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篇(1)

[關(guān)鍵詞]超聲波 傳感器 疾病診斷 測(cè)距系統(tǒng) 液位測(cè)量

一、超聲波傳感器概述

1.超聲波

聲波是物體機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)的傳播形式。超聲波是指振動(dòng)頻率大于20000Hz以上的聲波,其每秒的振動(dòng)次數(shù)很高,超出了人耳聽(tīng)覺(jué)的上限,人們將這種聽(tīng)不見(jiàn)的聲波叫做超聲波。超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩,有兩種形式:橫向振蕩(橫波)及縱向振蕩(縱波)。在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播,其傳播速度不同。另外,它也有折射和反射現(xiàn)象,并且在傳播過(guò)程中有衰減。超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律,與可聽(tīng)聲波的規(guī)律并沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別。與可聽(tīng)聲波比較,超聲波具有許多奇異特性:傳播特性──超聲波的衍射本領(lǐng)很差,它在均勻介質(zhì)中能夠定向直線傳播,超聲波的波長(zhǎng)越短,這一特性就越顯著。功率特性──當(dāng)聲音在空氣中傳播時(shí),推動(dòng)空氣中的微粒往復(fù)振動(dòng)而對(duì)微粒做功。在相同強(qiáng)度下,聲波的頻率越高,它所具有的功率就越大。由于超聲波頻率很高,所以超聲波與一般聲波相比,它的功率是非常大的。空化作用──當(dāng)超聲波在液體中傳播時(shí),由于液體微粒的劇烈振動(dòng),會(huì)在液體內(nèi)部產(chǎn)生小空洞。這些小空洞迅速脹大和閉合,會(huì)使液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞擊作用,從而產(chǎn)生幾千到上萬(wàn)個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)。微粒間這種劇烈的相互作用,會(huì)使液體的溫度驟然升高,從而使兩種不相溶的液體(如水和油)發(fā)生乳化,并且加速溶質(zhì)的溶解,加速化學(xué)反應(yīng)。這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應(yīng)稱為超聲波的空化作用。

超聲波的特點(diǎn):(1)超聲波在傳播時(shí),方向性強(qiáng),能量易于集中;(2)超聲波能在各種不同媒質(zhì)中傳播,且可傳播足夠遠(yuǎn)的距離;(3)超聲波與傳聲媒質(zhì)的相互作用適中,易于攜帶有關(guān)傳聲媒質(zhì)狀態(tài)的信息(診斷或?qū)髀暶劫|(zhì)產(chǎn)生效應(yīng))。

2.超聲波傳感器

超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。以超聲波作為檢測(cè)手段,必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器,習(xí)慣上稱為超聲換能器,或者超聲探頭。

超聲波探頭主要由壓電晶片組成,既可以發(fā)射超聲波,也可以接收超聲波。超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。超聲波傳感器主要材料有壓電晶體(電致伸縮)及鎳鐵鋁合金(磁致伸縮)兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛(PZT)等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?它可以將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波,同時(shí)它接收到超聲波時(shí),也能轉(zhuǎn)變成電能,所以它可以分成發(fā)送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發(fā)送,也能作接收。 超聲波傳感器由發(fā)送傳感器(或稱波發(fā)送器)、接收傳感器(或稱波接收器)、控制部分與電源部分組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成,換能器作用是將陶瓷振子的電振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中幅射;而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成,換能器接收波產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng),將其變換成電能量,作為傳感器接收器的輸出,從而對(duì)發(fā)送的超進(jìn)行檢測(cè)。控制部分主要對(duì)發(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計(jì)數(shù)及探測(cè)距離等進(jìn)行控制。

二、超聲波傳感器的應(yīng)用

1.超聲波距離傳感器技術(shù)的應(yīng)用

超聲波傳感器包括三個(gè)部分:超聲換能器、處理單元和輸出級(jí)。首先處理單元對(duì)超聲換能器加以電壓激勵(lì),其受激后以脈沖形式發(fā)出超聲波,接著超聲換能器轉(zhuǎn)入接受狀態(tài),處理單元對(duì)接收到的超聲波脈沖進(jìn)行分析,判斷收到的信號(hào)是不是所發(fā)出的超聲波的回聲。如果是,就測(cè)量超聲波的行程時(shí)間,根據(jù)測(cè)量的時(shí)間換算為行程,除以2,即為反射超聲波的物體距離。把超聲波傳感器安裝在合適的位置,對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物變化方向發(fā)射超聲波,就可測(cè)量物體表面與傳感器的距離。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器,但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化,即在發(fā)射超聲波的時(shí)候,將電能轉(zhuǎn)換,發(fā)射超聲波;而在收到回波的時(shí)候,則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

2.超聲波傳感器在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

超聲波在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是診斷疾病,它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點(diǎn)是:對(duì)受檢者無(wú)痛苦、無(wú)損害、方法簡(jiǎn)便、顯像清晰、診斷的準(zhǔn)確率高等。

3.超聲波傳感器在測(cè)量液位的應(yīng)用

超聲波測(cè)量液位的基本原理是:由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號(hào),在氣體中傳播,遇到空氣與液體的界面后被反射,接收到回波信號(hào)后計(jì)算其超聲波往返的傳播時(shí)間,即可換算出距離或液位高度。超聲波測(cè)量方法有很多其它方法不可比擬的優(yōu)點(diǎn):(1)無(wú)任何機(jī)械傳動(dòng)部件,也不接觸被測(cè)液體,屬于非接觸式測(cè)量,不怕電磁干擾,不怕酸堿等強(qiáng)腐蝕性液體等,因此性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長(zhǎng);(2)其響應(yīng)時(shí)間短可以方便的實(shí)現(xiàn)無(wú)滯后的實(shí)時(shí)測(cè)量。

4.超聲波傳感器在測(cè)距系統(tǒng)中的應(yīng)用

超聲測(cè)距大致有以下方法:①取輸出脈沖的平均值電壓,該電壓 (其幅值基本固定)與距離成正比,測(cè)量電壓即可測(cè)得距離;②測(cè)量輸出脈沖的寬度,即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔 t,故被測(cè)距離為 S=1/2vt。如果測(cè)距精度要求很高,則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ３暡y(cè)距適用于高精度的中長(zhǎng)距離測(cè)量。

三、小結(jié)

文章主要從超聲波與可聽(tīng)聲波相比所具有的特性出發(fā),討論了超聲波傳感器的原理與特點(diǎn),并由此總結(jié)了超聲波傳感器在生產(chǎn)生活各個(gè)方面的廣泛應(yīng)用。但是,超聲波傳感器也存在自身的不足,比如反射問(wèn)題,噪聲問(wèn)題的等等。因此對(duì)超聲波傳感器的更深一步的研究與學(xué)習(xí),仍具有很大的價(jià)值。

參考文獻(xiàn):

[1]單片機(jī)原理及其接口技術(shù).清華大學(xué)出版社.

[2]栗桂鳳,周東輝,王光昕.基于超聲波傳感器的機(jī)器人環(huán)境探測(cè)系統(tǒng).2005,(04).

[3]童敏明,唐守鋒.檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù).中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社.

