè)起步于20世紀(jì)中期，自改革開放以后更得到了快速發(fā)展，逐步建立并形成了包括煙草包裝材料、煙草包裝工藝和煙草包裝機(jī)械一系列生產(chǎn)環(huán)節(jié)在內(nèi)的完整而獨(dú)立的煙草包裝工業(yè)體系。據(jù)相關(guān)行業(yè)調(diào)查分析表明，包裝機(jī)械的使用最為廣泛的行業(yè)依次為食品產(chǎn)業(yè)、飲料產(chǎn)業(yè)、家庭用品與化妝品產(chǎn)業(yè)、醫(yī)療用品和煙草業(yè)。具體來說，煙草產(chǎn)業(yè)作為我國包裝機(jī)械的最大使用行業(yè)之一，幾乎所有的包裝機(jī)機(jī)型、機(jī)種均在煙草產(chǎn)品的包裝中得到了使用。正是由于我國煙草產(chǎn)業(yè)每年推出成千上萬種新型產(chǎn)品，從而加快了包裝機(jī)械的更新?lián)Q代，因此我國煙草廠商所需要的煙草包裝機(jī)械需求速度始終處于領(lǐng)先位置。煙草產(chǎn)品包裝工業(yè)日新月異的發(fā)展環(huán)境迫使煙草廠商不斷加大煙草產(chǎn)品包裝的新陳代謝，也讓廠商面臨煙草包裝機(jī)維修改造的現(xiàn)實(shí)問題。
二、超聲波傳感器在煙草包裝機(jī)維修改造中的運(yùn)用
煙草行業(yè)早期包裝機(jī)維修改造大多采用的是電容式傳感器來檢測膠位，近年來隨著微電子技術(shù)的發(fā)展特別是超聲波傳感器的問世，煙草行業(yè)包裝機(jī)逐漸開始普及運(yùn)用超聲波傳感器來檢測膠位，從而大大提高了包裝機(jī)維修改造效果的穩(wěn)定、可靠。超聲波傳感器是基于超聲波傳導(dǎo)的特性而研制的傳感器。超聲波同一般聲波相比具有更短的波長，因而具有更好的方向性，由于超聲波能產(chǎn)生一種振動頻率比聲波更強(qiáng)的機(jī)械波，這種機(jī)械波是通過換能晶片在電壓的激勵下產(chǎn)生振動激起的，這種機(jī)械波具有高頻率、短波長和產(chǎn)生繞射現(xiàn)象頻率低的特性，特別是具有方向性好、能夠成為射線從而定向傳播的特點(diǎn)。更加難得的是，超聲波能夠透過透明不透明物質(zhì)，尤其是對液體、固體穿透的本領(lǐng)特別大，研究表明超聲波在陽光下對不透明的固體穿透實(shí)驗(yàn)中，超聲波能夠穿透達(dá)幾十米的穿透深度。[1]
Baumer超聲波傳感器是精密傳感器的代表，較同類傳感器而言Baumer超聲波傳感器在生產(chǎn)的精度、可靠性、穩(wěn)定性方面具有其它超聲波傳感器無法比擬的優(yōu)勢。過去由于超聲波技術(shù)發(fā)展條件的限制，許多超聲波技術(shù)因?yàn)闊o法深入的探測到物體組織的內(nèi)部而受到了質(zhì)疑，而Baumer超聲波傳感器的出現(xiàn)帶來了技術(shù)上的革新從而改變了這種狀況。在未來的超聲波傳感器在煙草包裝機(jī)維修改造的應(yīng)用實(shí)踐中，超聲波技術(shù)將結(jié)合信息技術(shù)和新材料技術(shù)，從而研究出更多的具有高智能化、超靈敏度特點(diǎn)的超聲波傳感器。
Baumer超聲波物位計(jì)測量技術(shù)的檢測原理：Baumer超聲波物位計(jì)測量技術(shù)運(yùn)用了超聲波傳導(dǎo)的聲學(xué)特性，即在一定的條件下超聲波在空氣中傳播的速度的波動是很小的，所以可以通過計(jì)算測量超聲波從發(fā)射探頭傳播至需要檢修料位表面并返回到發(fā)射探頭所用的時間，來求得發(fā)射探頭到需要檢修的料位的距離，再用總高來減去這個測量距離就可以得到實(shí)際料位值。也即是：
上述公式中，H表示零料位到探頭的距離長度；h為料位的表面到發(fā)射探頭的距離長度；T表示時間；C0表示零攝氏度時超聲波在空氣中發(fā)射傳播的速度；α則表示超聲波運(yùn)行速度的溫度系數(shù)；t表示溫度。
近年來，煙草生產(chǎn)廠商不斷引進(jìn)運(yùn)用于高速包裝機(jī)檢測的小盒膠缸膠位檢測技術(shù)，該檢測采用了瑞士Baumer公司生產(chǎn)的UNDK 30U611.3/S14型號的超聲波傳感器，大大提高了煙草包裝機(jī)維修改造效率，Baumer超聲波傳感器的控制過程是這樣的：超聲波傳感器檢測輸出值通過壓頻轉(zhuǎn)換器送給CPU，CPU通過邏輯運(yùn)算把采集到的實(shí)際值與軟件內(nèi)部設(shè)定值進(jìn)行，然后決定是否開始對膠泵注膠，以及注膠到什么位置停止，以及決定超出上下限是否自動報(bào)警停機(jī)等，同時CPU不斷比較超聲波當(dāng)前輸出值是否在“膠泵注膠上限值”和“膠泵注膠下限值”之間，否則會報(bào)警并提示“膠位讀取不協(xié)調(diào)”故障。[2]
Baumer超聲波傳感器的設(shè)定及調(diào)整
（1）該傳感器設(shè)定方式有兩種：一是0～10V，二是10～0V，這里使用的是0～10V工作方式（由軟件編程自動選擇）。
（2）拔下Baumer傳感器電源插頭，重新接上電源插頭以恢復(fù)出廠設(shè)置，按下Teach-in按鍵2秒鐘，雙色LED燈開始發(fā)出黃色或紅色燈光時則可以釋放按鍵。
（3）取一張盒皮正面朝下，壓住彈簧以使盒皮背面最大限度接近傳感器，接著按下Teach-in按鍵（設(shè)定為0V）。
（4） 將盒皮背面放置在膠缸的導(dǎo)軌上，接著按Teach-in按鍵（設(shè)定為10V）。
（5）當(dāng)2個LED亮燈持續(xù)時間大于2秒鐘，表示按下Teach-in過程結(jié)束。
（6）軟件參數(shù)調(diào)試：粘膠水平理想水平可以設(shè)定為5000mV上下，粘膠水平最低臨界值可以設(shè)置為5500mV上下，粘膠水平的最高臨界值可以設(shè)置在4500mV上下；最佳位的變化一般設(shè)置為50～100mV；膠位偏差與涂膠器接近值一般設(shè)置為500～1000mV。
三、結(jié)論
由于過去我國煙草制造商在煙草包裝機(jī)維修改造工作中缺乏科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕M織體系和管理手段，往往造成煙草包裝機(jī)維修改造工期過長，工程質(zhì)量也無法得到保障，一定程度上對煙草制造商的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生影響。為了改變這種狀況我們利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在卷煙包裝機(jī)大修理工程中推行Baumer超聲波傳感器檢測技術(shù)。實(shí)踐表明，Baumer超聲波傳感器是維修工作中實(shí)施統(tǒng)籌和控制，縮短維修工期，使煙草包裝機(jī)組能夠早日投入生產(chǎn)，是提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的有效手段。同常規(guī)檢測方式相比它的智能化更高，技術(shù)更先進(jìn)，穩(wěn)定性更好，使用方法簡單易行，能帶給用戶極大的方便。
中圖分類號：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009－2374(2009)12－0032－02
一、智能型超聲波傳感器簡介
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超聲波技術(shù)比較成熟，已廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域的無損檢測和無損探傷。超聲波液位傳感器為非接觸式測量儀器，已用于石油化工、水利水電、農(nóng)田灌溉、環(huán)境檢測以及自來水廠、污水處理廠等眾多部門的液位、水位的測量。
