时间：2022-12-25 07:05:52
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇超声波传感器，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
【关键词】超声波 传感器 疾病诊断 测距系统 液位测量
一、超声波传感器概述
（一）超声波。
声波是物体机械振动状态的传播形式。超声波是指振动频率大于20000Hz以上的声波，其每秒的振动频率次数很高，超出了人耳听觉的上限，人们将这种听不到的声波叫做超声波。超声波是一种在弹性介质中的机械震荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵向振荡（纵波）。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰退。超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律并没有本质上的区别。与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：传播特性——超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，这一特性就越显著。功率特性——当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超声波平率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的，空化作用-当超声波在液体中传播时，由于液体威力的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞，这些小空洞迅速膨胀和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上玩个大气压的压强。微粒间产生几千到上玩个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，回事液体的文都骤然升高，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，并且加速溶质的溶解，加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。
超声波的特点：（1）超声波在传播时，方向性强，能易于集中；（2）超声波能在各种不同媒体中传播，且可传播足够远的距离；（3）超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息（诊断或对传声媒质产生效应）。
（二）超声波传感器。
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。以超声波作为手段，必须产生超声波和接受超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。
超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接受超声波。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转换成机械震荡而产生超声波，同时它接受到超声波时，也能转换成电能，所以它可以分成发送器和接收器。有的超声波传感器由发送传感器（或称波发送器）、接受传感器（或称波接收器）、控制部分与电源组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射；而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接受波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感接收器的输出，从而对发送的超进行检测。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。
二、超声波传感器的应用
（一）超声波距离传感器技术的应用。
超声波传感器包括三个部分：超声换能器，处理单元和输出级。首先处理单元对超声换能器加以电压激励，其受激后以脉冲形式发出超声波，接着超声换能器转入接受状态，处理单元对接受到的超声波脉冲进行分析，判断收到的信号是不是所发出的超声波的回声，如果是，就测量超声波的行程时间，根据测量的时间换算为行程，除以2，即为反射超声波的物体距离。把超声波传感器安装在合适的位置，对准被测物变化方向发射超声波，就可测量物体表面与传感器的距离。超声波传感器有发射器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发射和接受声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声波振动转换成电信号。
（二）超声波传感器在医学上的应用。
超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。
（三）超声波传感器在测量液位的应用。
超声波测量液位的基本原理是：有超声波探头发出的超声脉冲信号，在气体中传播，遇到空气与液体的界面后被反射，接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间，即可换算出距离或液位的高度。超声波测量方法有很多其它法方不可比拟的优点：（1）无任何机械传动部件，也不接触被测液体，属于非接触式测量，不怕电磁干扰，不怕酸碱等强腐蚀性液体等，因此性能稳定、可靠性高、寿命长；（2）其影应时间短可以方便的实习无滞后的实时测量。
（四）超声波传感器在测距系统中的应用。
超声波测距大致有以下方法：1.取输出脉冲的平均值电压，该电压（其幅值基本固定）与距离成正比，测量电压即可测得距离；2.测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔t，固被测距离为s=1/2vt。如果被测精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。超声波距离适用于高精度的中长距离测量。
三、小结
文章主要从超声波与可听声波相比所具有的特性出发讨论了超声波传感器的原理与特点，并由此总结了超声波传感器在生产生活各个方面的广泛应用，但是，超声波传感器也有自身的不足，比如发射问题，噪声问题的等等，因此对超声波传感器的更深一步的研究与学习，仍具有很大的价值。
参考文献：
[1]单片机原理及其接口技术，清华大学出版社.
[2]栗桂凤，周东辉.基于超声波传感器的机器人环境探测系统，2005（04）
关键词：超声波；传感器；胶位控制
中图分类号：TB486 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）01-0026-01
1 引言
在卷烟包装生产过程中，胶位控制系统一直是困扰生产效率提高的重要环节。目前，烟草企业的包装设备中主要机型为GD包装机，该机型胶位检测传感器设计为电容传感器，是开关量输出模式，机器在生产过程中受环境因素影响有时会出现误动作，严重影响产品质量和机器的生产效率。
2 系统原理
超声波可在不同介质中以不同的速度传播的特性，超声波具有定向性好，能量集中，在传输过程中衰减小，反射能力较强等特点。对胶位控制系统的进行新型设计，采用超声波传感器元件，超声波传感器可广泛应用于非接触式检测，不受光线，被测物颜色等的影响，它不仅能够定点和连续测胶位，这种特性对胶位检测不受生产环境因素干扰非常有益。与其他测位技术相比较，它不需要特别防护，安装维修较方便，而且结构方法都较简单，经济效益显著。胶位控制设计采用超声波液位测量技术，运用超声波脉冲回波方法，由发射传感器发出超声波脉冲，传到液面经反射后返回接收传感器，测出超声波脉冲从发射到接受所需的时间，根据媒介中的声速，就能得到从传感器到液面之间的距离，从而精确测定胶位高度。
3 胶位控制方案
3.1 系统的设计