篇(2)

關(guān)鍵詞：智能小車(chē)；避障；超聲波傳感器

1 概述

機(jī)器人從最初的示范模仿機(jī)器人，到現(xiàn)在的具有感知能力的智能機(jī)器人，在技術(shù)上有了很大的進(jìn)步[1-2]。隨著機(jī)器人科學(xué)的發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用到生活、娛樂(lè)、軍事、醫(yī)學(xué)等各個(gè)方面。其中智能避障小車(chē)就是應(yīng)用于生活、娛樂(lè)軍事等領(lǐng)域的產(chǎn)品。智能避障小車(chē)采用兩輪或四輪驅(qū)動(dòng)，行動(dòng)靈活，操作方便，其避障系統(tǒng)能夠在行進(jìn)中對(duì)小車(chē)的前進(jìn)方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免發(fā)生碰撞或摩擦[3]。目前智能小車(chē)在實(shí)現(xiàn)避障功能時(shí)，往往在前方安裝兩個(gè)及以上的超聲波傳感器，由于超聲波以聲波的形式傳播，存在波束角，這會(huì)引起傳感器之間的干擾，而且安裝多個(gè)傳感器也會(huì)占用多個(gè)串口資源。故設(shè)計(jì)出了一種在前端使用一個(gè)傳感器的情況下任然能夠精確避障的算法。

2 超聲波測(cè)距原理

方法設(shè)計(jì)中使用HC-SR04超聲波測(cè)距傳感器，其使用方法簡(jiǎn)單，模塊性能穩(wěn)定，測(cè)度距離精確，普遍用于智能小車(chē)的避障系統(tǒng)中。超聲波測(cè)距有相位探測(cè)法、渡越時(shí)間探測(cè)法和聲波幅值探測(cè)法三種方法[4]。

渡越時(shí)間探測(cè)法，指的是超聲波發(fā)生器往某個(gè)方向發(fā)射超聲波，計(jì)時(shí)開(kāi)始于發(fā)射的時(shí)間點(diǎn)，此后超聲波沿直線傳播，當(dāng)超聲波撞擊到物體時(shí)就被反射回來(lái)，當(dāng)超聲波接收器接收到返回來(lái)的回波時(shí)計(jì)時(shí)停止。超傳感器與物體之間的距離d可以由公式（2.1）得出，其中c為空氣中超聲波沿直線傳播的速度，t為傳感器測(cè)量的時(shí)間[5-6]。

但由于發(fā)射的超聲波存在波束角，當(dāng)障礙物偏離傳感器一定角度時(shí)，傳感器將檢測(cè)不到障礙物，因此小車(chē)就可能與障礙物發(fā)生碰撞或摩擦。

3 避障距離計(jì)算

該設(shè)計(jì)基于兩輪驅(qū)動(dòng)的智能小車(chē)，計(jì)算出多個(gè)避障距離，最終選用最大的距離作為安全避障距離（以下均討論臨界狀態(tài)）。小車(chē)的模型及傳感器布置分別如圖2所示。

安全距離R（或D）：

若小車(chē)在轉(zhuǎn)彎時(shí)采用單輪轉(zhuǎn)動(dòng)的方法，則安全距離為小車(chē)的直徑D，若是采用兩個(gè)輪子反向同速轉(zhuǎn)動(dòng)，則安全距離為小車(chē)半徑R。

安全距離d1：

由于傳感器發(fā)出的超聲波有波束角，可以測(cè)量角度為？茲的扇形范圍內(nèi)的障礙物，若小車(chē)的避障距離過(guò)近，在圖3所示的情況中，即使前方有障礙物，傳感器1也檢測(cè)不到，所以需要提高避障距離。只有當(dāng)障礙物的距離a大于小車(chē)的直徑D時(shí)，小車(chē)才能安全通過(guò)，如圖4所示，其中避障距離d1可根據(jù)公式3.1計(jì)算得出。

若車(chē)體距離障礙物等于d1時(shí)能檢測(cè)到障礙物，則說(shuō)明前方無(wú)法通過(guò)，需執(zhí)行避障操作；若大于d1時(shí)檢測(cè)到無(wú)障礙物，說(shuō)明前方無(wú)障礙或可以通過(guò)障礙的間隙，可通過(guò)。

安全距離d2：

若執(zhí)行避障操作，假設(shè)左轉(zhuǎn)。存在以下兩種情況：

情況1：若兩輪反向同速轉(zhuǎn)動(dòng)，則左轉(zhuǎn)后車(chē)體右側(cè)與障礙物的仍為d1，如圖5（a）所示。若傳感器3檢測(cè)到障礙物，則繼續(xù)直行，若在前進(jìn)時(shí)檢測(cè)到右側(cè)無(wú)障礙，則執(zhí)行右轉(zhuǎn)，通過(guò)障礙回到原始方向。

情況2：若單輪轉(zhuǎn)動(dòng)，則左轉(zhuǎn)后車(chē)體右側(cè)與障礙物的距離變?yōu)閐1-R，如圖5（b）所示。然后繼續(xù)直行。若要在此之后再次右轉(zhuǎn)回到原始方向，由于是單輪轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)彎，則障礙物間距a應(yīng)大于等于D，在臨界狀態(tài)下，傳感器3剛檢測(cè)到障礙物時(shí)，如圖6所示，可以得出a/2=D。

綜上所述，若選擇兩輪反向同速轉(zhuǎn)彎，則避障距離選擇Max（R，d1）（即R和d1中的最大值）；若選擇單輪轉(zhuǎn)彎，由于安全距離d2恒大于安全距離d1，故避障距離選擇Max（R，d2）；若采用差速轉(zhuǎn)彎，避障距離仍可采用上述思路進(jìn)行計(jì)算。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

基于以上的避障距離算法，設(shè)計(jì)了一款智能避障小車(chē)。小車(chē)直徑為14cm，采用兩輪反向同速轉(zhuǎn)彎，HC-SR04超聲波傳感器的波束角為10°，計(jì)算得出安全距離d1=80cm，在障礙物如圖7所示（其中 始終大于D）。a1為直行時(shí)障礙物的間離，a2為左轉(zhuǎn)后車(chē)體右側(cè)障礙物的間距。

由表中數(shù)據(jù)可以看出基于該設(shè)計(jì)的智能避障小車(chē)在有間距的障礙物情況下避障或通過(guò)的成功率遠(yuǎn)大于前端安裝兩個(gè)傳感器的避障小車(chē)，有效的實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)避障小車(chē)的避障以及回到原方向的成功率。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章采用三回路的HC-SR04超聲波傳感器對(duì)障礙物進(jìn)行檢測(cè)，在車(chē)體前方安裝一個(gè)超聲波傳感器，節(jié)約了串口資源，并且能夠在避障后回到原始的前進(jìn)方向上，避免了由于避障導(dǎo)致的偏離方向。該設(shè)計(jì)仍存在局限性，如無(wú)法用于尺寸較大的智能避障小車(chē)。因此該方向仍有很大的提升空間。

參考文獻(xiàn)

[1]楊瑩.國(guó)內(nèi)外機(jī)器人研究領(lǐng)域的知識(shí)計(jì)量[D].大連：大連理工大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，2009：24-41.