日前，在石油化工及建筑等域內(nèi)常用的液位傳感器有：旋轉(zhuǎn)編碼式傳感器(機(jī)械式)、磁浮子接點(diǎn)式傳感器、壓電式傳感器、非接觸式傳感器，其分辨率從毫米級到厘米級，測量范圍從幾十厘米到幾十米。除了磁浮子接點(diǎn)式傳感器外，其余傳感器均比較適合測量范圍較寬的應(yīng)用場合。一般壓力式和超聲波傳感器均帶有變送器，將液位信號轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(4～20mA)。旋轉(zhuǎn)編碼式傳感器分為機(jī)械式和光電式兩種，這類傳感器輸出通常為并行二進(jìn)制碼、串行二進(jìn)制碼或脈沖信號。除智能型一體化傳感器(壓力式或超聲波)外，一般沒有就地顯示和數(shù)字通信功能。在這些傳感器中，超聲波液位傳感器是一種非接觸式的測量儀器，在測量過程中無任何部件觸及被測物質(zhì)，所以無論液面是流動、波動或是有漂浮物以及有化學(xué)反應(yīng)等都有應(yīng)用，且與被測介質(zhì)的壓力、溫度、密度、腐蝕性無關(guān)，適應(yīng)范圍廣，可用于工業(yè)原料液位、河面水位等的測量。相比較各種測量方法，超聲波測量方法有很多其它方法無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，該液位計(jì)成本低，性能穩(wěn)定，測量精度高，換能器壽命長，使用方便，是非接觸測量的理想儀器。
其特點(diǎn)如下：
1 測量精度高。
2 響應(yīng)時間短可以方便的實(shí)現(xiàn)無滯后的實(shí)時測量。
3 非接觸測量，性能穩(wěn)定可靠，對液體的物理化學(xué)性質(zhì)的適應(yīng)性極強(qiáng)，不怕酸堿等強(qiáng)腐蝕性液體等。
智能型超聲波液位傳感器是在超聲波液位傳感器的基礎(chǔ)上，使用微處理器作為控制核心而研制開發(fā)的，具有傳統(tǒng)超聲波傳感器所不具有的特點(diǎn)：
1 測量精度高。測量精度取決于智能傳感器控制芯片的計(jì)數(shù)頻率，通過修改計(jì)數(shù)頻率可以修改測量的精度，另外，傳感器的測量精度與溫度有直接的關(guān)系，該智能型超聲波傳感器可進(jìn)行溫度補(bǔ)償，提高了測量的精度。
2 具有診斷功能?？梢栽O(shè)定超聲波在1秒鐘接收有效回收次數(shù)，若未收到該次數(shù)的有效回波，認(rèn)為接收或發(fā)送系統(tǒng)異常，給出異常信息。
3 具有計(jì)算、補(bǔ)償功能。采用一定的算法，將各次測量的結(jié)果排序，取中間的一些數(shù)值，求其平均值，并將溫度值進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算。
4 具有強(qiáng)大的通訊功能。液位信息為數(shù)字量，將數(shù)字量轉(zhuǎn)變成4～20mA模擬量輸出，模擬電流量有利于傳輸，抗干擾能力強(qiáng)；將液位信息通過異步串行通訊傳給上位機(jī)；以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸液位信息。
綜上所述，智能型超聲波傳感器是將單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)引入儀表，開發(fā)出的智能型傳感器，它突破了傳統(tǒng)傳感器的單一功能，具有自動測量、高精度、功能擴(kuò)展容易、與外部通訊強(qiáng)大的功能，完全能適應(yīng)工業(yè)控制體系的網(wǎng)絡(luò)化、集成化、智能化發(fā)展的要求。
二、智能型超聲波傳感器的主要結(jié)構(gòu)
(一)硬件構(gòu)成
智能型超聲波傳感器主要由液位信息采集電路、控制單元、鍵盤輸入接口電路、LCD顯示接口電路及與外部通訊接口電路五部分構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示：
1 液位信息采集電路包括超聲波發(fā)射和接收電路、溫度傳感器。其中溫度傳感器嵌入在微處理器內(nèi)。
超聲波發(fā)射電路主要由微分電路和驅(qū)動電路組成。CPU發(fā)出的脈沖信號經(jīng)微分電路變成標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號，然后通過可控硅去控制600V的高壓，形成高壓脈沖。高壓脈沖驅(qū)動超聲波探頭，探頭把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，產(chǎn)生超聲波。超聲波脈沖信號接收電路包括接收信號的限幅、放大、比較、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)等環(huán)節(jié)，形成一個窄脈沖信號。超聲波傳播速度受溫度的影響，精確的測量需要溫度補(bǔ)償。在MSP430內(nèi)嵌入溫度傳感器，利用內(nèi)部熱敏二極管測量溫度。MSP430溫度傳感器所測電壓v和實(shí)際溫度T的關(guān)系：
V=0.00355×T+0.986
MSP430的ADC12內(nèi)核是一個12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能將結(jié)果存放在存儲器中。該內(nèi)核使用兩個可編程的參考電壓(VR+和vR-)定義轉(zhuǎn)換的最大值和最小值。輸入模擬電壓的轉(zhuǎn)換結(jié)果NADC滿足公式：
NADC=4096×(Vin-VR-)／(VR+-VR-)
MSP430具有ADC12內(nèi)嵌溫度傳感器，若設(shè)置ADC12的內(nèi)部參考電壓為2.5V，輸入模擬電壓的轉(zhuǎn)換結(jié)果NADC滿足公式：
NADC=4096×T／2.5
2 控制單元：MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器(TI)1996年推向市場的超低功耗的混合信號處理器。該系列單片機(jī)具有16位CPU通過總線連接到存儲器和模塊，直接嵌入仿真處理，具有JTAG接口，能夠降低功耗，降低噪聲對存儲器存取的影響。MSP430系列單片機(jī)包含以下主要功能部件：
(1)CPU：MSP430系列單片機(jī)的CPU和通用微處理器基本相同，只是在設(shè)計(jì)上采用了面向控制的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)。MSP430的內(nèi)核CPU結(jié)構(gòu)是按照精簡指令集和高透明的宗旨設(shè)計(jì)的，使用的指令有硬件執(zhí)行的內(nèi)核指令和基于現(xiàn)有硬件結(jié)構(gòu)的仿真指令。這樣可以提高指令執(zhí)行速度和效率，增強(qiáng)了MSP430的實(shí)時處理能力。
(2)存儲器：存儲程序、數(shù)據(jù)以及模塊的運(yùn)行控制信息，有程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。對程序存儲器訪問是以字形式，而對數(shù)據(jù)可以用字和字節(jié)方式訪問。其中MSP430系列單片機(jī)的程序存儲器有ROM、OTP、EPROM和FLASH型。
(3)模塊：經(jīng)MAB、MDB、中斷服務(wù)及請求線與CPU相連。
3 鍵盤輸入接口電路和LCD顯示接口電路構(gòu)成人機(jī)交互接口電路，智能型傳感器通常都有液晶顯示和手動操作按鈕，LCD顯示器顯示液位數(shù)據(jù)信息，按鍵輸入用來選擇工作模式。
4 與外部通訊接口電路主要包括三種通訊方式，即4～20mA電流環(huán)接口、異步串行通訊接口、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸接口電路。
(1)4～20mA電流環(huán)：在要求智能傳感器具有高精度的電流變送要求時，低功率、高精度的元器件的選用是研制智能傳 感器不可缺少的一部分，一般情況下選用高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD421。利用AD421將液位信息轉(zhuǎn)變成4～20mA的模擬量。