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到使用要求。另一方面在工作中，超声波传感器有着优越的抗干扰性与工作的稳定性，故选择超声波传感器代替原设备的电容传感器进行测量物体间的距离。
在数据处理方面，本文设计采用PLC作为控制器（如图1示，系统软件设计的总框图），针对超声波传感器的测量结果进行处理，用触摸屏进行显示和设定。超声波传感器的输出信号是0―10V，接入PLC的模拟量输入模块中经处理转换为液面高度显示在人机界面上。
3.2 系统的控制
系统的控制主要完成显示液面高度、设定报警区间和注胶时间功能控制模式（如图2示，系统控制模式）。区间设定是根据实际情况设定，保证涂胶量符合生产工艺要求，通过液面高度和注胶高度的比较来判断是否注胶，液面高度情况还能反映元器件是否损坏。超声波传感器的测量结果可以实现供胶的闭环控制，随机器速度的变化控制增加与减少供胶量，胶位液面可以设定高低位报警功能，能够实现以数字的形式显示测量距离。
3.3 元件的x择
系统设计采用UNDK系列超声波传感器，这类型传感器检测范围为30―250mm，分辨率小于0.3mm，声波频率为300KHZ，响应时间小于50ms。其参数基本特点符合设计要求，能够达到控制的精度和要求。
4 结语
包装机新型胶位控制系统设计利用超声波的技术原理，采用超声波传感器元件，系统控制功能精确，可以有效提高包装机的胶位控制精度，有效减少机器胶位控制系统的故障，有利于提高机器生产效率，是具有推广价值的实用新技术。
关键词：智能型超声波传感器；液位传感器；控制单元；以太网数据
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1009－2374(2009)12－0032－02
一、智能型超声波传感器简介
随着科学技术的发展，超声波技术比较成熟，已广泛应用于众多领域的无损检测和无损探伤。超声波液位传感器为非接触式测量仪器，已用于石油化工、水利水电、农田灌溉、环境检测以及自来水厂、污水处理厂等众多部门的液位、水位的测量。
日前，在石油化工及建筑等域内常用的液位传感器有：旋转编码式传感器(机械式)、磁浮子接点式传感器、压电式传感器、非接触式传感器，其分辨率从毫米级到厘米级，测量范围从几十厘米到几十米。除了磁浮子接点式传感器外，其余传感器均比较适合测量范围较宽的应用场合。一般压力式和超声波传感器均带有变送器，将液位信号转变成标准的电流信号(4～20mA)。旋转编码式传感器分为机械式和光电式两种，这类传感器输出通常为并行二进制码、串行二进制码或脉冲信号。除智能型一体化传感器(压力式或超声波)外，一般没有就地显示和数字通信功能。在这些传感器中，超声波液位传感器是一种非接触式的测量仪器，在测量过程中无任何部件触及被测物质，所以无论液面是流动、波动或是有漂浮物以及有化学反应等都有应用，且与被测介质的压力、温度、密度、腐蚀性无关，适应范围广，可用于工业原料液位、河面水位等的测量。相比较各种测量方法，超声波测量方法有很多其它方法无可比拟的优点，该液位计成本低，性能稳定，测量精度高，换能器寿命长，使用方便，是非接触测量的理想仪器。
其特点如下：
1 测量精度高。
2 响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量。
3 非接触测量，性能稳定可靠，对液体的物理化学性质的适应性极强，不怕酸碱等强腐蚀性液体等。
智能型超声波液位传感器是在超声波液位传感器的基础上，使用微处理器作为控制核心而研制开发的，具有传统超声波传感器所不具有的特点：
1 测量精度高。测量精度取决于智能传感器控制芯片的计数频率，通过修改计数频率可以修改测量的精度，另外，传感器的测量精度与温度有直接的关系，该智能型超声波传感器可进行温度补偿，提高了测量的精度。
2 具有诊断功能。可以设定超声波在1秒钟接收有效回收次数，若未收到该次数的有效回波，认为接收或发送系统异常，给出异常信息。
3 具有计算、补偿功能。采用一定的算法，将各次测量的结果排序，取中间的一些数值，求其平均值，并将温度值进行补偿计算。
4 具有强大的通讯功能。液位信息为数字量，将数字量转变成4～20mA模拟量输出，模拟电流量有利于传输，抗干扰能力强；将液位信息通过异步串行通讯传给上位机；以太网数据传输，实现远距离传输液位信息。
综上所述，智能型超声波传感器是将单片机、嵌入式系统引入仪表，开发出的智能型传感器，它突破了传统传感器的单一功能，具有自动测量、高精度、功能扩展容易、与外部通讯强大的功能，完全能适应工业控制体系的网络化、集成化、智能化发展的要求。
二、智能型超声波传感器的主要结构
(一)硬件构成
智能型超声波传感器主要由液位信息采集电路、控制单元、键盘输入接口电路、LCD显示接口电路及与外部通讯接口电路五部分构成。其结构原理如图1所示：
1 液位信息采集电路包括超声波发射和接收电路、温度传感器。其中温度传感器嵌入在微处理器内。
超声波发射电路主要由微分电路和驱动电路组成。CPU发出的脉冲信号经微分电路变成标准的脉冲信号，然后通过可控硅去控制600V的高压，形成高压脉冲。高压脉冲驱动超声波探头，探头把电能转换成机械能，产生超声波。超声波脉冲信号接收电路包括接收信号的限幅、放大、比较、单稳态触发等环节，形成一个窄脉冲信号。超声波传播速度受温度的影响，精确的测量需要温度补偿。在MSP430内嵌入温度传感器，利用内部热敏二极管测量温度。MSP430温度传感器所测电压v和实际温度T的关系：
V=0.00355×T+0.986
MSP430的ADC12内核是一个12位的模数转换器，能将结果存放在存储器中。该内核使用两个可编程的参考电压(VR+和vR-)定义转换的最大值和最小值。输入模拟电压的转换结果NADC满足公式：
NADC=4096×(Vin-VR-)／(VR+-VR-)
MSP430具有ADC12内嵌温度传感器，若设置ADC12的内部参考电压为2.5V，输入模拟电压的转换结果NADC满足公式：
NADC=4096×T／2.5
2 控制单元：MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年推向市场的超低功耗的混合信号处理器。该系列单片机具有16位CPU通过总线连接到存储器和模块，直接嵌入仿真处理，具有JTAG接口，能够降低功耗，降低噪声对存储器存取的影响。MSP430系列单片机包含以下主要功能部件：
(1)CPU：MSP430系列单片机的CPU和通用微处理器基本相同，只是在设计上采用了面向控制的结构和指令系统。MSP430的内核CPU结构是按照精简指令集和高透明的宗旨设计的，使用的指令有硬件执行的内核指令和基于现有硬件结构的仿真指令。这样可以提高指令执行速度和效率，增强了MSP430的实时处理能力。
(2)存储器：存储程序、数据以及模块的运行控制信息，有程序存储器和数据存储器。对程序存储器访问是以字形式，而对数据可以用字和字节方式访问。其中MSP430系列单片机的程序存储器有ROM、OTP、EPROM和FLASH型。
(3)模块：经MAB、MDB、中断服务及请求线与CPU相连。
3 键盘输入接口电路和LCD显示接口电路构成人机交互接口电路，智能型传感器通常都有液晶显示和手动操作按钮，LCD显示器显示液位数据信息，按键输入用来选择工作模式。
4 与外部通讯接口电路主要包括三种通讯方式，即4～20mA电流环接口、异步串行通讯接口、以太网数据传输接口电路。
(1)4～20mA电流环：在要求智能传感器具有高精度的电流变送要求时，低功率、高精度的元器件的选用是研制智能传 感器不可缺少的一部分，一般情况下选用高性能数模转换器AD421。利用AD421将液位信息转变成4～20mA的模拟量。
(2)RS－232串行通讯：串行通信只需较少的端口就可以实现单片机和Pc机的通信。串行通信由两种方式：异步模式和同步模式。MSP430F44X系列都有USAHT模块来实现串行通信，使用MSP430F449的USART0模块通过RS-232串口来接收或发射数据。
(3)以太网数据传输：嵌入式以太网可以通过Ethemet将信息传输距离无限扩展，而基于底层的以太网协议是由以太网控制器来实现的。
(二)软件构成
