远距离超声波测距技术在矿用机车上应用

远距离超声波测距技术在矿用机车上应用 摘要矿用机车驾驶员容易出现疲劳驾驶和注 意力不集中，是煤矿安全的重大隐患，设计出一套机车障碍 物检测报警系统，对于煤矿安全有着重要意义。而这套系统 的关键技术在于测距，结合煤矿自身的复杂环境的考虑，在 此选用超声波测距技术。为了满足超声波远距离测距的目 的，选用美国AIRMAR公司生产的AR30超声波传感器，通过 匹配该传感器各性能参数，设计出合理的硬件电路，经过一 系列软件算法得到一个精确的距离值并且显示出来。当小于 报警距离时发出声光报警信号提示驾驶员，为驾驶员安全驾 驶提供了技术保障。 关键词超声波测距；安全隐患；远距离测距；A/D 采样 中图分类号TN951234文献标识码A文章编号 10047373X 2014 02011703 0引言 随着科技日新月异的发展，矿山数字化进程不断推进， 大量的采煤设备引进到煤矿当中使用，煤矿的开采量也随之 增加，但开采量增加的同时带来了一个新的问题一一如何将 开采出来的煤安全快速地运输出去。针对这一问题，我国煤 矿采取增加机车运输车辆、提高电动机车的车速和机车24 h 作业。这样一来，驾驶员容易出现疲劳驾驶和注意力不集中， 从而带来一系列安全隐患问题，因此设计出一套机车防撞报 警系统，对于煤矿安全有着非常重要的意义。而这套系统的 关键技术在于测距一一测量前方障碍物到机车的距离，当今 应用于测距的方法主要有以下五种红外测距、激光测距、 超声波测距、毫米波雷达测距和摄像系统测距。结合煤矿自 身的复杂环境的考虑，本文选用超声波测距。超声波测距作 为一种典型的非接触测量方法，在很多场合，诸如工业自动 控制，建筑工程测量和机器人视觉识别等方面得到广泛的应 用［1］。与其他几种测距方法相比，不受光照度、烟雾、电 磁干扰等因素的影响，目前已普遍应用于倒车雷达、建筑施 工工地以及一些工业现场。近年来，使超声波测距系统在提 高有效作用距离的同时，相应提高测量精度与抗干扰能力， 成为超声波测距技术的又一个重要研究方向［2］。 针对此点，马志敏提出自动根据测量距离远近调控发射 功率的方法，即自动根据距离的远近来调整发射拖尾波覆盖 信号的宽度，从而消除拖尾波的干扰［3］。杜晓采用40 kHz 和25 kHz两种频率的超声波测距，既扩大了测量范围又能 兼顾小范围测距时的测量精度［4］。本文将对超声波测距的 基本原理、硬件电路、软件算法和示波器调试进行叙述，并 对其发展趋势进行展望。 1超声波测距的基本原理 超声波测距仪是由超声波发射器、接收器和信号处理装 置三部分组成。超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，超声波测距就是利用其反射特性来工 作的。超声波发射器不断发出一系列连续脉冲（比如30 kHz 的超声波），并给测量逻辑电路提供一个短脉冲。超声波接 收器则在接收到所发射超声波遇障碍物反射回来的反射波 后，也向测量逻辑电路提供一个短脉冲，再利用双稳电路把 上述两个短脉冲转化为一个方波脉冲。方波脉冲的宽度即为 两个短脉冲之间的时间间隔。测量这个方波脉冲的宽度就可 以确定发射器与探测物之间的距离。如图1所示，根据测量 出输出脉冲的宽度，即测得发射超声波与接受超声波的时间 间隔，从而就可求出机车与障碍物之间的距离［S］ ［S12vt］ 式中［v］为超声波音速（即声速）；［t］为时间［5］。 根据超声波测距仪的工作原理，本文对其进行改造，以 单片机作为控制核心，能够更灵活的输出不同频率、不同占 空比的脉冲，自带的16位定时器功能可以得到一个更为精 准的时间。 图1中，单片机为核心控制部分，通过内部定时器产生 30 kHz的方波，经过发射驱动电路驱动超声波发射器发射出 去，与此同时，单片机开始计时。 接收回路将微弱的回波信号检出，送到信号放大电路放 大，将放大后的脉冲信号输出到单片机中断口，单片机收到 中断信号后停止计时并计算出距离值，直接送给显示电路显 示。接收过程中，单片机可以定时控制放大电路的增益逐渐 增大，以适应因距离越远而越微弱的回波信号。 目前国内超声波探头探测距离一般在15 m以内，而本 文选用了世界超声波传感器领导品牌美国AIRMAR公司生产 的AR30超声波传感器，其标准探测距离为80 cm〜25 mo 通过匹配该传感器各性能参数，设计出合理的硬件电 路。而要达到25 m远距离测量，发射功率和接收灵敏度必 须很好地配合。 2硬件电路设计 超声波测距的远近取决于发射功率和接收灵敏度，发射 功率越大返回的能量就越强，检测的距离也就越远，但与此 同时带来的副作用是余波时间也越长导致无法测量近距离 的物体；在测量越远距离的障碍物时返回的回波信号也就越 微弱，必须先经过放大电路进行处理。放大倍数越大，灵敏 度就越高，测量的距离也就越远，但与此同时干扰信号也随 之放大导致测量出的距离出现错误现象。因此，合理地控制 好发射功率和接收灵敏度，将会使测量距离和稳定性达到一 个较佳的状态。 2. 1发射模块 作为发射模块自然功率越大越好，而AR30超声波传感 器属于电压驱动，其功率正比于驱动电压，所以采用变压器 升压，升压比1 40。网络标号“30KPulse”是由单片机软 件产生的频率为30 kHz、高电平为3.3V的脉冲信号，经过 三极管QI, Q2两个开关管之后转变为频率为30 kHz、高电 平为12 V的脉冲信号，再经过场效应管Q3来到脉冲变压器 T1 （电压比n40）初级线圈，此时从次级线圈出来的高电平 达到了原来12 V的40倍，即480 V,再经过DI, D2, D3, D4输出到AR30超声波传感器发射出去等待回波信号（见图 2）o 2.2接收模块 由于发射功率、被测物体距离、被测物体的表面反射率、 被测表面与探头的法线是否垂直等因素的影响，回波信号比 较微弱，这就需要利用运算放大器将其放大，最后送给单 片机进行处理，由于本文要实现远距离测量就必须提高接收 的灵敏度，故选用放大倍数为I 000的信号接入单片机（见 图3）。3软件代码的实现 本文采用的单片机是Silicon Laboratories公司的增 强型51单片机C8051F060,内部有两个16位SAR ADC,它 拥有以下几个优点16位分辨率、0. 75 LSB INL保证无失 码、可编程转换速率最大1 MS/s、可作为两个单端或一个差 分输入、直接存储器存取和内部温度传感器。下面给出用C 语言编写的频率为30 kHz、占空比为27的10个脉冲信号 的部分源代码 sbit Pulse P2・； Timer2_Init 440； //Initialize the Timer2 SFRPAGE TMR2_PAGE； //Set SFR page TMR2CF 0 x08； //Timer2 uses SYSCLK TMR2 0； //Init the Timer2 register TMR2CN 0 x04； //Enable Timer2 in autoreload mode for i0； i