(2)RS－232串行通訊：串行通信只需較少的端口就可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和Pc機(jī)的通信。串行通信由兩種方式：異步模式和同步模式。MSP430F44X系列都有USAHT模塊來實(shí)現(xiàn)串行通信，使用MSP430F449的USART0模塊通過RS-232串口來接收或發(fā)射數(shù)據(jù)。
(3)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸：嵌入式以太網(wǎng)可以通過Ethemet將信息傳輸距離無限擴(kuò)展，而基于底層的以太網(wǎng)協(xié)議是由以太網(wǎng)控制器來實(shí)現(xiàn)的。
(二)軟件構(gòu)成
智能型超聲波液位傳感器程序由三部分構(gòu)成：采集液位信息程序，發(fā)射與接收超聲波，測量當(dāng)前溫度，計(jì)算液位值；人機(jī)交互程序，包括按鍵處理程序和液晶顯示程序；與外部通訊程序，包括異步串行通訊程序、4～20mA兩線制電流變送程序和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸程序。該軟件系統(tǒng)設(shè)置了三種工作模式，由按鍵選擇并引發(fā)中斷，進(jìn)入不同的工作模式，完成相應(yīng)的功能。本系統(tǒng)設(shè)置3種工作模式：若按鍵normal按下，進(jìn)入normal工作模式；若按鍵web按下，進(jìn)入web工作模式；若按鍵AD eoDvert按下，進(jìn)入AD eonvert模式。軟件流程框圖如下：
1 normal工作模式。采集液位信息，將液位值由液晶顯示，采用異步串行通訊方式向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)。
2 web工作模式。采集液位信息，將液位值由液晶顯示，以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。
3 ADconvert模式。采集液位信息，將液位值液晶顯示，4～20mA電流環(huán)向上位傳送信息。
主程序不是無休止的循環(huán)，通常處于休眠狀態(tài)。由按鍵觸發(fā)中斷，進(jìn)入中斷處理程序，中斷處理完畢后再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。
中圖分類號：TB486 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）01-0026-01
1 引言
在卷煙包裝生產(chǎn)過程中，膠位控制系統(tǒng)一直是困擾生產(chǎn)效率提高的重要環(huán)節(jié)。目前，煙草企業(yè)的包裝設(shè)備中主要機(jī)型為GD包裝機(jī)，該機(jī)型膠位檢測傳感器設(shè)計(jì)為電容傳感器，是開關(guān)量輸出模式，機(jī)器在生產(chǎn)過程中受環(huán)境因素影響有時會出現(xiàn)誤動作，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量和機(jī)器的生產(chǎn)效率。
2 系統(tǒng)原理
超聲波可在不同介質(zhì)中以不同的速度傳播的特性，超聲波具有定向性好，能量集中，在傳輸過程中衰減小，反射能力較強(qiáng)等特點(diǎn)。對膠位控制系統(tǒng)的進(jìn)行新型設(shè)計(jì)，采用超聲波傳感器元件，超聲波傳感器可廣泛應(yīng)用于非接觸式檢測，不受光線，被測物顏色等的影響，它不僅能夠定點(diǎn)和連續(xù)測膠位，這種特性對膠位檢測不受生產(chǎn)環(huán)境因素干擾非常有益。與其他測位技術(shù)相比較，它不需要特別防護(hù)，安裝維修較方便，而且結(jié)構(gòu)方法都較簡單，經(jīng)濟(jì)效益顯著。膠位控制設(shè)計(jì)采用超聲波液位測量技術(shù)，運(yùn)用超聲波脈沖回波方法，由發(fā)射傳感器發(fā)出超聲波脈沖，傳到液面經(jīng)反射后返回接收傳感器，測出超聲波脈沖從發(fā)射到接受所需的時間，根據(jù)媒介中的聲速，就能得到從傳感器到液面之間的距離，從而精確測定膠位高度。
3 膠位控制方案
3.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達(dá)到使用要求。另一方面在工作中，超聲波傳感器有著優(yōu)越的抗干擾性與工作的穩(wěn)定性，故選擇超聲波傳感器代替原設(shè)備的電容傳感器進(jìn)行測量物體間的距離。
在數(shù)據(jù)處理方面，本文設(shè)計(jì)采用PLC作為控制器（如圖1示，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的總框圖），針對超聲波傳感器的測量結(jié)果進(jìn)行處理，用觸摸屏進(jìn)行顯示和設(shè)定。超聲波傳感器的輸出信號是0―10V，接入PLC的模擬量輸入模塊中經(jīng)處理轉(zhuǎn)換為液面高度顯示在人機(jī)界面上。
3.2 系統(tǒng)的控制
系統(tǒng)的控制主要完成顯示液面高度、設(shè)定報(bào)警區(qū)間和注膠時間功能控制模式（如圖2示，系統(tǒng)控制模式）。區(qū)間設(shè)定是根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定，保證涂膠量符合生產(chǎn)工藝要求，通過液面高度和注膠高度的比較來判斷是否注膠，液面高度情況還能反映元器件是否損壞。超聲波傳感器的測量結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)供膠的閉環(huán)控制，隨機(jī)器速度的變化控制增加與減少供膠量，膠位液面可以設(shè)定高低位報(bào)警功能，能夠?qū)崿F(xiàn)以數(shù)字的形式顯示測量距離。
3.3 元件的x擇
系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用UNDK系列超聲波傳感器，這類型傳感器檢測范圍為30―250mm，分辨率小于0.3mm，聲波頻率為300KHZ，響應(yīng)時間小于50ms。其參數(shù)基本特點(diǎn)符合設(shè)計(jì)要求，能夠達(dá)到控制的精度和要求。
4 結(jié)語
DOI：10.15938/j.jhust.2016.04.009
中圖分類號：TP274.5
文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號：1007-2683（2016）04-0045-05
0引言
近年來，由于超聲波檢測技術(shù)應(yīng)用在風(fēng)速測量中，相較于機(jī)械式、熱式等測量方法非接觸，無磨損，測量速度快精度高，維護(hù)成本低等使研究利用超聲波進(jìn)行風(fēng)速測量成為了一個較為熱門的課題現(xiàn)階段國外對該技術(shù)的研究已經(jīng)較為深入，而國內(nèi)在研究將超聲波用于風(fēng)速測量方向上正處于快速發(fā)展階段，國內(nèi)對于利用超聲波對一維或二維風(fēng)速的理論研究成果較多，而對三維風(fēng)速測量的理論研究成果較少，同時，現(xiàn)有的研究采用超聲波測風(fēng)速理論均采用時差法，由于該方法需要用間歇式脈沖來驅(qū)動超聲波傳感器，因此時差法避免不了超聲波傳感器本身存在的起振余振的問題，雖然有許多這方面的研究，但這些研究較多依賴于DSP及CPLD等高速器件，且沒能從根本上解決問題，針對時差法的問題，本文研究了一種基于相位差的超聲波三維風(fēng)速測量方法，該方法采用連續(xù)驅(qū)動超聲波傳感器的方式，避免了超聲波傳感器本身存在起振余振的問題且電路成本較低，無需高速器件即可實(shí)現(xiàn)對風(fēng)速快速、準(zhǔn)確測量，