智能型超声波液位传感器程序由三部分构成：采集液位信息程序，发射与接收超声波，测量当前温度，计算液位值；人机交互程序，包括按键处理程序和液晶显示程序；与外部通讯程序，包括异步串行通讯程序、4～20mA两线制电流变送程序和以太网数据传输程序。该软件系统设置了三种工作模式，由按键选择并引发中断，进入不同的工作模式，完成相应的功能。本系统设置3种工作模式：若按键normal按下，进入normal工作模式；若按键web按下，进入web工作模式；若按键AD eoDvert按下，进入AD eonvert模式。软件流程框图如下：
1 normal工作模式。采集液位信息，将液位值由液晶显示，采用异步串行通讯方式向上位机传送数据。
2 web工作模式。采集液位信息，将液位值由液晶显示，以太网传输数据。
3 ADconvert模式。采集液位信息，将液位值液晶显示，4～20mA电流环向上位传送信息。
主程序不是无休止的循环，通常处于休眠状态。由按键触发中断，进入中断处理程序，中断处理完毕后再次进入休眠状态。
三、结论
关键词：智能轮椅；传感器；系统；定位
中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：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、传感器系统总体结构设计
能够实现智能轮椅的总功能主要有：定位系统，环境感知系统、控制系统、驱动系统和人机交互界面等功能。因此该系统的硬件结构如图1所示。其中传感器模块主要有内部状态感知和外部环境感知两部分构成，对于姿态传感器主要用来调整轮椅自身的位姿信息；编码器传感器是位移速度和距离获得自定位的信息采集源；视觉、超声波和接近开关主要负责持续获得周围环境和轮椅位于障碍物的距离等的信息。驱动控制模块我们采用电机控制后轮驱动的方式，在控制器的操作去控制电动轮椅的前进、后退和转向。
图1：智能轮椅硬件系统结构图
二、多传感器数据采集与处理
该智能轮椅有2个相对独立的驱动轮并各自配有电机码盘。电机码盘实时进行数据检测构成了里程计式相对定位传感器，并安装有倾角传感器和陀螺仪传感器来测量轮椅在运动过程的姿态。超声波传感器和接近开关用于感知周围环境信息。为能够实现远距离的障碍物信息，还配备了超声波传感器。还配备了CCD图像传感器用于判断前方行进路程中的深度信息。
三、姿态传感器
该智能轮椅设计采用了一个倾角传感器和一个陀螺仪的组合来构成姿态传感器检测车体平台的运行姿态。倾角传感器用来测量轮椅偏离竖直方向的角度，陀螺仪用来测量角速度。
以TMS320LF2407A为控制核心的运动控制器，根据编码器和姿态传感器检测到的平台运行的位移和姿态信号，通过一定的控制策略计算出控制量，再经脉宽调制控制及驱动器放大后驱动直流电动机运转，随时调整车体平台的运行速度，从而使车体平台始终保持平衡状态。控制电路原理图如图2所示。控制板采集来自倾角和角速度传感器的信号并对信号进行调理（滤波、整形、偏移），然后将信号传送到控制板中，经过DSP的运算处理（控制算法由电动车系统的数学模型推导而出），通过DSP的两路脉宽调制将控制信号发出，再经过电机驱动模块驱动电机运转，控制轮椅保持平衡状态。
图2：控制电路原理图
四、多路超声波测距模块
本智能轮椅自主避障系统采用超声波传感器测量障碍物的距离，工作时，由单片机通过三路信号线选通多路模拟开关，由多路模拟开关负责每一路超声波传感器的通断。每一路超声波传感器工作时，都由单片机的I/O口发射出频率为40kHz，幅值为5V的矩形脉冲信号，经过信号放大电路，变成稳定的12V矩形脉冲信号，由超声波发射换能器发射出超声波。超声波遇到障碍物返回，由超声波接收换能器接收，经过信号滤波放大集成电路，触发单片机中断。由单片机计算渡越时间，从而计算出障碍物的距离。
五、编码器
编码器是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺．接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“1”还是“0”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“1”还是“0”，通过“1”和“0”的二进制编码来将采集来的物理信号转换为机器码可读取的电信号用以通讯、传输和储存。
产生的时钟频率是每个输入序列的4倍，且把这个时钟作为通用定时器2的输入时钟。图4给出了正交编码脉冲、增减计数方向及时钟的波形。
图4：编码器输出脉冲图
六、结论
关键词：超声波传感器；多谐振荡发生器；PLC；软计数器
中图分类号：TP273 文献标识码：A
一、前言
路通信号灯通常采用固定时间控制信号灯的变化，但是路通情况是受到工作日、假日、天气、人为等多种因素共同制约的。用一成不变的时间控制，显得缺乏灵活性和造成一定的浪费。考虑到以上诸多因素，本设计采用超声波传感器对通行车辆进行实时数量检测，并将监测数据传送给可编程序控制器PLC进行数据计数处理和信号控制。针对灵活多变交通情况进行信号灯的控制，能够即时有效地缓解交通压力。
二、工作原理
利用超声波的反射特性，可以通过超声波探头对被测物体进行计数，图1中为基于PLC的超声波检测信号灯控制电路。电路中LM1812为超声波专用集成电路，其内部包括脉冲调制C类振荡器、高增益接收器、脉冲调制检测器和噪声抑制电路。其元件链接及其功能为：1脚连接LC设定发射与接受振荡频率；2脚耦合电容为内电路第二增益输入端；3脚输出电阻为第一增益级输出端；4脚输入耦合电容为第一增益级输入端；5脚接地；6脚发射器输出；8脚开关脉冲限流；9脚接收器开启延迟；10脚接地；11脚限制监测器输出占空比；12脚接电源；13脚电源退耦；14脚检出器输出端；15脚接地；17脚噪声控制；18脚控制内部计分器复位时间常数。
LM1812的8脚为发送/接受控制端，高电平发射，低电平接收。由于接收器的增益很高，超声波传感器的引线必须用屏蔽电缆连接，并且1脚和4脚上的元件要远离，避免产生自激振荡。NE555构成多谐振荡器，为8脚提供振荡频率，控制其发送和接收，三极管进行驱动放大信号。
LM1812的14脚输出计数脉冲。接收到信号，14脚为低电平；接收不到信号，14脚为高电平。以红绿两个信号灯为例，PLC的数字输入端I0.0控制开启，I0.1控制断开。当有车通过，即可以接收信号，14脚为低电平，I0.O接通闭合，输出线圈M1通，绿灯亮；PLC根据内部程序的软计数器开始计数，可以任意设定计数值，当计数到，计数器线圈闭合线圈M2通，红灯亮，通过红灯互锁开关使绿灯灭。当车辆未达到计数值就已没有车辆再通过，如果继续等待直到凑够车辆数量，即为时间浪费，所以本设计同时采用另一开关I0.1控制红灯开启从而通过其互锁关闭绿灯。当接收不到信号时，14脚为高电平，I0.1接通闭合，输出线圈M2通，红灯亮，通过其互锁关闭绿灯。
三、核心器件介绍
1 超声波传感器：利用晶体的压电效应和电致伸缩效应，将机械能（超声波发射）与电能（超声波接收）相互转换，并利用波的特性实现对各种参量的测量。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，超声波具有的基本特质之一反射和折射现象，当超声波在两种不同介质中通过时，会产生反射和折射。利用其各种特性，可做成超声波传感器，配上不同电路，制成各种超声波仪器装置，应用于工业生产等领域。
2 本设计采用可编程逻辑控制器（PLC），西门子S7-200系列产品中的CPU226型。它属于整体式紧凑型系列产品，其特点是结构紧凑，将电源、CPU输入输出端子、拓展单元插座等一起装在机壳里，体积小、重量轻、便于安装在机器设备上实现机电一体化。CPU226型共有24个输入点（I0.0～I0.7、I1.0～I1.7、I2.0～I2.7）。其输入电路采用双向光耦合器，24V直流极性可以任意选择。系统设置1M为输入端子（I0.0～I1.4）的公共端，2M为输入端子（I1.5～I2.7）的公共端。
结语
本设计以控制一个交通灯的两个信号灯（红、绿）为例，介绍了基于PLC硬件连接的软件配套控制方法。PLC输出部分未连接，根据现场不同的控制要求，可以编写软件程序，并依照程序要求去拓展输入部分和连接输出部分外电路。本设计的中心思想，就是为了对复杂多变的交通路口情况进行实时监控，改善不合理的等待，避免造成时间资源浪费。全面考虑诸多特殊因素并通过硬件的连接和软件配套设置进行了有效的应对措施。
参考文献
[1]刘伟.传感器原理及实用技术[M].北京：电子工业出版社，2009.