[2]顧志華，戈惠梅，徐曉慧，等.基于多傳感器的智能小車(chē)避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，14（1）：11.

[3]戈惠梅，徐曉慧，顧志華，等.基于Arduino的智能小車(chē)避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（11）：118.

[4]渠笑納.超聲波測(cè)距在泊車(chē)輔助系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].大連理工大學(xué)，2010.

[5]潘元驍.基于Arduino的智能小車(chē)自動(dòng)避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2015.

篇(3)

關(guān)鍵詞：測(cè)距；超聲波傳感器；STM32； 1602顯示屏

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）35-0238-02

當(dāng)今社會(huì)測(cè)距是很普遍也很重要的問(wèn)題，許多場(chǎng)合下需要準(zhǔn)確、迅速、實(shí)時(shí)的測(cè)距。例如盲人在行走的過(guò)程中，需要一個(gè)裝置來(lái)檢測(cè)前方有無(wú)障礙物，在距離障礙物距離過(guò)近的時(shí)候必須可以報(bào)警；又如汽車(chē)倒車(chē)的時(shí)候也需要檢測(cè)車(chē)尾與車(chē)庫(kù)的距離，在危險(xiǎn)距離的時(shí)候可以報(bào)警，使車(chē)主可以及時(shí)剎車(chē)，避免發(fā)生事故；再如一些的門(mén)口也需要測(cè)距的裝置，當(dāng)有人靠近的時(shí)候，會(huì)發(fā)出警報(bào)，使該區(qū)域的安全性得到保障。目前，測(cè)距的方法很多，如紅外檢測(cè)具有造價(jià)低、安全性能好、制作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是檢測(cè)精度低、實(shí)用性低。由于超聲測(cè)距是一種非接觸式檢測(cè)，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(shí)，超聲測(cè)距具有少維護(hù)、不污染、高可靠、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)。基于這一現(xiàn)狀，本設(shè)計(jì)選用超聲波來(lái)檢測(cè)距離。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

針對(duì)上述問(wèn)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(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，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(guò)程中碰到障礙物就會(huì)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(shí)，計(jì)時(shí)停止。超聲波在空氣中的傳播速度v，設(shè)傳播時(shí)間為t，那么單程傳播的為t/2，由距離（s）=速度（v）時(shí)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(shí)一方面將距離（s）由顯示屏顯示出來(lái)，讓使用者能對(duì)前方有無(wú)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(gè)距離最小值，也成閾值，當(dāng)障礙物的距離小于這個(gè)閾值的時(shí)候，單片機(jī)會(huì)給報(bào)警器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，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(duì)措施。超聲波測(cè)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(cè)距模塊，HC-SR04超聲波測(cè)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(hào)，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(gè)部分：第一部分由超聲波傳感器以及STM32處理器組成，為檢測(cè)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(shí)STM32控制定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，由于超聲波是沿著直線傳播，當(dāng)在前方遇見(jiàn)障礙物時(shí)，超聲波會(huì)立即反射回來(lái)，當(dāng)超聲波傳感器接收到超聲波的時(shí)候STM32控制計(jì)時(shí)結(jié)束；第二部分由1602顯示屏、報(bào)警電路組成，STM32檢測(cè)計(jì)算出來(lái)的距離會(huì)由1602顯示屏顯示出來(lái)，當(dāng)距離小于預(yù)先給STM32設(shè)定的閾值時(shí)，STM32會(huì)立即給報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警信號(hào)，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(duì)STM32的編程，首先初始化串口和定時(shí)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(kāi)始發(fā)射超聲波，并且由STM32控制定時(shí)器開(kāi)始計(jì)數(shù)；接著實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)超聲波接收器有無(wú)信號(hào)的讀取，若有，則說(shuō)明前方有障礙物，定時(shí)器停止計(jì)數(shù)。取定時(shí)器的計(jì)數(shù)差值，由定時(shí)器計(jì)數(shù)的差值可以計(jì)算出共同的時(shí)間，而單向路程所需的時(shí)間為共同時(shí)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(shí)還要將這個(gè)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(huì)給報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警信號(hào)，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(cè)十次，每當(dāng)達(dá)到檢測(cè)范圍的時(shí)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(guò)度靠近障礙物的時(shí)候，蜂鳴器每次都會(huì)發(fā)出報(bào)警。結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)測(cè)距和報(bào)警的目的，滿足當(dāng)前市場(chǎng)的要求，同時(shí)制作簡(jiǎn)易，具有很好的發(fā)展和使用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡萍.超聲波測(cè)距儀的研制[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2003（10）：54-57.

篇(4)

【關(guān)鍵詞】超聲波 液位儀 MCU 微控制器 PCB

在通常的工業(yè)生產(chǎn)工程中，液位測(cè)量的目是通過(guò)液面高度的測(cè)量來(lái)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(guò)長(zhǎng)的各個(gè)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(shí)，在連續(xù)的生產(chǎn)過(guò)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(cè)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中是相當(dāng)重要的。測(cè)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(jiǎn)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(jiǎn)述

所謂的超聲波是指人類聽(tīng)不到的聲波，一般人的聽(tīng)覺(jué)范圍是20Hz～20kHz，超出這個(gè)范圍的聲波正常人是聽(tīng)不到的。通過(guò)聲波在碰到液面后反彈回來(lái)的時(shí)間來(lái)計(jì)算當(dāng)時(shí)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(shí)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(cè)容器的頂部，垂直于被測(cè)液面，當(dāng)發(fā)出的超聲波碰到被刺液體后回彈。這時(shí)一體化超聲波傳感器處于接受狀態(tài)，等待接受反彈回來(lái)的超聲波，通過(guò)超聲波的發(fā)送到接收的時(shí)間來(lái)計(jì)算液面距容器頂端的距離。

1.2.1 液位測(cè)量與計(jì)算

系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)的定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，同時(shí)通過(guò)單片機(jī)的I/O口發(fā)送一串頻率為40kHz的信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)升壓中周發(fā)放大后通過(guò)一體化超聲波傳感器發(fā)送出去。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)的回波信號(hào)時(shí)，停止定時(shí)器，并將定時(shí)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(shí)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(guò)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(shí)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(shí)2ms，之后再開(kāi)始讓微處理器等待接收回波信號(hào)。而在延時(shí)的2ms內(nèi)返回的超聲波將被忽略，這樣一來(lái)，我們將無(wú)法檢測(cè)較近的距離，而這段無(wú)法被檢測(cè)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(hào)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(xiě)；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(hào)輸入），用來(lái)接收回波通過(guò)處理后的有效電平信號(hào)；CSBOUT（超聲波信號(hào)輸出），用來(lái)輸出脈沖信號(hào)，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(gè)控制口，P2.3接LCD1602的背光控制。