1.相位差超聲波三維風(fēng)速測量基本
原理
超聲波三維風(fēng)速測量技術(shù)基于向量空間投影分析法，采用此技術(shù)的重點(diǎn)是準(zhǔn)確獲得聲波上承載的流體信息以及向量的空間分解與合成，超聲波時差法測風(fēng)速基本原理是通過測量同等聲程下超聲波脈沖順風(fēng)和逆風(fēng)傳播時間差來反映風(fēng)速，如圖1所示，由超聲波發(fā)射探頭發(fā)射一組超聲波脈沖，從發(fā)射激勵脈沖到接收到第一個脈沖的超聲波傳播時間為f，則t=L（V0±v）式中三為傳感器之間的距離，V0為無風(fēng)時超聲波的傳播速度，v為風(fēng)速，根據(jù)該公式可以求出風(fēng)速v，這便是時差法原理，
然而，驅(qū)動脈沖發(fā)射過程中，超聲波換能器晶片將經(jīng)歷受迫振動、平衡振動和衰減振動3個狀態(tài)，并且接收超聲波過程中，由于壓電晶體具有一定的振動慣量，接收到超聲波后，振幅是按照指數(shù)曲線增加的，要經(jīng)歷幾個周期才能飽和，而且當(dāng)發(fā)射信號結(jié)束時，晶片還要保持幾個或十幾個周期的余振，因此很難準(zhǔn)確判斷超聲波到達(dá)以及結(jié)束的時刻，而本文的相位差測量方法則將時間差轉(zhuǎn)換為相位差，運(yùn)用該方法超聲波傳感器一直處于連續(xù)的工作過程中不存在間歇式的脈沖驅(qū)動，因此相位差法避免了超聲波傳感器起振余振的問題，相對于時差法相位差法具有電路成本低（不依賴高速器件）、軟硬件易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，本文超聲波三維風(fēng)速測量傳感器配置形式設(shè)計(jì)為正四面體結(jié)構(gòu)，其中四個收發(fā)一體的超聲波傳感器分別位于正四面體的四個頂點(diǎn)，配置形式如圖2所示，
某一時刻，假設(shè)風(fēng)穢沿某一角度吹到傳感器結(jié)構(gòu)上（如圖2），根據(jù)三維空間向量投影關(guān)系，只要求得v在正四面體任意兩個面上的投影向量，根據(jù)該投影向量寫出投影面方程，聯(lián)立投影面方程便可求出風(fēng)速v。
2.任意面風(fēng)矢量合成算法
風(fēng)矢量（面分量）可以由如下步驟計(jì)算：由硬件電路控制四個收發(fā)一體的超聲波探頭輪流收發(fā)一個周期，這時可以獲得風(fēng)矢量在每個面三角形上的分量在各面三角形邊上的分量大小，根據(jù)各邊上的分量進(jìn)行合成，便可求出風(fēng)矢量在每個面三角形上的分量。
【中圖分類號】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A
【文章編號】0450-9889（2017）03C-0189-02
隨著汽車的普及以及汽車價(jià)格的平民化，汽車已經(jīng)成為很多家庭的標(biāo)配，然而伴隨著出行方便的同時，停車問題卻變得嚴(yán)峻起來。汽車數(shù)量的增多使得停車空間越來越小，在狹小的空間停車常常令有車一族無所適從，即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的司機(jī)也難免會在倒車時因?yàn)橐暰€盲區(qū)等各種原因發(fā)生刮蹭。因此，輔助倒車系統(tǒng)成了很多品牌車型必備配置，也是許多車主必選的一項(xiàng)加裝設(shè)備。
一、倒車防撞預(yù)警系統(tǒng)工作原理
倒車防撞預(yù)警系統(tǒng)也稱為泊車輔助裝置，俗稱倒車?yán)走_(dá)，是汽車在倒車或者泊車時的安全輔助設(shè)備，可以通過聲音、數(shù)字、圖片、影像等方式告知駕駛員汽車四周圍障礙物的情況，幫助駕駛員解決倒車、泊車時障礙物可能引起的干擾，掃除視線模糊和視野死角的缺陷。
現(xiàn)有的倒車防撞預(yù)警系統(tǒng)多采用波型信號探測距離實(shí)現(xiàn)。發(fā)射一種波型或信號，當(dāng)該波型或信號遇到障礙物時會反射回來，由此得知是否有障礙物及障礙物與車的距離。超聲波是一種能量消耗緩慢、傳播距離遠(yuǎn)的波，它可以在不同天氣狀況下使用，不易受外界條件如光線、煙霧、電磁等的影響，并且原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)，可靠性好，成本低廉，因而廣泛應(yīng)用于各種倒車?yán)走_(dá)中。
系統(tǒng)發(fā)出超聲波，超聲波遇障礙物后反射回來，若超聲波的傳播速度為v，系統(tǒng)發(fā)出超聲波和收到超聲波的回波的時間間隔為t，則根據(jù)公式可計(jì)算出障礙物與汽車之間的距離。在空氣中傳播時，聲波的韃ニ俁然崾艿絞度、溫度、氣壓等因素的影響，其中溫度對聲波速度的影響最大，若要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，其關(guān)系為。一般情況下，倒車防撞預(yù)警系統(tǒng)不需要精確到毫米級別，故可不進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
二、現(xiàn)有倒車防撞預(yù)警系統(tǒng)的缺陷
目前國內(nèi)做倒車?yán)走_(dá)的廠家很多，但是性能都不是很理想，主要表現(xiàn)在盲區(qū)較大和精確度不高。
（一）探測盲區(qū)過大。倒車防撞預(yù)警系統(tǒng)工作時，是由超聲波傳感器發(fā)出超聲波的，它發(fā)出超聲波時能量并不是均勻分布，垂直于傳感器表面中軸線位置的聲射線能量最強(qiáng)，中軸線左右兩側(cè)等其他方向上的聲波能量逐漸減弱。自發(fā)射源到照射目地的展開面積大小的參數(shù)我們用波束角來表示，它指能量密度達(dá)到峰值能量密度一半處的錐形寬度。在這個錐形寬度內(nèi)的障礙物能夠比較有效的探測到，而在這個錐形寬度之外波能量過于分散，無法產(chǎn)生有效的回波，也就無法較準(zhǔn)確的探測出障礙物。一般的超聲波傳感器采用波束角。
為了解決這一問題，倒車?yán)走_(dá)都采用了增加傳感器數(shù)量的方式來實(shí)現(xiàn)。傳感器數(shù)量的增多的確可以減少部分盲區(qū)，如圖1分別為用2個傳感器和用4個傳感器的探測范圍，白色部分代表盲區(qū)?，F(xiàn)有倒車?yán)走_(dá)多采用4個傳感器來探測，但仍然有較大盲區(qū)，而一味地增加傳感器數(shù)量容易造成傳感器相互間的干擾，也會增加成本，故通過增加傳感器數(shù)量的方法并不是解決盲區(qū)過大的最佳方法。
（二）探測指向性不強(qiáng)。通過上圖可以看出，只要是在超聲波探測范圍內(nèi)出現(xiàn)的障礙物都可以被檢測到，但這個障礙物具體在哪個位置卻檢測不出。根據(jù)超聲波測距原理可知，超聲波遇到障礙物后反射回來，我們可以知道障礙物與汽車的距離，但這個測得的距離并不一定是傳感器正前方的障礙物的距離，以這個距離為半徑，以傳感器為圓心的范圍內(nèi)均有可能出現(xiàn)障礙物，故這個距離沒有明確的指向性。增大波束角可以減小盲區(qū)，但波束角越大指向性越不明確。
三、高精度倒車防撞預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
為了解決現(xiàn)有倒車防撞預(yù)警系統(tǒng)的缺陷，本設(shè)計(jì)對現(xiàn)有倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)做了一些改進(jìn)。