[2]孔凡才.周良权.电子技术综合应用创新实训教程[M].北京：高等教育出版社，2008.
关键词： 超声波；ATmega16；μC/OS；测距
0 前言
随着科学技术的快速发展，超声波将在测距中的应用越来越广，超声波测距系统作为一种新型的实用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。
超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点，因此被广泛应用于距离的测试中。使用超声波检测往往更快速，方便，计算简单，易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业使用的要求，测量时与被测物体无需直接接触等优点使其具有广泛的实际应用价值。
目前国内一般是用专用集成电路设计超声波测距仪，但是成本高，没有显示，操作使用不方便，拓展不灵活。基于以上缺点设计了基于ATmega16的超声波测距系统，可广泛应用于生活、生产等各个领域。
ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
ATmega16 AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。
1 超声波测距原理
超声波是一种频率在20KHz以上的机械波，在空气中的传播速度约为340m/s（20℃时）。超声波可由超声波传感器产生，常用的超声波传感器两大类：一类是采用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波，目前较为常用的是压电式超声波传感器。由于超声波具有易于定向发射，方向性好，强度好控制，对色彩、光照度不敏感，反射率高等特点，因此被广泛应用于无损探伤，距离测量、距离开关、汽车倒车防撞、智能机器人等领域。
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器接收到反射波就立即停止计时。
式中：c—超声波波速：t—从发射出超声波到接收到回波所用的时间。
由于超声波属于声波范围，其波速c与温度有关，经过测量得出超声波与温度的关系，如表1所示。
2 系统设计
本系统采用ATmega16为主控制器，超声波发射和接收电路中都对相应信号进行放大和整形，以保证测量结果尽可能精确。用动态扫描法实现LED数字显示，另外设计温度测量电路测量当时的空气温度，单片机以测量的温度对超声波的传播速度进行调整，使测量精度能够达到要。系统整体结构包括超声波发射电路，超声波接收电路，单片机电路，显示电路和温度补偿电路等几部分模块组成。
UCOS_Ⅱ是一个源代码公开的实时操作系统，它是用ANSIC写成的，所以可移植性非常强。在系统开发中，由于把实时操作系统UCOS_Ⅱ移植到了ATmega16单片机上。
超声波测距仪系统框图如图2所示。
利用单片机定时器由PD5端口发送40KHz的方波信号，用9012三极管作为驱动放大使得超声波发生器产生超声波。
超声波接收电路主要有CX20106A和一些常用元件构成，CX20106A是一款应用广泛的红外线检波接收的专用芯片，其具有功能强、性能优越、接口简单、成本低等优点。CX20106A内部有前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成，对接收探头收到的信号进行放大、滤波等处理，其总放大增益80db。实验证明用CX20106A接收超声波（无信号时输出高电平），具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。本系统中选择温度芯片DS18B20作为温度传感器。DS18B20测量温度范围为—55～125℃，精度为±0.5℃。
3 软件设计
近十年来嵌入式操作系统（RTOS）得到了飞速发展，各种流行的微处理器（MCU）8位、16位和32位均可以很容易的得到多种嵌入式实时系统（专业化公司有美国WinCE，WindRiver等，自由软件有μC/OS—II及uClinux等等）的支持。8位、16位MCU以面向硬实时控制为主，32位以面向手机和信息处理和多媒体处理为主，在这些方面Linux正逐渐成为嵌入式操作系统的主流。嵌入式实时操作系统不仅具有微型化、高实时性等基本特征，而且还将向高可靠性、自适应性、支持多CPU核、构件组件化的方向发展。客观世界对嵌入式智能化、装置轻、低功耗、高可靠性的永无止境的要求，使得近千种嵌入式微处理体系结构和几十种实时多任务操作系统并存于世。嵌入式技术也将与时俱进，不断创新。 而像μC/OS—II这样的优秀的自由免费的嵌入式操作系统，为了最大限度的满足可移植性的要求，绝大部分代码用C语言写成，只有一少部分用到汇编语言。但对于嵌入式系统这样的专用性很强的系统来说，必须针对嵌入式系统内核本身裁剪，改写μC/OS—II的部分代码，以实现μC/OS—II在不同MCU平台上的移植。
使用ATmega16单片机进行检测数据处理，对定时器1进行初始值设定，然后利用OCR寄存器进行输出比较匹配，最后对输入捕捉寄存器进行设置，利用输入捕捉功能计数并最终计算的出距离，其测距功能初始化程序如下：
4 总结
基于ATmega16和μC/OS—II的超声波测距系统利用LCD显示，电路简单，人机显示友好，通讯能力强，可扩展性好，具有良好的实际应用价值。该系统可运用于机器人智能行走和导航，在航天电子行业也有一定的应用领域，可配合其他模块实现多功能测量，同时在显示输入上可扩展触摸屏功能。
参考文献：
[1]王祖麟、余强、谢毓，基于μC/OS—Ⅱ的高精度超声波测距系统设计[J].电子设计工程，2009，07.