P2.4～P2.6口分別接三個(gè)按鍵輸入；P2.7口作為控制繼電器的信號(hào)輸出口，用于控制繼電器的開(kāi)、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(shí)，PNP管導(dǎo)通，繼電器線圈得電，觸點(diǎn)動(dòng)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(huì)照成系統(tǒng)上電后繼電器會(huì)閉合一下，這樣對(duì)設(shè)備有害同時(shí)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(duì)繼電器的保護(hù)作用。

2.4 超聲波信號(hào)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(lì)脈沖升壓后供給超聲波探頭，使其發(fā)送出與激勵(lì)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(shí)，才能穩(wěn)定的工作，由于超聲波是一個(gè)交流信號(hào)，D5的作用就是將負(fù)半周期的信號(hào)通過(guò)GND消除，只保留正信號(hào)。信號(hào)通過(guò)BG2放大后進(jìn)入NE5532，又經(jīng)過(guò)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(gè)脈沖為一組，脈沖串通過(guò)超聲波發(fā)射電路驅(qū)動(dòng)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(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)；超聲波遇到障礙物后的回波經(jīng)過(guò)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(shí)間，然后在中斷程序中根據(jù)測(cè)出的時(shí)間計(jì)算出距離。完成后發(fā)出下一組脈沖。利用定時(shí)器計(jì)算出采樣時(shí)間，通過(guò)前后兩次液位差值與前后兩次檢測(cè)的時(shí)間，可以算出液位增長(zhǎng)的速度。

從實(shí)際產(chǎn)品的角度來(lái)看，本文設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)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(gè)方面：

（1）由于溫度對(duì)超聲波的傳播有一定的影響，所以如果加入溫度傳感器，測(cè)得儲(chǔ)蓄罐內(nèi)的溫度，在通過(guò)所得的溫度對(duì)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(cè)到從較遠(yuǎn)處反射回來(lái)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(duì)微弱信號(hào)的放大倍數(shù)，提高超聲波液位計(jì)的測(cè)量范圍和測(cè)量的精度。

（3）如果將本設(shè)計(jì)中的儀表用于工業(yè)控制上，可能出現(xiàn)問(wèn)題，比如，現(xiàn)在的工業(yè)控制基本上是現(xiàn)場(chǎng)和人員分離的，為了方便使用，在本設(shè)計(jì)余留的I/O接口上可以接上無(wú)線模塊，和模塊間的通信盡量使用SPI，因?yàn)檫@樣不占用串口資源，而串口這可以用來(lái)和上位機(jī)通信。

篇(5)

關(guān)鍵詞：橋梁；健康監(jiān)測(cè)；超聲波；傳感器；鋼筋；多源識(shí)別

中圖分類號(hào)：TU112.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2016）06-0143-04

1 前言

一直以來(lái)政府和公眾都對(duì)橋梁的健康安全狀況給予高度關(guān)注，如今無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外的諸多橋梁都存在不同的安全隱患。在中國(guó)，橋梁的建設(shè)速度受到質(zhì)量控制滯后的制約，每年均有橋梁倒塌事故的發(fā)生，造成難以挽回的重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。自1985年起，不同規(guī)模的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始在國(guó)外出現(xiàn)并運(yùn)行。20世紀(jì)90年代起我國(guó)也開(kāi)始在某些大型的橋梁上安裝規(guī)模各異的橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，例如香港汲水門(mén)大橋，青馬大橋和汀九大橋，內(nèi)地的江陰長(zhǎng)江大橋和上海徐浦大橋等。

2 橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀分析

針對(duì)振動(dòng)模態(tài)分析技術(shù)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的提出和應(yīng)用方面獲得的主要成果是：通過(guò)進(jìn)行強(qiáng)迫橋梁振動(dòng)的試驗(yàn)，判斷出局部結(jié)構(gòu)發(fā)展對(duì)模態(tài)參數(shù)的影響。根據(jù)可變荷載、恒荷載，以及支承地基對(duì)橋梁健康狀態(tài)的影響，驗(yàn)證了在橋梁健康自動(dòng)監(jiān)測(cè)中使用環(huán)境振動(dòng)法的可行性；通過(guò)獲取數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行修正，根據(jù)振型、頻率、振型曲率、應(yīng)變振型等改變量，開(kāi)發(fā)出不同類型的定位技術(shù)和損傷檢測(cè)技術(shù)；在數(shù)據(jù)處理上主要有MAC法、COMAC法、柔度矩陣法、矩陣攝動(dòng)修正法、非線性迭代法以及神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)法等。這些方法在一定范圍內(nèi)能夠發(fā)揮較為積極的效果，但隨著橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不斷研發(fā)存在一系列問(wèn)題：如未能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)點(diǎn)傳感器的鋪設(shè)，且抗干擾性差，易受外界環(huán)境的影響；噪聲、風(fēng)雨的干擾導(dǎo)致收集到的數(shù)據(jù)存在較大誤差，從而使數(shù)據(jù)處理的難度大大提高；未能實(shí)現(xiàn)橋梁病害的自動(dòng)識(shí)別。

筆者針對(duì)這些問(wèn)題，提出了超聲波傳感器在橋梁監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，解決了傳感器鋪設(shè)時(shí)尋求最優(yōu)點(diǎn)的問(wèn)題，提高了傳感器的成活率，同時(shí)針對(duì)超聲波傳感器收集到的數(shù)據(jù)建立了簡(jiǎn)單易行的數(shù)據(jù)處理及多源識(shí)別系統(tǒng)。

3 超聲波傳感器的工作原理及監(jiān)測(cè)可行性

應(yīng)用超聲波技術(shù)監(jiān)測(cè)橋梁內(nèi)部的鋼筋健康狀況的超聲波監(jiān)測(cè)法屬于無(wú)損監(jiān)測(cè)。超聲波監(jiān)測(cè)法對(duì)橋梁構(gòu)件進(jìn)行宏觀缺陷檢測(cè)并進(jìn)而就構(gòu)件的變形損傷進(jìn)行評(píng)價(jià)。橋梁服役期間，由于荷載風(fēng)雨雪等的影響所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件都會(huì)面臨程度不同的累積損傷，通過(guò)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)方法的應(yīng)用可以獲得橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)部鋼筋的健康狀態(tài)信息，從而與原始狀態(tài)的鋼筋進(jìn)行對(duì)比，以判斷累積損傷對(duì)鋼筋結(jié)構(gòu)的改變。

超聲波監(jiān)測(cè)法是一種不受光照溫度電磁場(chǎng)的非接觸式測(cè)量方法，已被廣泛用于醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)、高精密儀器的監(jiān)測(cè)、軍事導(dǎo)航等領(lǐng)域。超聲波是一種高于20kHz的機(jī)械振動(dòng)，能量集中，指向性好，有較強(qiáng)的穿透本領(lǐng)，在遇到兩種介質(zhì)的分界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生類似光波的反射折射現(xiàn)象。因此對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件發(fā)射超聲波，收集對(duì)面接收器收集的時(shí)間數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理可形成構(gòu)件內(nèi)部鋼筋的立體形態(tài)，從而分析其破壞程度，監(jiān)測(cè)其服役情況，及時(shí)做好防御，整治工作。

超聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由超聲波發(fā)射器，超聲波接收器，數(shù)據(jù)采集控制站，數(shù)據(jù)處理模塊組成。超聲波發(fā)射器即超生波電源，其功能是用來(lái)制造超聲頻電能同時(shí)為超聲換能器裝置提供電源。超聲波接收器的工作原理是指?jìng)鞲衅鹘邮章曅盘?hào)，傳感器一般都是壓電陶瓷，聲波信號(hào)達(dá)到壓電陶瓷上，一旦有機(jī)械振動(dòng)，壓電陶瓷能靈敏的將這一機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這樣就能實(shí)現(xiàn)了超聲信號(hào)的監(jiān)測(cè)。壓電陶瓷通過(guò)特殊的工藝和切割，有一固定的諧振頻率和帶寬，也就是每一片壓電陶瓷都有其對(duì)某一頻率最為敏感，且有一定的帶寬，所以能制作出不同峰值頻率和帶寬的傳感器，以適應(yīng)不同的監(jiān)測(cè)要求。

橋梁的主要材料為鋼筋混凝土，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，鋼筋達(dá)到屈服時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的塑性變形，構(gòu)件會(huì)出現(xiàn)較大的變形和過(guò)寬的裂縫，以致無(wú)法滿足正常使用的要求。鋼筋按其力學(xué)性能的不同可分為有明顯屈服點(diǎn)的鋼筋即軟鋼和沒(méi)有明顯屈服點(diǎn)的鋼筋即硬鋼，其應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系如圖1所示。

由圖1可知當(dāng)鋼筋承受較大的應(yīng)力發(fā)生破壞時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的變形，鋼筋鋪設(shè)在混凝土內(nèi)部，鋼筋的密度與混凝土的密度差很大，超聲波在其中傳播的速度會(huì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致接收到超聲波的時(shí)間發(fā)生變化。故可通過(guò)超聲波傳感器監(jiān)測(cè)橋梁中鋼筋的變形來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的健康監(jiān)測(cè)。

4 超聲波健康監(jiān)測(cè)工作流程

4.1 傳感器的工作程序及安裝方式

根據(jù)監(jiān)測(cè)的需要設(shè)計(jì)安裝溝槽。讀取圖紙中鋼筋混凝土中的受力鋼筋的位置，在其平行部位預(yù)留溝槽。橋梁跨度較大時(shí)，分段進(jìn)行。溝槽的寬度根據(jù)超聲波發(fā)射器及超聲波接收器的大小設(shè)計(jì)。溝槽要求光滑平整不影響傳感器的正常工作。健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器工作程序如圖2。

在橋梁上的溝槽上安裝滑輪小車(chē)（自動(dòng)化且能遠(yuǎn)程指揮），將超聲波傳感器分別安裝在每一段上的滑輪小車(chē)上，使其在溝槽內(nèi)能夠按照已經(jīng)設(shè)計(jì)好的運(yùn)行軌道移動(dòng)，從而用較少的傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁內(nèi)部鋼筋結(jié)構(gòu)的全面監(jiān)測(cè)。對(duì)小車(chē)及所監(jiān)測(cè)的鋼筋及所在軌道進(jìn)行編號(hào)（表1），并根據(jù)實(shí)際情況與要求設(shè)定各個(gè)小車(chē)的運(yùn)行周期。

圖3中，M′、N′、M″、N″分別為所設(shè)溝槽；P是安裝超聲波發(fā)射器的遙控小車(chē)所在位置；Q是安裝超聲波接收器的遙控小車(chē)所在位置，在儀器運(yùn)行階段PQ的連線必須與鋼筋所在直線MN保持垂直。將接收到的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

4.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

采用二元數(shù)組的形式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)（表2和表3）。

4.3 數(shù)據(jù)處理及多源識(shí)別

在進(jìn)行調(diào)試時(shí)，根據(jù)鋼筋混凝土試件的不同，橋梁所處的不同環(huán)境，選擇不同峰值頻率和帶寬的傳感器，以適應(yīng)不同的監(jiān)測(cè)要求。

采集到的數(shù)據(jù)均是超聲波的傳遞時(shí)間（t1，t2，t3，…，tn），分別就理想狀態(tài)與試驗(yàn)狀態(tài)的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分析。

（1）理想狀態(tài)（假設(shè)鋼筋混凝土構(gòu)件內(nèi)部的混凝土攪拌絕對(duì)均勻，1dm2驗(yàn)小塊的密度能夠保持一致性）。

橋梁建成未運(yùn)營(yíng)時(shí)：采集原始數(shù)據(jù)組（t1，t2，t3，…，fn）則有（t1=t2=t3=…=tn），安裝超聲波接收器的遙控小車(chē)從M′運(yùn)行到N′視為一個(gè)運(yùn)行周期，通過(guò)一元一次方程模擬的鋼筋狀態(tài)示意圖（圖4）。

鋼筋發(fā)生一定程度的彎折時(shí)：采集數(shù)據(jù)組（t1，t2，t3，……tn……）則有（t1=t2=t3，t34不等于t35但連續(xù)變化……），并與原始數(shù)據(jù)組進(jìn)行比較，通過(guò)一元一次方程模擬的鋼筋狀態(tài)示意圖（圖5）。

由圖4、5可知，有一段鋼筋發(fā)生了彎折，且根據(jù)小車(chē)在第t3，t4時(shí)刻所在的位置，估測(cè)出鋼筋的形變位置。

（2）試驗(yàn)狀態(tài)（鋼筋混凝土構(gòu)件內(nèi)部的混凝土攪拌達(dá)不到絕對(duì)均勻，1dm3的試驗(yàn)小塊的密度有輕微差別）。橋梁建成未運(yùn)營(yíng)時(shí)：采集原始數(shù)據(jù)組（t1，t2，t3，……tn……）則有（t1，t2，t3，……tn……不相等但呈現(xiàn)連續(xù)性變化），裝超聲波接收器的遙控小車(chē)從M′運(yùn)行到N′視為一個(gè)運(yùn)行周期，通過(guò)一元一次方程模擬的鋼筋變形狀態(tài)如圖6。

將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)監(jiān)測(cè)各種破壞的破壞形式從而形成圖像，建立破壞時(shí)的數(shù)據(jù)庫(kù)形成各種破壞模型。監(jiān)測(cè)運(yùn)營(yíng)后的橋梁情況與真實(shí)的初始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，建立如圖7的比較圖像。

當(dāng)監(jiān)測(cè)識(shí)別存在偏差時(shí)，與各種破壞的破壞圖像比較，尋求相似度接近度最高的模型，從而分析橋梁的實(shí)際變形，做出正確的損傷判斷。

上述方法僅能監(jiān)測(cè)鋼筋的上下變形，通過(guò)安裝多傳感器即在構(gòu)件的上下位置同時(shí)安裝一套儀器，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋的前后變形監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)兩組數(shù)據(jù)的合成，實(shí)現(xiàn)鋼筋的三維立體實(shí)測(cè)圖像，如圖8、9所示。

與單一超聲波系統(tǒng)比較，采用多傳感器監(jiān)測(cè)的健康系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更加立體和全方位的監(jiān)測(cè)視角，提高健康診斷的準(zhǔn)確性和可靠性，得到精確的目標(biāo)距離方位信息。