（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理。本設(shè)計(jì)包括以下模塊：超聲波發(fā)射模塊；超聲波接收模塊；用于控制發(fā)出、接收及處理超聲波數(shù)據(jù)信號的單片機(jī)；用于數(shù)碼距離顯示和障礙物方位顯示的顯示模塊以及用于提醒駕駛員的報(bào)警模塊，如圖2所示。單片機(jī)的輸出口分別與超聲波發(fā)射模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊連接，單片機(jī)的輸入口與超聲波接收模塊連接。超聲波發(fā)射模塊包括超聲波發(fā)射傳感器和三級放大器，單片機(jī)的輸出口與三級放大器連接，三級放大器與超聲波發(fā)射傳感器連接。單片機(jī)采用C8051F330，內(nèi)部自帶有溫度傳感器、內(nèi)置AD、DA和比較器。超聲波接收模塊為PVDF超聲波接收器。顯示模塊為LCD液晶顯示屏。報(bào)警模塊為語音報(bào)警器，當(dāng)障礙物與汽車距離小于設(shè)定的安全距離時，發(fā)出報(bào)警。
其工作原理為：倒車過程中若遇到障礙物，單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖經(jīng)過三級放大器后傳遞給超聲波發(fā)射傳感器，超聲波傳感器利用壓電特性，間斷以頻率40 KHz的電壓激發(fā)壓電片，該壓電片將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能并發(fā)射出去。遇到障礙物后返回，PVDF超聲波接收器將所接收到的微弱聲波振動信號轉(zhuǎn)化成為電信號，傳送到單片機(jī)計(jì)算出汽車與障礙物的距離并通過顯示LCD液晶顯示屏顯示出來，報(bào)警模塊根據(jù)設(shè)定的距離提供不同的語音報(bào)警。
（二）采用小波束動態(tài)掃描。要解決探測盲區(qū)過大和探測指向性不強(qiáng)的問題，達(dá)到高精度判斷障礙物位置，關(guān)鍵要改進(jìn)的是超聲波傳感器的掃描方式。要減小盲區(qū)，需要使用大波束角進(jìn)行掃描；而要指向性明確，卻需要小波束角進(jìn)行掃描，可見波束角的選擇在減少盲區(qū)和指向性明確這兩個目的上不能很好地統(tǒng)一。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時為了使波束角的選擇既能夠兼顧指向性，又不增大盲區(qū)，選擇小波束角結(jié)合動態(tài)掃描的方式進(jìn)行障礙物的探測。
在設(shè)計(jì)中選擇波束角為5°的小角度波束角，目的是為了使探測能有指向性。波束角減小以后傳感器探測到的范圍大大減小，當(dāng)探測到障礙物時不但可以知道它與汽車的距離，還可以知道它的方位。若只是用小波束角進(jìn)行掃描，必定會因掃描范圍過小而產(chǎn)生很大的盲區(qū)，故本系統(tǒng)設(shè)計(jì)將小波束角掃描與動態(tài)掃描相結(jié)合來進(jìn)行掃描，也就是讓超聲波傳感器在不同的方向上動起來。實(shí)現(xiàn)方式是讓超聲波傳感器用步距角為7.5°的步進(jìn)電動機(jī)來驅(qū)動，每個周期共驅(qū)動20次，這樣每個周期傳感器的探測角度總共為150°，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)量較多的小波柬角傳感器密集陣列，可以極大減小盲區(qū)。
其工作情況如下：在每個掃描周期中，超聲波傳感器在初始位置處完成一個5°的掃描，步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動7.5°，然后傳感器完成第二個5°的掃描，步進(jìn)電動機(jī)再次轉(zhuǎn)動7.5°，如次反復(fù)轉(zhuǎn)動20次，超聲波傳感器一共會在21個不同的方向上進(jìn)行探測，可以得到21個連續(xù)的探測信息，有效探測范圍總共為150°。如圖3所示。因?yàn)樘綔y范圍被細(xì)分成了21個方位，所以當(dāng)發(fā)現(xiàn)障礙物得知其距離時，結(jié)合當(dāng)前的掃描角度就能夠得知障礙物較為精確的方位，提高了探測精度。步進(jìn)電動機(jī)在每次轉(zhuǎn)動時，傳感器有兩個方向上的探測，故傳感器的探測角度為5°×2=10°，這個角度大于步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)動角度7.5°，所以每次的轉(zhuǎn)動并不會產(chǎn)生未被掃描到的遺漏區(qū)域。
（三）系統(tǒng)響應(yīng)時間。小波束角結(jié)合動態(tài)掃描的方式很好地解決了以往倒車防撞預(yù)警系統(tǒng)盲區(qū)大和指向性不明的缺陷，但因?yàn)檫@種掃描方式在每個周期中要掃描21次，總共花費(fèi)的時間比以往要長一些。為了使系統(tǒng)的響應(yīng)時間快，本設(shè)計(jì)同時采用了30°波束角單次掃描與5°小波束角動態(tài)掃描兩種超聲波傳感器。汽車尾部的4個超聲波傳感器，有兩個采用30°波束角單次掃描方式來探測，有兩個采用5°小波束角動態(tài)掃描方式來探測。汽車后視鏡可以輔助看到一些倒車情況，故汽車尾部兩側(cè)的超聲波傳感器采用30°波束角單次掃描，汽車尾部中間的超聲波傳感器采用5°小波束角動態(tài)掃描來減小盲^，兩種掃描方式相互協(xié)調(diào)相互補(bǔ)充。除了硬件設(shè)計(jì)方面，軟件編程上也對系統(tǒng)處理時間進(jìn)行了優(yōu)化。
總之，本設(shè)計(jì)采用了傳統(tǒng)單次掃描與小波束角動態(tài)掃描相結(jié)合來完成障礙物探測，提出的小波束角動態(tài)掃描有效地減少了盲區(qū)，同時能夠探測出障礙物的大致方位，極大地增強(qiáng)了探測精確度，能夠?qū)Φ管嚪雷财鸬胶芎玫妮o助作用。
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中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）35-0238-02
當(dāng)今社會測距是很普遍也很重要的問題，許多場合下需要準(zhǔn)確、迅速、實(shí)時的測距。例如盲人在行走的過程中，需要一個裝置來檢測前方有無障礙物，在距離障礙物距離過近的時候必須可以報(bào)警；又如汽車倒車的時候也需要檢測車尾與車庫的距離，在危險(xiǎn)距離的時候可以報(bào)警，使車主可以及時剎車，避免發(fā)生事故；再如一些的門口也需要測距的裝置，當(dāng)有人靠近的時候，會發(fā)出警報(bào)，使該區(qū)域的安全性得到保障。目前，測距的方法很多，如紅外檢測具有造價(jià)低、安全性能好、制作簡單等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是檢測精度低、實(shí)用性低。由于超聲測距是一種非接觸式檢測，其抗干擾能力較強(qiáng)，如光源、氣候?qū)Τ暤母蓴_都比較小，相比于其他的技術(shù)更精確，更安全。同時，超聲測距具有少維護(hù)、不污染、高可靠、長壽命等特點(diǎn)。基于這一現(xiàn)狀，本設(shè)計(jì)選用超聲波來檢測距離。
1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)
針對上述問題，本出如下的設(shè)計(jì)：先由超聲波傳感器向正前方發(fā)射超聲波，與此同時開始計(jì)時，超聲波沿著前進(jìn)的方向傳播，由于超聲波能感應(yīng)到障礙物，因此傳播過程中碰到障礙物就會立即朝反方向回傳，這樣超聲波接收器就可以接收到因障礙物而回傳的超聲波，同時，計(jì)時停止。超聲波在空氣中的傳播速度v，設(shè)傳播時間為t，那么單程傳播的為t/2，由距離（s）=速度（v）時間（t）/2，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離（s）。同時一方面將距離（s）由顯示屏顯示出來，讓使用者能對前方有無障礙物一目了然，并且還能掌握障礙物與其的具體距離；另一方面，設(shè)置一個距離最小值，也成閾值，當(dāng)障礙物的距離小于這個閾值的時候，單片機(jī)會給報(bào)警器發(fā)出報(bào)警信號，使報(bào)警器報(bào)警，讓使用者能夠迅速準(zhǔn)確的做出應(yīng)對措施。超聲波測距原理如圖1所示。