摘要本文设计了一个以单片机为主控制器、蜂鸣器作为报警模块、温度传感器为测距补偿模块的超声波测距系统。单片机通过对超声波发出和返回的时间，并考量温度对超声波速度的影响，计算并显示障碍物距系统的距离，当小于预设安全阈值时发出近距离报警提示。
关键词单片机；超声波测距；温度补偿；报警
超声波测距应用广泛，如用于车辆中，可以一定程度的避免新手对车距把握不准确的问题，和倒车中减少车辆的刮擦事故，倒车过程中存在视觉盲区导致驾驶员无法观察到盲区的路面状况，且与车辆后方障碍物的距离无法准确判断，仅依照经验判断距离不能避免事故的发生。基于此，鉴于超声波指向性好，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常被用于距离的测量。超声波是一种频率在20KHz以上的声波，作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性：反射、折射、干涉、衍射和散射，与物理联系紧密，应用灵活。利用超声波测距往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制。司机在需要时可启动该装置，单片机控制分散在车后的超声波发射器发射超声波，当遇到障碍物后会产生反射回的超声波，被超声波探测器吸收，通过单片机计算后，在数码管上显示出车与障碍物的距离，当距离小于安全距离时，控制蜂鸣器发出报警，从而减少刮擦、碰撞事故的发生。
由于激光测距方式适应恶劣天气的能力较差且容易受到雨、雪、雾等环境因素的影响，而本设计中的装置要求能适应通常天气状况，同时为了实用，尽可能降低成本，因此选择超声波测距方式。单片机控制超声波发射器发射出超声波，同时计时器启动计时，超声波在空气中传播，当遇到障碍物发生反射，反射回波被超声波接收器接收到时，令计时器停止计时，所计时间为t，己知超声波在空气中的传播速度为340m/s，由式：s=340xt/2，可测得系统与障碍物距离，单位为m。超声波因其在不同温度下传播速度有差别，考虑温度变化对超声波传播速度产生的的影响（表1），需要在测距时对超声波传播速度进行修正，从而减小温度对测量带来的误差。超声波在空气中传播速度与温度的关系式：V=331.4+0.607T，其中，为温度，单位为℃，V为超声波在空气中的传播速度，单位为m/s。
为提高系统在测量时的精度，采用单总线数字温度传感器DS18820，根据温度值范围选取表1中合适的声速值进行测距计算，但由于温度参量是模拟变化的，并且温度值常常有非整数的情况，因此，求超声波的传播速度还是需要进行温度补偿计算，才能得到一个相对精确的距离值。修正后的测量距离：s=（331.4+0.607T）xt/2，单位为m。由于DS18820具有体积小、使用方便、精度高等特点，将它作为修正声速的温度补偿传感器。超声波测距模块采用HC-SR04超声波模块，该模块可提供2cm～400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达3mm，对于一般的车辆倒车与交通拥堵时车距的测量，此精度是满足需求的。单片机为Trig引脚提供10μs以上的脉冲触发信号，超声波传感器内部将发出8个40KHz周期电平，同时自动检测回波，一旦检测到有回波信号则输出Echo信号，Echo信号脉冲宽度与所测距离成正比。利用单片机定时器计得发射信号到回波信号的时间，可计算出距离s值。为了防止超声波传感器自身的发射信号和回响信号互相影响，测量周期至少60ms以上。测距时，被测物体面积不少于0.5O且平面尽量要求平整，这样测量结果将更精确，这是由于传感器外形上发射信号端和接收回响信号端距离较近，且测量夹角为15°，这样对于被测物体面积将有要求，若面积过小，则测量的灵敏度将下降，即需要缩短与被测物间的距离，并且被测物表面若不是平面，比如转弯处或有一定圆度/角度处，则会影响接收器的接收，可安放多个超声波传感器于特定位置，通过算法取其最优值，提高测量准确度。排除冬季车库的室内外温度差对声速的影响，一般情况下在温度起伏不大的情况，可以考虑略过重复读温度值的这一流程，系统可以在此进行进一步的改进，以提高系统测距反应时间。
“老师，机器人还可以做什么呢？” “嗯，大家平时在朋友圈里最喜欢做什么呢？对了，是点赞！今天就来做一个会点赞的机器人吧！”我们在上期做的机器人小车上添加一双“眼睛”、一只会动的“手臂”和一张会说话的“嘴巴”。当你接近这个机器人时，它就会说“你好棒”，同时给你竖起一只“手臂”――为你点赞！
所需要的材料如图1所示：超声波传感器和安装固定支架、ISD1820录放音模块、辉盛SG90舵机、两段PVC线槽。PVC线槽用来制作机器人的手臂，舵机的作用是让机器人手臂能够转动。舵机，英文叫Servo，它是由直流电机、减速齿轮组、传感器和控制电路组成的一套自动控制系统。舵机和直流电机不同，舵机不能一圈圈转动，只能在一定角度内转动。它有一个最大转动角度，有的是180度，有的是360度。
在一段PVC线槽的一侧开一个口，把舵机固定到线槽上，再把舵机的摇臂安装固定到另一段PVC线槽上，把两段线槽连接起来，就形成了一只简单的机器人手臂（如图2）。把机器人的手臂和小车连接并固定好，再把超声波传感器安装固定到小车的前方，最后把录放音模块安装到小车合适的位置处，点赞机器人就做好了。
各个模块与Arduino板的连线如图3所示，可分为两个部分：电源线和信号控制线。Arduino板只有一个5V电源接口，这个接口电源供超声波传感器使用。另外再从电池盒引出两组电源供舵机和录放音模块使用，引出的电源可以是3节电池或4节电池，对应的电压为4.5V或6V。要注意的是，舵机的引线有3根，默认红色和棕色是电源线，分别接电源的正、负极，另外一根黄色是信号线，接Arduino板的数字口12。ISD1820录放音模块的PL- E接11脚，超声波传感器的TRIG、ECHO分别接数字口2、3。
现在编一个程序让机器人的手臂动起来，如图4所示。舵机转动指令Servo在ArduBlock的GENERIC Hardware模块里。注意，该指令默认提供的引脚数据不能用，上传时会显示出错，需删掉并换成用“变量/常量”模块中的数字常量来替换。程序中舵机的转动角度为60度和180度，调整机器人手臂的起始位置，使得机器人手臂可以在水平和垂直方向上来回转动，实现点赞的功能。