4.4 超聲波健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：鋪設(shè)在橋梁結(jié)構(gòu)的外部，便于安裝維修；不用尋求一般傳感器的最優(yōu)鋪設(shè)位置，通過(guò)溝槽的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)橋梁內(nèi)部鋼筋的全面監(jiān)測(cè)。且對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)損傷；使用時(shí)受外界噪聲影響較小，得到的數(shù)據(jù)精確度更高，提高了數(shù)據(jù)的利用率，降低了數(shù)據(jù)處理的難度；超聲波技術(shù)基于傳感器原理，可以進(jìn)行多源數(shù)據(jù)的擴(kuò)充和信息系統(tǒng)處理能力的進(jìn)一步提高，為橋梁健康監(jiān)測(cè)提供了基礎(chǔ)技術(shù)支撐平臺(tái)。

篇(6)

關(guān)鍵詞：ZigBee；停車(chē)場(chǎng)管理；嵌入式；無(wú)線傳感網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2013）03-0018-04

0 引 言

隨著我國(guó)城市現(xiàn)代化、國(guó)際化的發(fā)展，城市居民汽車(chē)擁有量急劇增加，車(chē)輛的管理控制也顯得越發(fā)重要[1]。在擁擠的市區(qū)里，汽車(chē)與停車(chē)位之間的矛盾越來(lái)越突出[2]。對(duì)于各類停車(chē)場(chǎng)控制管理也有著更高的要求，不僅要求可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的收費(fèi)和停泊管理，而且要求車(chē)輛進(jìn)出都可以快速進(jìn)行，縮短停車(chē)時(shí)在出入口的平均逗留時(shí)間，提高停車(chē)效率。為了提高停車(chē)場(chǎng)的信息化、智能化管理水平，給車(chē)主提供一種更加安全、舒適、方便、快捷和開(kāi)放的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)停車(chē)場(chǎng)運(yùn)行的高效化、節(jié)能化、環(huán)保化，本文設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的停車(chē)場(chǎng)管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

當(dāng)停車(chē)者根據(jù)點(diǎn)陣屏上顯示的車(chē)位信息進(jìn)入停車(chē)場(chǎng)時(shí)，按鍵，射頻卡自動(dòng)彈出，內(nèi)部自動(dòng)進(jìn)行第一次刷卡，系統(tǒng)記住刷卡時(shí)間。車(chē)位信息由ZigBee系統(tǒng)采集與傳輸。終端節(jié)點(diǎn)將采集到的車(chē)位信息通過(guò)路由器發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器處理之后，通過(guò)串口發(fā)送給LED點(diǎn)陣控制器，最終LED控制器控制點(diǎn)陣顯示停車(chē)場(chǎng)車(chē)位信息。當(dāng)司機(jī)離開(kāi)停車(chē)場(chǎng)時(shí)再次刷卡，系統(tǒng)通過(guò)兩次刷卡的時(shí)間差與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)費(fèi)對(duì)比進(jìn)行收費(fèi)。

本系統(tǒng)主要由三部分組成：第一部分是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，它由ZigBee協(xié)調(diào)器、路由器以及帶有超聲波傳感器的終端節(jié)點(diǎn)組成；第二部分是射頻計(jì)費(fèi)，由S3C2440和MFRC522射頻模塊組成；第三部分是信息顯示系統(tǒng)，由AVR單片機(jī)和點(diǎn)陣顯示屏組成。圖1所示是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。

ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1 mW。在通信狀態(tài)下，ZigBee終端耗電為幾十毫瓦；在省電模式下，耗電僅僅幾十微瓦。由于工作時(shí)間較短、收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式，因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間[3]。在本設(shè)計(jì)中，終端節(jié)點(diǎn)采用中斷喚醒睡眠模式。當(dāng)超聲波傳感器的電平不發(fā)生變化時(shí)，CC2430處于休眠模式[4]；當(dāng)超聲波傳感器的電平跳變時(shí)，51單片機(jī)發(fā)信號(hào)喚醒CC2430工作。這樣，本設(shè)計(jì)在功耗方面可以降到最低，這也是本設(shè)計(jì)采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的主要理由。

ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是本設(shè)計(jì)的主要部分。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集與無(wú)線傳輸超聲波傳感器實(shí)時(shí)對(duì)車(chē)位是否被車(chē)輛占用發(fā)送監(jiān)測(cè)信息。最后由協(xié)調(diào)器發(fā)往監(jiān)控中心，在LED點(diǎn)陣顯示屏顯示車(chē)位剩余信息以及空車(chē)位所在的具置。理論上每個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器可容納65 000多個(gè)節(jié)點(diǎn)[5]，而且隨著停車(chē)場(chǎng)大型化趨勢(shì)的發(fā)展，可以通過(guò)增加路由器對(duì)大型停車(chē)場(chǎng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分區(qū)管理，一個(gè)協(xié)調(diào)器放在監(jiān)控中心對(duì)幾個(gè)分區(qū)進(jìn)行監(jiān)控。

本設(shè)計(jì)中的終端節(jié)點(diǎn)由CC2430模塊、超聲波傳感器與51單片機(jī)組成。超聲波傳感器的發(fā)送和接收端與51單片機(jī)的P1.0和P3.2相連，51單片機(jī)信息輸出端再與CC2430模塊的中斷接口相連。圖2所示是終端節(jié)點(diǎn)的連線圖。

將終端節(jié)點(diǎn)放置在停車(chē)場(chǎng)車(chē)位下部。超聲波傳感器在未檢測(cè)到障礙物時(shí)，輸出端發(fā)送的是連續(xù)的高電平；檢測(cè)到障礙物時(shí)，輸出端發(fā)送低電平；當(dāng)檢測(cè)到障礙物穩(wěn)定時(shí)，超聲波傳感器持續(xù)輸出低電平。由于一般轎車(chē)底盤(pán)是20～50 cm，可以在軟件程序里設(shè)置超聲波傳感器的檢測(cè)距離來(lái)判斷車(chē)位是否有汽車(chē)存在。超聲波傳感器實(shí)時(shí)工作，當(dāng)輸出端有電平跳變時(shí)觸發(fā)51單片機(jī)，當(dāng)電平跳變到一個(gè)值趨于穩(wěn)定時(shí)，說(shuō)明該車(chē)位的車(chē)位信息就會(huì)變化，51單片機(jī)將信息發(fā)送給CC2430。終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)以上過(guò)程采集車(chē)位信息，終端節(jié)點(diǎn)采集到的車(chē)位信息通過(guò)路由器傳給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器把采集到的車(chē)位信息進(jìn)行分析與處理，發(fā)送給點(diǎn)陣顯示屏的控制器。協(xié)調(diào)器通過(guò)串口與點(diǎn)陣顯示屏的控制器相連。點(diǎn)陣屏將車(chē)位信息實(shí)時(shí)顯示，以文字與標(biāo)號(hào)結(jié)合的方式為停車(chē)者提供參考。

