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) 02?0117?03 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]: [S=12vt] 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n=40)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 auto?reload mode for (i=0; i