ISD1820录放音模块是一个简易的录音、放音模块，它可以录制大约10秒钟的声音。打开电源，按住REC按钮，对着模块的MIC话筒说“你好棒”，声音就被录了下来，按PLAY- E键可试听录制的声音。录放音模块上的P- E是一个触发控制端，给该引脚发送高电平，可播放录制的声音，发送完后要把该引脚转为低电平。
最后，完整的程序如图5所示。程序先设定舵机转动角度为180度，让机器人的手臂转到水平位置处。然后超声波传感器每隔100毫秒检测一次前面障碍物的距离。当人与超声波传感器的距离小于10厘米时，条件判断指令如果/否则的值为真，执行以下动作：13脚输出高电平，Arduino板上的13脚指示灯亮；12脚输出高电平，录放音模块发出“你好棒”的声音；舵机控制机器人的手臂转动竖起为你点赞！（如图6）
【关键词】超声波 盲人 避障 眼镜 导盲 STC89C52
1 设计背景
据第二次全国残疾人抽样调查数据推算，中国目前视力残疾人数约为1233万人。每年约有45万人失明，这意味着几乎每分钟就会出现一例新的盲人。如果任由这个速度发展而不采取更加积极有效的措施，到2020年，预计盲人数量将达到2000万人，盲就会成为一个严重的公共卫生及社会问题。由于视力低下或缺失，从而造成盲人在生活和工作上更多的困难。本文是基于盲人行走困难而提出的，通过“基于超声波的盲人避障眼镜”的应用使盲人彻底丢掉导盲手杖，解放双手，从而提高了他们的工作和生活效率。
2 设计思路
“基于超声波的盲人避障眼镜” 是专供视觉障碍人群使用的一种超声波探测装置，将取代盲人手中的导盲手杖，完成行走时对前方道路中障碍的探测和信息的回馈，从而使盲人朋友准确掌握前方道路信息，及时判断道路中的障碍并提供可靠的躲避方法。
本设计模拟蝙蝠回声定位的功能，采用眼镜为载体，将道路检测和信息回馈部分做在眼镜上，使用者佩戴眼镜就可以达到行走过程躲避障碍的目的。眼镜同时可以作为装饰供使用者佩戴，在不影响使用的同时照顾了外在的审美。
3 设计方案
本设计是帮助盲人在行走过程中判断道路中的障碍，并及时向使用者反馈道路信息，以达到及时躲避的目的。作品硬件以STC89C52为微处理器，利用超声波传感器模块进行障碍检测，同时根据障碍距离的远近由声音报警指示模块进行提示。作品软件主要分为避障系统的主程序、超声波发射接收子程序、距离计算子程序和声光报警指示子程序。开启运作后，微处理器通过超声波传感器模块动态捕捉采集信息，可测范围正前方2～3米远，斜下方30度角度范围内的障碍物，通过处理器内部模块计数器/定时器记录，由软件部分计算出结果。以声音报警指示模块提醒使用者前方的路况来完成导盲的工作。当天色变暗以后通过光敏传感器控制开启LED警示灯来提示路人使用者的情况达到及时主动避让的目的。
使用起来也很方便，只要使用者戴上眼镜按下电源开关导盲眼镜启动运行，就可以安心出门行走了。灯光报警装置是自动化控制的不需要人为操作。当要休息的时候再按下电源开关导盲眼镜停止工作取下眼镜。根据功能模块系统分为控制模块、障碍检测模块、信息反馈模块、LED警示模块、电源管理模块等。
3.1 控制模块
本设计采用STC89C52单片机。STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用方便，采用LQFP-44封装，体积小，便于在眼镜上使用。
3.2 障碍检测模块
根据蝙蝠回声定位的原理进行障碍检测部分的设计。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此本设计采用多个超声波传感器来实现测距的功能，经综合比较，基于超声波传感器捕捉系统模块的设计中，采用的是超声波频率为40KHz的超声波传感器。同时由各组超声波接收装置进行接收反射回来的信号，从而判断前方有无障碍。
测距系统中的超声波传感器采用的是陶瓷传感器，它的工作脉冲信号是40kHz。超声波发射器包括超声波反射电路与超声波发射控制电路两个部分，超声波的型号为HC-SR04。
模块当接收到超声波返回信号时中断计数器，经过驱动器驱动探头后可以产生超声波，超声波的接收电路采用现成的电路模块来节约时间和提高效率。目前较为通用的是采用MAX232的集成电路，集成电路可以有效的节省空间，并且实践证明这种集成电路是目前较为成熟和可靠地设计。
3.3 信息反馈模块
当前方有障碍时，由障碍检测模块检测到前方障碍后，经控制模块进行分析计算，得出障碍距离的远近，并根据距离远近反馈给信息反馈模块，使扬声器根据距离远近发出不同频率的报警声音。
3.4 LED警示模块
LED警示模块由8个LED灯跟光敏电路组成。在光线充足的时候灯灭，当光线变暗以后LED亮起，加入LED的应用一是能能够提醒旁人使用者的情况，从而达到旁人主动避让使用者的目的，更加提高了安全度。二是LED的低功耗、高亮度、高性能等优点最适合本作品的创新设计的要求。
3.5 电源管理模块
电源管理模块是由9V的充电电池降压稳压成5V的直流电源。为整个系统提供一个比较稳定的供电来源，是系统能够顺利的运行实现其功能。再由晶振发出信号整个系统开始工作，此时单片机由程序控制对超声波发射器发出信号，然后由超声波接收器接收到的信号传入单片机进行处理并经声光报警指示模块。
4 软件设计
软件采用模块化设计，程序由主程序、超声波测距程序、信息反馈程序等组成，系统软件流程图如图1所示。
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。（超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：s=340t/2）
在实际使用中，超声波的声速会受到温度的影响，因此常常需要使用温度补偿模块，通过温度传感器测得外界的温度，再根据温度求得对应的声速值。在实际的运算中，要采用温度补偿后的温度值。超声波测距流程图如图2所示。
5 测试分析及结论
接通电源，然后在实际的道路上进行测试，当使用者前方障碍物接近1.5米以内时及高出地面3厘米的障碍物时，声光报警模块开始发声报警。经过多次反复测试误差控制在理想的误差以内。在晚上天色变暗的时候LED灯光报警装置启动LED灯。综上所述，测试结果表明完整的完成了设计的功能。
参考文献
[1]阮一晖.基于超声波定位技术的障碍探测系统[D].苏州大学，2007.
[2]童峰，许水源，许天增.一种高精度超声波测距处理方法[J].厦门大学学报（自然科学版），1998（04）.
[3]陈美銮，尹浩，黎飘，董博然.智能盲人导行仪的设计与实现[J].电子技术应用，2006（10）.
[4]林伟，梁家宁，李才安.便携式多功能超声波测距仪的设计与实现[J].电子测量技术，2008（01）.