射頻計(jì)費(fèi)部分采用的是S3C2440和MFRC522模塊組成的刷卡計(jì)費(fèi)器。主控芯片使用S3C2440處理器，它是一款32位的高速處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理與傳輸。它主要有以下特點(diǎn)：體積小、低功耗、低成本、高性能；大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高 [6]。本設(shè)計(jì)選用非接觸型IC卡，即射頻IC卡。射頻IC卡避免了接觸型IC卡與讀卡器之間的物理接觸，減少了卡的磨損[7]，故本設(shè)計(jì)采用PHILIPS公司的Mifare1卡和本射頻卡配套的MFRC522芯片。由于MFRC522兼容SPI的通信方式，本設(shè)計(jì)在S3C2440上模擬了SPI的接口供其與MFRC522通信，在SPI通信中MFRC522模塊用作從機(jī)。SPI時(shí)鐘SCK由主機(jī)產(chǎn)生。數(shù)據(jù)通過(guò)MOSI線從主機(jī)傳輸?shù)綇臋C(jī)；數(shù)據(jù)通過(guò)MISO線從MFRC522發(fā)回到主機(jī)。

本設(shè)計(jì)采用AVR單片機(jī)控制LED點(diǎn)陣顯示屏。因?yàn)锳VR單片機(jī)處理指令的速度比其他單片機(jī)較快，抗干擾能力相對(duì)較強(qiáng)，作為點(diǎn)陣顯示屏的控制器，可以顯示比較好的效果，所以，本設(shè)計(jì)使用AVR ATmega16單片機(jī)為L(zhǎng)ED點(diǎn)陣控制器。點(diǎn)陣顯示屏可以直觀地將停車(chē)場(chǎng)的車(chē)位信息顯示，為停車(chē)者提供參考，供停車(chē)者快速便捷地停車(chē)，節(jié)省大量時(shí)間。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee通信協(xié)議采用分層結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)通過(guò)在不同層上的特定服務(wù)來(lái)完成所要執(zhí)行的各種任務(wù)。本設(shè)計(jì)采用TI公司提供的ZigBee 2006 Z-Stack協(xié)議棧[8]，其在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)物理層（PHY）和媒體訪問(wèn)控制層（MAC）基礎(chǔ)上增加了網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和安全服務(wù)規(guī)范[9]，是一種較好的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)組建方案。ZigBee設(shè)備類型按網(wǎng)絡(luò)功能分為三種：協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)是由協(xié)調(diào)器建立的，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)想建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)必須滿足兩個(gè)條件：第一，節(jié)點(diǎn)是具有協(xié)調(diào)器功能的全功能設(shè)備（FFD）節(jié)點(diǎn)[10]；第二，節(jié)點(diǎn)沒(méi)有和其他網(wǎng)絡(luò)連接，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)只允許有唯一一個(gè)協(xié)調(diào)器，如果此節(jié)點(diǎn)與其他網(wǎng)絡(luò)連接，那么此節(jié)點(diǎn)只能作為該網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)，而不能建立自己的網(wǎng)絡(luò)了。

協(xié)調(diào)器是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，它也是網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)設(shè)備[11]。它主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、節(jié)點(diǎn)成員的加入、網(wǎng)絡(luò)地址分配、網(wǎng)絡(luò)鏈接表的更新、信息的收集與轉(zhuǎn)發(fā)等。此外，在本設(shè)計(jì)中協(xié)調(diào)器通過(guò)串口與AVR單片機(jī)模塊進(jìn)行通信，因此需要在協(xié)議棧中編寫(xiě)ZigBee串口應(yīng)用程序。圖3為ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)搭建流程圖。

ZigBee路由節(jié)點(diǎn)在本設(shè)計(jì)中主要實(shí)現(xiàn)路由傳輸終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息功能，所以程序設(shè)計(jì)相比協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)較簡(jiǎn)單。

終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)車(chē)位信息采集與發(fā)送。終端節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集各個(gè)傳感器的輸出車(chē)位信息，并將車(chē)位信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器；同時(shí)也實(shí)時(shí)準(zhǔn)備接收協(xié)調(diào)器發(fā)送的控制命令，收到控制命令執(zhí)行相應(yīng)的操作。所以終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的加入、傳感器數(shù)據(jù)采集、無(wú)線數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

本設(shè)計(jì)中分配給每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)不同的物理地址，將物理地址作為判斷該終端節(jié)點(diǎn)所在的車(chē)位是否有汽車(chē)的依據(jù)。當(dāng)車(chē)位被占時(shí)，將該車(chē)位終端節(jié)點(diǎn)的物理地址的后兩位“XX”（XX代表每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的物理地址的后兩位）發(fā)送到協(xié)調(diào)器；當(dāng)車(chē)位空時(shí)，車(chē)位終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送“00”到協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器將收到的車(chē)位信息通過(guò)串口發(fā)送到單片機(jī)，存儲(chǔ)到單片機(jī)的串口存儲(chǔ)緩沖器中，點(diǎn)陣顯示判斷程序通過(guò)判斷存儲(chǔ)緩沖器的數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)的車(chē)位信息顯示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

終端節(jié)點(diǎn)是由CC2430、51單片機(jī)和超聲波傳感器為一體的采集節(jié)點(diǎn)組成的。由于一般的轎車(chē)底盤(pán)是20～50 cm，通過(guò)在程序里設(shè)置超聲波傳感器的檢測(cè)距離來(lái)檢測(cè)車(chē)位是否有車(chē)。當(dāng)車(chē)位被占時(shí)，超聲波傳感器采集到低電平發(fā)送給CC2430；當(dāng)車(chē)位空著時(shí)，超聲波傳感器采集到高電平發(fā)送給CC2430。系統(tǒng)通過(guò)電平差來(lái)判斷車(chē)位是否有車(chē)的存在。本設(shè)計(jì)中車(chē)位1的終端節(jié)點(diǎn)的后兩位的物理地址為20，車(chē)位2的終端節(jié)點(diǎn)的后兩位的物理地址為40。由于采用兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，每次兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的車(chē)位信息一起發(fā)送，即四位一起。圖4所示是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送車(chē)位占滿與全空的示意圖。 當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)采集到車(chē)位1和車(chē)位2都被占時(shí)發(fā)送“2040” ； 當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)采集到兩車(chē)位都空著的信息時(shí)，協(xié)調(diào)器發(fā)送“0000”。

圖5所示是車(chē)位有一個(gè)被占時(shí)的界面示意圖。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)采集到車(chē)位2空著，車(chē)位1被占時(shí)發(fā)送“2000”； 當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)采集到車(chē)位1空著，車(chē)位2被占時(shí)發(fā)送“0040”。

4 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)綜合了ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的停車(chē)場(chǎng)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地判斷車(chē)位信息，并用LED點(diǎn)陣屏顯示位信息，以引導(dǎo)停車(chē)者快速、便捷地停車(chē)。本設(shè)計(jì)能夠有效地克服大型停車(chē)場(chǎng)布線難的問(wèn)題，同時(shí)節(jié)省成本，同時(shí)，ZigBee通過(guò)功放可在低功耗的條件下實(shí)現(xiàn)1 000 m以上的通信距離，在停車(chē)場(chǎng)中基本可實(shí)現(xiàn)全覆蓋。但是，本設(shè)計(jì)還有一些不足，比如超聲波傳感器的能耗問(wèn)題，還有加入更多的終端節(jié)點(diǎn)該怎么判斷等問(wèn)題。因此，以后還需要進(jìn)一步研究，以讓本設(shè)計(jì)更充分體現(xiàn)它的價(jià)值作用。

參 考 文 獻(xiàn)

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[9] YU Ning， WANG Jiang-wen，WU Yin-feng. Localization algorithm in wireless sensor networks [J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators， 2007， 20（1）： l87-192.