2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2.1 硬件器件的x型
本設(shè)計(jì)的傳感器選取的是非接觸式的HC-SR04超聲波測距模塊，HC-SR04超聲波測距模塊使用成本低、抗干擾能力強(qiáng)并且準(zhǔn)確性能好。單片機(jī)選取ARM系列最新、最先進(jìn)構(gòu)架的Cortex-M3內(nèi)核的STM32，STM32不僅性能優(yōu)越，而且價(jià)格便宜，所以本設(shè)計(jì)選取它作為主處理器。由于本設(shè)計(jì)的顯示屏只需要顯示距離信號，所以選取易于控制、成本低的1602顯示屏。
2.2 硬件設(shè)計(jì)
硬件的組成可以分為兩個部分：第一部分由超聲波傳感器以及STM32處理器組成，為檢測部分，具體作用為：首先由STM32控制超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波，與此同時STM32控制定時器開始計(jì)時，由于超聲波是沿著直線傳播，當(dāng)在前方遇見障礙物時，超聲波會立即反射回來，當(dāng)超聲波傳感器接收到超聲波的時候STM32控制計(jì)時結(jié)束；第二部分由1602顯示屏、報(bào)警電路組成，STM32檢測計(jì)算出來的距離會由1602顯示屏顯示出來，當(dāng)距離小于預(yù)先給STM32設(shè)定的閾值時，STM32會立即給報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警信號，使蜂鳴器報(bào)警。報(bào)警部分由蜂鳴器和報(bào)警電路組成，報(bào)警電路如圖3所示。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
軟件的設(shè)計(jì)主要是對STM32的編程，首先初始化串口和定時器，并且預(yù)先設(shè)置好閾值。接著給連接超聲波傳感器的IO口發(fā)出指令，開始發(fā)射超聲波，并且由STM32控制定時器開始計(jì)數(shù)；接著實(shí)時監(jiān)測超聲波接收器有無信號的讀取，若有，則說明前方有障礙物，定時器停止計(jì)數(shù)。取定時器的計(jì)數(shù)差值，由定時器計(jì)數(shù)的差值可以計(jì)算出共同的時間，而單向路程所需的時間為共同時間的一半，就可以計(jì)算出障礙物與超聲波傳感器的距離。同時還要將這個距離與預(yù)先設(shè)置好的閾值進(jìn)行比較，若距離值小于閾值，則STM32會給報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警信號，達(dá)到報(bào)警效果。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
隨機(jī)選取不同的距離、不同材質(zhì)的障礙物進(jìn)行檢測十次，每當(dāng)達(dá)到檢測范圍的時候，顯示屏每次都能準(zhǔn)確的顯示出障礙物的距離，并且當(dāng)過度靠近障礙物的時候，蜂鳴器每次都會發(fā)出報(bào)警。結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的超聲波測距系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)測距和報(bào)警的目的，滿足當(dāng)前市場的要求，同時制作簡易，具有很好的發(fā)展和使用前景。
參考文獻(xiàn)：
1超聲波無損檢測現(xiàn)狀及原理
現(xiàn)狀：超聲波無損檢測技術(shù)是國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛、使用頻率最高且發(fā)展較快的無損檢測技術(shù)，主要體現(xiàn)在改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造、成品檢測及設(shè)備服役的各個階段保證設(shè)備的可靠性和安全性。在現(xiàn)代無損檢測技術(shù)中，超聲成像技術(shù)是一種令人矚目的新技術(shù)，超聲圖像可以提供直觀和大量的信息，對檢測物品中存在的缺陷可以減少人為干擾，有效提高無損檢測的可靠性，是定量無損檢測的重要工具。
原理：超聲波無損檢測主要是基于超聲波在試件中的傳播特性，聲源產(chǎn)生超聲波，采用一定的方式使超聲波進(jìn)入試件后；超聲波在試件中傳播并與試件材料以及其中的缺陷相互作用，使其傳播方向或特征被改變；改變后的超聲波通過檢測設(shè)備被接受，并可對其進(jìn)行處理和分析，根據(jù)接受超聲波的特征，評估試件本身及其內(nèi)部是否存在缺陷及缺陷的特性。
2超聲波無損檢測方法應(yīng)用
2.1超聲波傳感器在無損檢測中的應(yīng)用
可聞聲波是人們能聽到的聲音，由物體震動產(chǎn)生，它的頻率在20Hz～20kHz范圍內(nèi)。于20Hz稱為次聲波，人耳雖然聽不到但與人體器官發(fā)生共振，頻率超過20kHz稱為超聲波，檢測中常用的超聲波頻率范圍為幾十kHz到幾十MHz，超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械震蕩波，它的傳播波型主要可分為縱波、橫波、表面波等三種，超聲波具有以下基本特性：傳播速度與介質(zhì)的密度，彈性特性和環(huán)境條件有關(guān)，通過兩種不同介質(zhì)時，會產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象，隨著介質(zhì)中傳播距離的增加，介質(zhì)吸收能量，使超聲波的強(qiáng)度有所衰減，超聲波傳感器利用晶體的壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)，將電和能相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對各種參量的測量，超聲波傳感器配上不同電路制成各種超聲波儀器和裝置，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)等許多領(lǐng)域。超聲波無損探傷具有應(yīng)用方便、適用性強(qiáng)、準(zhǔn)確率高，易自動化等許多優(yōu)點(diǎn)。
2.2超聲波傳感器的主要作用和結(jié)構(gòu)
超聲波傳感器是一種可逆換能器，超聲波換能器又稱超聲波探頭，超聲波換能器的主要工作原理有壓電式、磁致伸縮式、電磁式等。在檢測技術(shù)中主要采用壓電式。超聲波探頭的主要作用是：一個電聲換能器，并能將反射回來的聲波轉(zhuǎn)換成電脈沖；控制超聲波的傳播方向和能量集中的程度，當(dāng)改變探頭的入射角或改變超聲波的擴(kuò)散角時，可使聲波的主要能量按不同的角度射入介質(zhì)內(nèi)部或改變聲波的指向性，提高分辨率；實(shí)現(xiàn)波型轉(zhuǎn)換，控制工作頻率，適用于不同的工作條件，超聲波探頭又分為直探頭、斜探頭、雙探頭、表面波探頭等。
超聲波探頭與被測物體接觸時，探頭與被測物體表面間存在一層空氣薄層，空氣將引起三個界面間強(qiáng)烈的雜亂反射波，造成干擾，并造成很大的衰減。為此并需將接觸面之間的空氣排擠掉，使超聲波能順利的入射到被測介質(zhì)中，在工業(yè)中，經(jīng)常使用一種稱為耦合劑的液體物質(zhì)，使之充滿在接觸層中，起到傳遞超聲波的作用。常用的耦合劑有水、機(jī)油、甘油等。