[5]胡盛斌，罗均，龚振邦.用于移动机器人避障的超声测距系统[J].机电一体化，2003（01）.
[6]Gerard Lacey，Kenneth M，Dawson-Howe.The application of robotics to a mobility aid for the elderly blind. Elsevier Science Robotics and Autonomous Systems，1998.
作者简介
孙新（1986-），男，山东省滕州市人。大学本科学历。现为山东圣翰财贸职业学院信息工程学院教师。
【关键词】光电传感器 电机驱动 电子指南针 超声波传感器 智能小车
1 智能小车的硬件设计
1.1 硬件结构
小车的硬件结构运用MSP430F5438作控制器，以控制其无人驾驶系统，同时对小车内部AD所采得的数据予以处理，发出转弯、直走及超车等指令，以实现特定功能。设计小车的硬件运用RPR220光电传感器去测试拐弯或超车标志，运用超声波传感器去控制小车之间的距离，同时运用GY―26电子指南针对小车予以导航及定位。
1.2 电机驱动
运用L298N芯片做电机的驱动芯片，其中L298N为高电压、大电流的全桥驱动芯片，每个这种芯片能够控制2台直流电机，同时可控制其使能端。用这种芯片做电机驱动，其稳定性非常好，且性能非十分好，同时L298N结合单片机能够达到对小车速度的准确控制。借助接口发出PWM波，进而控制电机的转速，达到对速度的控制。
1.3 光电传感器
5通道灰度值传感器模块用RPR220的光电传感器作为探测器，一共可分成5路、 2行5列。借助对每一传感器数据进行检测，能够完成对十字路线、直线以及丁字路线的检测与跟踪。
1.4 超声波
超声波的发射以及接收都是独立式进行，本小车运用超声波发射器（型号为TCT40―16BT）以及超声波接收器（型号为TCT40―16BR），其能够向外发射大约40kHz的脉冲信号，输出端的电阻既能够增强反向器（型号为MC14069UB）的驱动性能，还能够提升超声器的阻尼作用，减少自由振荡的时长。
1.5 电子指南针
GY―26为低成本的平面数字罗盘，其输入的电压很低，功耗较小并且体积小。它的工作原理为借助磁传感器内的2垂直轴对地球磁场的感应磁分量，算出方位角度，该罗盘用RS―232及IIC协议和其它设备进行通信，起到重新标定的作用，可在任一位置获取精确的方位角，其波特率为9600bp秒，其输出方式分为连续和询问输出2种。
2 智能小车的软件设计
2.1 小车主程序
该小车功能的完成由指令进行控制，这些指令既能够通过传感器发出去，还能够通过下位机面板的按键予以控制，其主程序的设计流程见图1。
2.2 行车线路识别
当小车识别到转弯标志线之后，会一直沿着行车道向前直行，同时通过指南针对方向进行校正，而使其行驶方向和标志线之间呈直角。2个红外收发管置于灰度传感器的2侧，主要是用来检测行车道的边界，从而避免小车在行驶的时候超过边界。
2.3 避障超车
灰度传感器用来测行车道的边线，小车在行驶的时候通过超声波传感器来检测前方有没有障碍物，目的是避免两车相撞，避障超车的流程图见图2。2个车在行进1圈以后，在第2圈的时候要实现超车。智能小车利用车头的红外传感器来确定自己所在的位置，在第2圈检测为黑线数14的时候，说明小车已进入超车区。行进的时候借助超声波系统以控制2个车的距离，防止二者相撞。
3 系统测试
3.1 功能测试
第1组：A车与B车分别由起点开始，在行车道各自行驶1圈，在检测到第1个转弯之后，2个小车能够顺利的转动90°角。
第2组：A和B二小车按照图3中所示的二车分别的起跑线同时启动，B车经过超车标志线以后在超车区内完成超车的操作，并于A车到达终点线之前抵达，行驶所用的时间是12.6秒。
第3组：A和B二车继续行进第2圈，A车经过超车线以后要完成超车动作，并在B车到达终点以前到达。二车继续行进第3及第4圈，同时交互领跑。然后再设定A车的起始点，完成二车的交替领跑，行驶的时长一共为50秒。
3.2 测试结果
A车与B车各自从起点开始，在车道各自行驶1圈。当二车从起点同时启动，B车在超车区完成超车。二车行驶第2圈，之后A车超B车，完成交替领跑。二车继续行进第3与第4圈，继续交替领跑，行驶时长一共12秒。然后重设A车的起始点，完成二车4圈交替领跑。小车仅于超车区超车，超车之后可以返回行车道。
4 结论
结果可以看出，无人驾驶智能小车能够完成两车在规定区域完成超车、单车绕圈行驶、两车防撞前后行驶等，同时其性能十分稳定、抗干扰性比较强，未来将在无人驾驶系统中被应用。
参考文献
[1]梁明亮，孙逸洁.嵌入式智能小车的设计与实现[J].制造业自动化，2012，34（22）：87-89，94.
[2]赵津，朱三超.基于Arduino单片机的智能避障小车设计[J].自动化与仪表，2013，28（05）：1-4.