篇(7)

關(guān)鍵詞 鉆井儀表；泥漿體積測(cè)量；體積傳感器

中圖分類號(hào)TE92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1674-6708（2011）47-0144-02

0 引言

隨油層開(kāi)發(fā)難度的增大以及出于對(duì)油氣層的保護(hù)，鉆井作業(yè)中常采用欠平衡等工程保護(hù)措施；為確保欠平衡鉆井作業(yè)的安全高效，對(duì)鉆井工程儀表中泥漿體積監(jiān)測(cè)提出了更高的要求。在體積檢測(cè)手段上有M/D TOTCO 的MD WACTH和國(guó)內(nèi)VDX VentureDynamix等一些成熟的鉆井儀表技術(shù)。

泥漿體積監(jiān)測(cè)是物位測(cè)量的一種，精度上依賴于傳感器的性能；許多新型體積測(cè)量傳感器隨計(jì)算機(jī)、雷達(dá)等新技術(shù)的應(yīng)用而得以推廣。按照測(cè)量方式的不同可分為接觸式與非接觸式傳感器兩種類型。

1 接觸式傳感器簡(jiǎn)介

接觸式傳感器與測(cè)量介質(zhì)接觸；按照測(cè)量原理又分為浮力式、靜壓式、電容式幾種；其中恒浮力式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，成為鉆井生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的一種測(cè)量方式。

浮子式液位傳感器采用磁性浮子和裝有磁敏元件的非磁性管子的方式測(cè)量，如圖1所示；管內(nèi)的磁敏元件在磁性浮子中磁力線的作用下連通；磁力消失，觸點(diǎn)斷開(kāi)；根據(jù)接通觸點(diǎn)的位置，可以換算出液面的高度，再根據(jù)罐截面積就能計(jì)算出罐內(nèi)的泥漿體積了。

根據(jù)磁敏元件的使用，可分為干簧管式、霍爾元件式、磁致伸縮式幾種浮子傳感器。

1.1 干簧管式浮子傳感器

干簧管是干式舌簧管的簡(jiǎn)稱，是一種有觸點(diǎn)的無(wú)源電子開(kāi)關(guān)元件，如圖2所示；其外殼一般是一根密封的玻璃管，管中裝有兩個(gè)鐵質(zhì)的彈性簧片，還灌有一種叫金屬銠的惰性氣體。

干簧式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，便于控制等優(yōu)點(diǎn)；但其缺點(diǎn)也是比較明顯的，易碎、觸點(diǎn)磁化不分離等。

1.2 霍爾元件式浮子傳感器

霍爾元件式浮子傳感器采用類似于三極管或集成電路封裝的感應(yīng)器件；這種封裝的傳感器件具有結(jié)構(gòu)牢固、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)頻率高（可達(dá)1MHz）、耐震等優(yōu)點(diǎn)，隨封裝成本的降低，霍爾元件式浮子傳感器感正成為干簧管傳感器的替代者。霍爾元件如圖3所示。

2 非接觸式傳感器簡(jiǎn)介

非接觸式傳感器不與測(cè)量介質(zhì)接觸；傳感器種類主要有微波雷達(dá)、光導(dǎo)和超聲波等幾種。其特點(diǎn)是使用聲波、光波、電磁射線等方式來(lái)測(cè)量，拆裝方便，精度高。

2.1 超聲波物位計(jì)

超聲波是機(jī)械波的一種，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱向振蕩（縱波）。在工業(yè)中超聲波物位計(jì)主要采用縱波測(cè)量。

2.1.1 檢測(cè)原理

超聲波測(cè)量液位的基本原理是：由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號(hào)，在氣體中傳播，遇到空氣與液體的界面后被反射，接收到回波信號(hào)后計(jì)算其超聲波往返的傳播時(shí)間，即可換算出距離或液位高度。原理如圖4所示。

2.1.2 計(jì)算方法

考慮到環(huán)境溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響，通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)傳播速度予以校正，以提高測(cè)量精度。計(jì)算公式為：

V=331.5+0.607T （1）

式中：V為超聲波在空氣中傳播速度；T為環(huán)境溫度。

S=V ×t/2=V×（t1-t0）/2 （2）

式中：S為被測(cè)距離；t為發(fā)射超聲脈沖與接收其回波的時(shí)間差；t1為超聲回波接收時(shí)刻；t0為超聲脈沖發(fā)射時(shí)刻。利用MCU的捕獲功能可以很方便地測(cè)量t0時(shí)刻和t1時(shí)刻，根據(jù)以上公式，用軟件編程即可得到被測(cè)距離S。

2.1.3 超聲波傳感器的特點(diǎn)

超聲波傳感器應(yīng)用起來(lái)原理簡(jiǎn)單，安裝方便，成本也很低。但易受環(huán)境噪音、水汽、液面泡沫的影響，造成體積測(cè)量中出現(xiàn)測(cè)量值出現(xiàn)較大的跳動(dòng)。

2.2 微波物位計(jì)

微波技術(shù)測(cè)量原理類同與超聲波測(cè)量；簡(jiǎn)單區(qū)分，微波是利用電磁波來(lái)測(cè)量，超聲波是利用聲波來(lái)測(cè)量。微波測(cè)量也稱為雷達(dá)測(cè)量，雷達(dá)信息通過(guò)發(fā)射器、發(fā)射天線、目標(biāo)、接收天線和接收器組成的通道發(fā)射和接收。發(fā)射器以波束形式發(fā)射高頻電磁波，經(jīng)泥漿液面反射后，部分電磁波到達(dá)雷接收器，計(jì)算方式也類同與超聲波。

3 結(jié)論

非接觸式變送器剛進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，曾被寄予過(guò)高的期望，實(shí)用中發(fā)現(xiàn)局限性也很大；與接觸式傳感器比具有精度高、測(cè)程遠(yuǎn)、全天候等特點(diǎn)，但也有明顯的劣勢(shì)：測(cè)量靶心大，易受罐內(nèi)攪拌器、盤(pán)管、海底閥以及液體泡沫等障礙物的影響。隨著計(jì)算機(jī)軟件、超聲波、雷達(dá)等新技術(shù)的應(yīng)用研究，超聲波液位計(jì)在鉆井現(xiàn)場(chǎng)會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，是一種較有前途的測(cè)量方法。

參考文獻(xiàn)

[1]張秀菊，龍曉林.開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器的應(yīng)用[J].電子世界，2002(4)：35-36.