超聲波探傷是目前應(yīng)用十分廣泛的無損探傷技術(shù)中的一種主要檢測手段，它既可以檢測材料表面缺陷，又可以檢測內(nèi)部幾米深的缺陷。但缺點(diǎn)是對工作表面要求平滑，要求富有經(jīng)驗(yàn)的檢測人員才能辨別缺陷種類，超聲波探傷適用于厚度較大的零件檢驗(yàn)。
3超聲波無損探傷的方法
到目前為止，已經(jīng)應(yīng)用的利用超聲波探傷進(jìn)行無損檢測的方法主要有以下幾種：
超聲波探傷的方法很多，最常用的是脈沖反射法。一般在均勻的材料中，缺陷的存在將造成材料的不連續(xù)，這種不連續(xù)往往又造成聲阻抗的不一致，由反射定理可知，超聲波在兩種不同聲阻抗的介質(zhì)的交界面上將會發(fā)生反射，反射回來的能量的大小與交界面兩邊介質(zhì)聲阻抗的差異和交界面的取向、大小有關(guān)。脈沖反射式超聲波探傷儀就是根據(jù)這個原理設(shè)計(jì)的。脈沖反射法根據(jù)超聲波波形的不同又分為縱波探傷、橫波探傷和表面波探傷。
目前便攜式的脈沖反射式超聲波探傷儀大部分是A掃描方式的，所謂A掃描顯示方式即顯示器的橫坐標(biāo)是超聲波在被檢測材料中的傳播時間或者傳播距離，縱坐標(biāo)是超聲波反射波的幅值。譬如，在一個鋼工件中存在一個缺陷，由于這個缺陷的存在，造成了缺陷在鋼材料之間形成了一個不同介質(zhì)之間的交界面，交界面之間的聲阻抗不用，當(dāng)發(fā)射的超聲波遇到這個界面之后，就會發(fā)生發(fā)射，反射回來的能量又被探頭接受到，在顯示屏幕中橫坐標(biāo)的一定的位置就會顯示出來一個反射波的波形，橫坐標(biāo)的這個位置就是缺陷在被檢測材料中的深度。這個反射波的長度和形狀因不同的缺陷而不同，反應(yīng)了缺陷的性質(zhì)。
4結(jié)論
超聲波無損檢測技術(shù)有其不同與其他無損檢測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，其靈敏度高，應(yīng)用范圍廣，穿透能力強(qiáng)，靈活性好，對缺陷的定位準(zhǔn)確。由于超聲波無損檢測的設(shè)備簡單輕便，能更好的應(yīng)用于戶外檢測，隨著超聲波檢測技術(shù)的不斷研發(fā)創(chuàng)新，在不久的將來，超聲波無損檢測技術(shù)因其獨(dú)特的特性必將有更加廣泛的前景。
在通常的工業(yè)生產(chǎn)工程中，液位測量的目是通過液面高度的測量來確定容器里的原材料、半成品或者產(chǎn)品的，用以保證生產(chǎn)過長的各個環(huán)節(jié)物料平衡以及給進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算提供可靠的依據(jù)。同時，在連續(xù)的生產(chǎn)過程中，為了維持正常生產(chǎn)、保證產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，以及保證安全生產(chǎn)。所以，液位的監(jiān)測在工業(yè)生產(chǎn)過程中是相當(dāng)重要的。測量液位的儀表主要分為接觸式液位儀表與非接觸式液位儀表兩部分。而超聲波液位儀表，由于其結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)地低廉，在近些年里得到了廣泛的應(yīng)用。
1 設(shè)計(jì)簡述
所謂的超聲波是指人類聽不到的聲波，一般人的聽覺范圍是20Hz～20kHz，超出這個范圍的聲波正常人是聽不到的。通過聲波在碰到液面后反彈回來的時間來計(jì)算當(dāng)時液面具超聲波傳感器的距離，則液位公式為：
L為液面距超聲波傳感器的距離，c為超聲波在空氣中傳播的速度，T為從聲波發(fā)出到接收到回波的時間。
1.1 超聲波液位儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
如圖1-1所示，該超聲波液位儀包括輸入部分、輸出部分以及控制部。
1.2 超聲波液位儀系統(tǒng)工作原理
將該超聲波傳感器安裝于待測容器的頂部，垂直于被測液面，當(dāng)發(fā)出的超聲波碰到被刺液體后回彈。這時一體化超聲波傳感器處于接受狀態(tài)，等待接受反彈回來的超聲波，通過超聲波的發(fā)送到接收的時間來計(jì)算液面距容器頂端的距離。
1.2.1 液位測量與計(jì)算
系統(tǒng)工作時，單片機(jī)的定時器開始計(jì)時，同時通過單片機(jī)的I/O口發(fā)送一串頻率為40kHz的信號，信號經(jīng)過升壓中周發(fā)放大后通過一體化超聲波傳感器發(fā)送出去。當(dāng)單片機(jī)檢測的回波信號時，停止定時器，并將定時器中的數(shù)值讀出，根據(jù)系統(tǒng)的機(jī)器周期計(jì)算出超聲波傳播的時間T。
1.2.2 余波的處理
超聲波探頭將超聲波脈沖發(fā)送完畢后，并不是立即停止的，而是逐漸衰減，這一段衰減過程中所發(fā)送的波被稱作余波。
使用軟件手段屏蔽掉了余波的干擾。通常收發(fā)一體化超聲波傳感器的余波衰減時間為2ms，因此，在程序中發(fā)送完40kHz波后，我們利用循環(huán)延時2ms，之后再開始讓微處理器等待接收回波信號。而在延時的2ms內(nèi)返回的超聲波將被忽略，這樣一來，我們將無法檢測較近的距離，而這段無法被檢測的距離就是本液位儀的工作盲區(qū)。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 控制部分
控制部分利用STC89C52RC單片機(jī)作為主控制芯片，負(fù)責(zé)超聲波輸出控制、超聲波回波信號接收處理、計(jì)算液面距超聲波探頭的距離、設(shè)置閥值輸出報(bào)警以及控制顯示部分輸出相關(guān)信息。
2.2 I/O口分配
P3.0和P3.1可用于串口通信、程序燒寫；而P1口則可以擴(kuò)展外接其他拓展模塊。
P3.6和P3.7口分別接CSBIN（超聲波信號輸入），用來接收回波通過處理后的有效電平信號；CSBOUT（超聲波信號輸出），用來輸出脈沖信號，是超聲波傳感器發(fā)出40kHz波。
P0口連接LCD1602（液晶顯示器）的數(shù)據(jù)口，P2.0～P2.2接LCD1602的三個控制口，P2.3接LCD1602的背光控制。
P2.4～P2.6口分別接三個按鍵輸入；P2.7口作為控制繼電器的信號輸出口，用于控制繼電器的開、閉。
2.3 按鍵與繼電器控制電路
按鍵、繼電器控制電路，獨(dú)立按鍵的按下將低電平引入單片機(jī)I/O口。而當(dāng)KA為“0”時，PNP管導(dǎo)通，繼電器線圈得電，觸點(diǎn)動作。
這里選用PNP型三極管是因?yàn)閱纹瑱C(jī)復(fù)位后，I/O口為高電平，如果使用NPN型三極管則會照成系統(tǒng)上電后繼電器會閉合一下，這樣對設(shè)備有害同時可能照成安全事故。
在繼電器線圈的兩端并入二極管DK1（1N4007）起到了對繼電器的保護(hù)作用。
2.4 超聲波信號發(fā)送及接收部分
發(fā)送部分電路主要用到了超聲波專用中周變壓器將單片機(jī)I/O口發(fā)出的激勵脈沖升壓后供給超聲波探頭，使其發(fā)送出與激勵脈沖相同頻率的超聲波。接受部分的電路中用了NE5532高性能低噪聲雙運(yùn)算放大器。由于NE5532的工作電壓至少為6V時，才能穩(wěn)定的工作，由于超聲波是一個交流信號，D5的作用就是將負(fù)半周期的信號通過GND消除，只保留正信號。信號通過BG2放大后進(jìn)入NE5532，又經(jīng)過濾波放大、比例微分后輸出。
3 軟件設(shè)計(jì)
首先由單片機(jī)發(fā)出 50KHz 的脈沖串，每八個脈沖為一組，脈沖串通過超聲波發(fā)射電路驅(qū)動超聲波換能器發(fā)出超聲波，單片機(jī)在發(fā)送脈沖的同時開始計(jì)時；超聲波遇到障礙物后的回波經(jīng)過放大、轉(zhuǎn)化等處理傳回單片機(jī)，這樣就得到了超聲波在空氣中的傳輸時間，然后在中斷程序中根據(jù)測出的時間計(jì)算出距離。完成后發(fā)出下一組脈沖。利用定時器計(jì)算出采樣時間，通過前后兩次液位差值與前后兩次檢測的時間，可以算出液位增長的速度。