作者单位
1、超声波传感器在探测障碍物时有盲区，此时只能通过观察才能避免发生驻车事故。
2、超声波传感器不可能随时探测到儿童和动物。
3、驻车距离报警系统可能探测不到诸如牵引钩、细横杆、栅栏和细立柱等障碍物，谨防发生事故。
4、车速低于15Km/h时驻车距离报警系统方能正常工作。
5、为保证后保险杠上传感器的功能，须保持其清洁并避免结冰。用高压清洗器清洗驻车距离报警系统传感器时应短时轻柔，喷嘴与传感器至少保持10cm以上的距离。
6、若您的汽车配备原装牵引支架，牵引挂车时，挂入倒档后，报警系统自动停止工作。
7、探头结冰，积泥，积雪，探头上覆盖了水气，驻车距离报警系统将也当作障碍物。
（来源：文章屋网 ）
关键词：建筑环境；单片机；CCD；图像采集
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.1.002
引言
本次设计的智能模型车通过温湿度传感器和感烟探测器检测建筑物空间内是否存在火灾隐情[1]，报警时工作人员通过CCD传感器采集到的视频图像确认火灾是否发生，确认火灾情况后，定位智能车位置并手动控制智能车离开事故现场，然后进行卷帘门开启的命令。智能车灵活方便，而且循环检测，提高火灾检测的效率性、火灾报警的实时性以及火灾位置检测的精确性。
系统总体设计
总体功能设计
本次设计的智能车通过红外传感器和超声波传感器检测建筑物内环境的信息，控制器做出合理、快速、准确的决策，使得智能车能够自主地避障和进行新路径的选择，实现智能车在建筑物内自主地对每个房间进行逐一排查，通过温湿度传感器对建筑物空间的温度和湿度进行检测，然后与预置的参数临界值进行比较，并与声光报警装置配合，同时结合感烟探测器的检测结果，从而做出报警/继续检测的判断，并将采集到的数据以及CCD传感器采集的视频图像实时传送给控制中心[2]。
总体方案设计
根据应用环境对智能车的简单敏捷型的要求，且硬件系统是智能车成败的关键，是智能车能够安全、稳定运行的基础，硬件的选择十分重要[3]。在硬件的初步选型后确定此系统硬件实现的可行方案，确定了以STC12系列单片机为该系统的核心，并选择低功耗和低成本的功能器件。图1是该系统的总体结构框图。
由温湿度传感器、感烟探测器和CCD传感器组成的监测部分主要检测建筑环境的温度和湿度，查找建筑环境的火灾安全隐情，控制部分主要由驱动电路来控制卷帘门的开/关，当智能车发现采集的数据超过预制的参数临界值时，启动报警器，发出声光报警信号，通过无线传输模块[4]将现场的实时数据发送到物业中心，工作人员通过视频图像进行确认，情况属实时，定位智能车位置，开启卷帘门，并且智能车手动功能开启，由工作人员控制离开事故现场，进行火灾隔离。由于建筑所在区域以及季节的不同，可以通过键盘设置系统的相关参数，并且检测的各项数据都会通过液晶显示器显示。
系统主要功能模块设计
本设计系统控制核心部分采用了可靠性高、功能强、灵活性以及性价比高的STC12C5A60S2单片机，同时还采用了软/硬件的“看门狗”技术等抗干扰措施，提高系统的准确性。
监测模块电路设计
监测模块是系统功能得以完成的先决力量，主要以传感器为核心，采集建筑物内空间的信息，完成环境的监测任务。本文主要介绍超声波传感器、温湿度传感器以及CCD传感器三种传感器的电路设计。
超声波传感器电路设计
智能车实现自身智能的一个关键就是其能够自主避障以及对于新的路径进行选择和规划[5]，除了红外线传感器做出中要贡献之外，超声波传感器也起到了无可比拟的作用。超声波传感器在工业、国防、生物医学等方面都得到了广泛的应用，而且超声波具有工作可靠、安装方便、防水型、发射夹角较小、灵敏度高等优点，所以在本设计中，为了实现智能，使小车能够在遇到障碍物时自主寻找新的路径。本设计使用了由步进电机驱动的超声波传感器，步进电机与直流电机相比，具有瞬时启动和极速停止的优越特性，过载性好，控制方便，整机结构简单。此外超声波传感器可以向左向右各旋转90度来测量小车与障碍物的距离，将距离信息传送给单片机，单片机发送命令控制小车朝离障碍物距离远的地方前进，超声波传感器随时检测，小车就随时调整运动方向，也弥补了红外传感器在工作中的某些缺陷，实现真正意义上的自主优化路径的目的。超声波测距的电路图如图2所示。
温湿度传感器电路设计
用来检测建筑物空间温度和湿度的是一款含有已校准数字信号输出的数字温湿度传感器DHT11[6]，其在暖通空调、气象站、汽车等多领域都有应用价值，且具有体积小、响应快、传输距离远、功耗极低、抗干扰能力强、性价比极高等优点，当测量的温湿度超过设定的临界值时，报警电路发送报警信息，通知控制中心。
DHT11的湿度量程范围是10%—90%RH，温度量程范围是-30℃—130℃，测湿精度为±5%RH，测温精度为±2℃，测量分辨率均为8bit。DHT11的供电电压为3-5.5V，与单片机和其他传感器需要的供电电压基本相同，增加智能车的简约性，而且DHT11的各项指标均满足本次火灾检测的要求。
DHT11采用串行接口，采用单总线数据格式，使DATA与单片机进行同步通信，其中与单片机的连接图如图3所示。DHT11的一次通信时间为4ms左右，DATA为串行数据，单总线，在不工作时，总线为高电平，在单片机发送开始信号后，总线被拉低等待DHT11响应，此时DHT11从低功耗模式转换到高速模式，接收到主机发送的开始信号后，等待状态结束，DHT11发送相应信号，并触发一次采集温湿度信号，通过显示器显示采集的信号供用户读取[7]。DHT11只在接受到开始信号后才开始采集温湿度信号，并在采集后转换到低速模式，简化系统。
CCD传感器设计
智能车的图像传输功能由CCD图像传感器来完成实现。CCD是一种半导体器件，其上的电容能够感应光线，CCD把光学影像转变成电荷，再转换成“0”或“1”的数字信号，就像胶片一样[8]。数字信号经过压缩和程序排列后，再转换成电子图像信号输入到计算机中，进行图像的保存、处理以及分析等工作。CCD的工作原理分为微型镜头、分色滤色片、感光层等三层，其中感光层是CCD的核心部分，主要的任务是将光源转换成电子信号，并传送给影像处理芯片，还原影像。
智能车的路径信息主要由面阵CCD器件进行检测，面阵CCD的输出信号为标准的模拟复合视频信号，该信号中主要包括了同步信号和图像信号。为了避免由于单片机A/D转换速度而带来的采集图像分辨率低的问题，该信号直接通过外部的电压比较器，将模拟视频信号变成高/低电平信号，通过单片机的I/O口输入到计算机。此外，还需要专门的视频同步分离电路提供行、场同步信号，这些同步信号一般送到单片机的外部中断端口[9]。本智能车采用IA1881作为视频信号同步分离芯片。IA1881视频同步信号分离芯片可以从混合的源视频信号里分离同步信号，产生四路同步信号。单片机采集图像系统框图如图4所示。
传输模块电路设计
为了保证传输的实时性和精准性，同时满足智能车的简约灵活的要求，我们采用了具有高抗干扰能力、高传输能力、高灵敏度、较低的电流消耗、低误码率等优点的RFD5800多通道微功率嵌入式无线数传模块[10]，其最远传输距离为1000米（1200bps），本设计则充分利用此传输模块的优点，让单片机与控制室更畅通地连接，其电路原理图如图5所示。
结论
火灾的检测在建筑环境以及人们的日常生活中都非常重要，火灾的成功预知可以大大减少人员生命财产的损失。基于此，设计了可移动的智能车，智能车在建筑物内循环检测其空间的烟雾浓度、温度以及湿度。单片机根据三种数据同时判定是否存在火灾隐患，以防香烟烟雾或厨房烟雾等导致判断错误，产生误报等情况。智能车具有移动方便、稳定性高、通信灵敏等优点，同时可燃气体检测、建筑环境检测等其他功能可以拓展，其具有很大的发展和应用空间。
参考文献：
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