從實(shí)際產(chǎn)品的角度來看，本文設(shè)計(jì)的超聲波測距儀還有需要進(jìn)一步完善和改進(jìn)的地方，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
（1）由于溫度對超聲波的傳播有一定的影響，所以如果加入溫度傳感器，測得儲蓄罐內(nèi)的溫度，在通過所得的溫度對超聲波進(jìn)行溫度補(bǔ)償，這樣能提高儀表的精確度。
（2）為了使超聲波液位計(jì)能夠檢測到從較遠(yuǎn)處反射回來的超聲波，需要進(jìn)一步完善修改硬件電路，提高硬件電路的抗干擾能力和對微弱信號的放大倍數(shù)，提高超聲波液位計(jì)的測量范圍和測量的精度。
中圖分類號：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9599 (2011) 22-0000-01
Hardware System Design Based on Multi-Sensor Intelligent Wheelchair
Hao Minchai
(Shijiazhuang Vocational College,Shijiazhuang 050081,China)
Abstract:High-performance low-cost intelligent wheelchair can greatly improve today's elderly and disabled users of the quality of life,safe and convenient to use people to their destination,during operation,the smart wheelchair can accept user issued the directive,according to the designated routes,so the design of intelligent wheelchair in the perception of the environment is an integral part of this paper,the context-aware intelligent wheelchair part of the multi-sensor system architecture,component design analysis and interpretation.
Keywords:Intelligent wheelchair;Sensor;System;Positioning
一、傳感器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
能夠?qū)崿F(xiàn)智能輪椅的總功能主要有：定位系統(tǒng)，環(huán)境感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和人機(jī)交互界面等功能。因此該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中傳感器模塊主要有內(nèi)部狀態(tài)感知和外部環(huán)境感知兩部分構(gòu)成，對于姿態(tài)傳感器主要用來調(diào)整輪椅自身的位姿信息；編碼器傳感器是位移速度和距離獲得自定位的信息采集源；視覺、超聲波和接近開關(guān)主要負(fù)責(zé)持續(xù)獲得周圍環(huán)境和輪椅位于障礙物的距離等的信息。驅(qū)動控制模塊我們采用電機(jī)控制后輪驅(qū)動的方式，在控制器的操作去控制電動輪椅的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向。
圖1：智能輪椅硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
二、多傳感器數(shù)據(jù)采集與處理
該智能輪椅有2個相對獨(dú)立的驅(qū)動輪并各自配有電機(jī)碼盤。電機(jī)碼盤實(shí)時進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測構(gòu)成了里程計(jì)式相對定位傳感器，并安裝有傾角傳感器和陀螺儀傳感器來測量輪椅在運(yùn)動過程的姿態(tài)。超聲波傳感器和接近開關(guān)用于感知周圍環(huán)境信息。為能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離的障礙物信息，還配備了超聲波傳感器。還配備了CCD圖像傳感器用于判斷前方行進(jìn)路程中的深度信息。
三、姿態(tài)傳感器
該智能輪椅設(shè)計(jì)采用了一個傾角傳感器和一個陀螺儀的組合來構(gòu)成姿態(tài)傳感器檢測車體平臺的運(yùn)行姿態(tài)。傾角傳感器用來測量輪椅偏離豎直方向的角度，陀螺儀用來測量角速度。
以TMS320LF2407A為控制核心的運(yùn)動控制器，根據(jù)編碼器和姿態(tài)傳感器檢測到的平臺運(yùn)行的位移和姿態(tài)信號，通過一定的控制策略計(jì)算出控制量，再經(jīng)脈寬調(diào)制控制及驅(qū)動器放大后驅(qū)動直流電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，隨時調(diào)整車體平臺的運(yùn)行速度，從而使車體平臺始終保持平衡狀態(tài)?？刂齐娐吩韴D如圖2所示?？刂瓢宀杉瘉碜詢A角和角速度傳感器的信號并對信號進(jìn)行調(diào)理（濾波、整形、偏移），然后將信號傳送到控制板中，經(jīng)過DSP的運(yùn)算處理（控制算法由電動車系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)而出），通過DSP的兩路脈寬調(diào)制將控制信號發(fā)出，再經(jīng)過電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，控制輪椅保持平衡狀態(tài)。
圖2：控制電路原理圖
四、多路超聲波測距模塊
本智能輪椅自主避障系統(tǒng)采用超聲波傳感器測量障礙物的距離，工作時，由單片機(jī)通過三路信號線選通多路模擬開關(guān)，由多路模擬開關(guān)負(fù)責(zé)每一路超聲波傳感器的通斷。每一路超聲波傳感器工作時，都由單片機(jī)的I/O口發(fā)射出頻率為40kHz，幅值為5V的矩形脈沖信號，經(jīng)過信號放大電路，變成穩(wěn)定的12V矩形脈沖信號，由超聲波發(fā)射換能器發(fā)射出超聲波。超聲波遇到障礙物返回，由超聲波接收換能器接收，經(jīng)過信號濾波放大集成電路，觸發(fā)單片機(jī)中斷。由單片機(jī)計(jì)算渡越時間，從而計(jì)算出障礙物的距離。
五、編碼器
編碼器是將信號或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備。編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號，前者稱為碼盤，后者稱為碼尺．接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”，通過“1”和“0”的二進(jìn)制編碼來將采集來的物理信號轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼可讀取的電信號用以通訊、傳輸和儲存。
產(chǎn)生的時鐘頻率是每個輸入序列的4倍，且把這個時鐘作為通用定時器2的輸入時鐘。圖4給出了正交編碼脈沖、增減計(jì)數(shù)方向及時鐘的波形。
圖4：編碼器輸出脈沖圖
