摘 要： 礦用機(jī)車駕駛員容易出現(xiàn)疲勞駕駛和注意力不集中，是煤礦安全的重大隱患，設(shè)計(jì)出一套機(jī)車障礙物檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，對(duì)于煤礦安全有著重要意義。而這套系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于測(cè)距，結(jié)合煤礦自身的復(fù)雜環(huán)境的考慮，在此選用超聲波測(cè)距技術(shù)。為了滿足超聲波遠(yuǎn)距離測(cè)距的目的，選用美國(guó)AIRMAR公司生產(chǎn)的AR30超聲波傳感器，通過(guò)匹配該傳感器各性能參數(shù)，設(shè)計(jì)出合理的硬件電路，經(jīng)過(guò)一系列軟件算法得到一個(gè)精確的距離值并且顯示出來(lái)。當(dāng)小于報(bào)警距離時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)提示駕駛員，為駕駛員安全駕駛提供了技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞： 超聲波測(cè)距； 安全隱患； 遠(yuǎn)距離測(cè)距； A/D采樣

中圖分類號(hào)： TN951?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）02?0117?03

0 引 言

隨著科技日新月異的發(fā)展，礦山數(shù)字化進(jìn)程不斷推進(jìn)，大量的采煤設(shè)備引進(jìn)到煤礦當(dāng)中使用，煤礦的開(kāi)采量也隨之增加，但開(kāi)采量增加的同時(shí)帶來(lái)了一個(gè)新的問(wèn)題——如何將開(kāi)采出來(lái)的煤安全快速地運(yùn)輸出去。針對(duì)這一問(wèn)題，我國(guó)煤礦采取增加機(jī)車運(yùn)輸車輛、提高電動(dòng)機(jī)車的車速和機(jī)車24 h作業(yè)。這樣一來(lái)，駕駛員容易出現(xiàn)疲勞駕駛和注意力不集中，從而帶來(lái)一系列安全隱患問(wèn)題，因此設(shè)計(jì)出一套機(jī)車防撞報(bào)警系統(tǒng)，對(duì)于煤礦安全有著非常重要的意義。而這套系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于測(cè)距——測(cè)量前方障礙物到機(jī)車的距離，當(dāng)今應(yīng)用于測(cè)距的方法主要有以下五種：紅外測(cè)距、激光測(cè)距、超聲波測(cè)距、毫米波雷達(dá)測(cè)距和攝像系統(tǒng)測(cè)距。結(jié)合煤礦自身的復(fù)雜環(huán)境的考慮，本文選用超聲波測(cè)距。超聲波測(cè)距作為一種典型的非接觸測(cè)量方法，在很多場(chǎng)合，諸如工業(yè)自動(dòng)控制，建筑工程測(cè)量和機(jī)器人視覺(jué)識(shí)別等方面得到廣泛的應(yīng)用[1]。與其他幾種測(cè)距方法相比，不受光照度、煙霧、電磁干擾等因素的影響，目前已普遍應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。近年來(lái)，使超聲波測(cè)距系統(tǒng)在提高有效作用距離的同時(shí)，相應(yīng)提高測(cè)量精度與抗干擾能力，成為超聲波測(cè)距技術(shù)的又一個(gè)重要研究方向[2]。

針對(duì)此點(diǎn)，馬志敏提出自動(dòng)根據(jù)測(cè)量距離遠(yuǎn)近調(diào)控發(fā)射功率的方法，即自動(dòng)根據(jù)距離的遠(yuǎn)近來(lái)調(diào)整發(fā)射拖尾波覆蓋信號(hào)的寬度，從而消除拖尾波的干擾[3]。杜曉采用40 kHz和25 kHz兩種頻率的超聲波測(cè)距，既擴(kuò)大了測(cè)量范圍又能兼顧小范圍測(cè)距時(shí)的測(cè)量精度[4]。本文將對(duì)超聲波測(cè)距的基本原理、硬件電路、軟件算法和示波器調(diào)試進(jìn)行敘述，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 超聲波測(cè)距的基本原理

超聲波測(cè)距儀是由超聲波發(fā)射器、接收器和信號(hào)處理裝置三部分組成。超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦?，超聲波測(cè)距就是利用其反射特性來(lái)工作的。超聲波發(fā)射器不斷發(fā)出一系列連續(xù)脈沖（比如30 kHz的超聲波），并給測(cè)量邏輯電路提供一個(gè)短脈沖。超聲波接收器則在接收到所發(fā)射超聲波遇障礙物反射回來(lái)的反射波后，也向測(cè)量邏輯電路提供一個(gè)短脈沖，再利用雙穩(wěn)電路把上述兩個(gè)短脈沖轉(zhuǎn)化為一個(gè)方波脈沖。方波脈沖的寬度即為兩個(gè)短脈沖之間的時(shí)間間隔。測(cè)量這個(gè)方波脈沖的寬度就可以確定發(fā)射器與探測(cè)物之間的距離。如圖1所示，根據(jù)測(cè)量出輸出脈沖的寬度，即測(cè)得發(fā)射超聲波與接受超聲波的時(shí)間間隔，從而就可求出機(jī)車與障礙物之間的距離[S]：

[S=12vt]

式中：[v]為超聲波音速（即聲速）；[t]為時(shí)間[5]。

根據(jù)超聲波測(cè)距儀的工作原理，本文對(duì)其進(jìn)行改造，以單片機(jī)作為控制核心，能夠更靈活的輸出不同頻率、不同占空比的脈沖，自帶的16位定時(shí)器功能可以得到一個(gè)更為精準(zhǔn)的時(shí)間。

圖1中，單片機(jī)為核心控制部分，通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生30 kHz的方波，經(jīng)過(guò)發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器發(fā)射出去，與此同時(shí)，單片機(jī)開(kāi)始計(jì)時(shí)。

接收回路將微弱的回波信號(hào)檢出，送到信號(hào)放大電路放大，將放大后的脈沖信號(hào)輸出到單片機(jī)中斷口，單片機(jī)收到中斷信號(hào)后停止計(jì)時(shí)并計(jì)算出距離值，直接送給顯示電路顯示。接收過(guò)程中，單片機(jī)可以定時(shí)控制放大電路的增益逐漸增大，以適應(yīng)因距離越遠(yuǎn)而越微弱的回波信號(hào)。

目前國(guó)內(nèi)超聲波探頭探測(cè)距離一般在15 m以內(nèi)，而本文選用了世界超聲波傳感器領(lǐng)導(dǎo)品牌美國(guó)AIRMAR公司生產(chǎn)的AR30超聲波傳感器，其標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)距離為80 cm～25 m。

通過(guò)匹配該傳感器各性能參數(shù)，設(shè)計(jì)出合理的硬件電路。而要達(dá)到25 m遠(yuǎn)距離測(cè)量，發(fā)射功率和接收靈敏度必須很好地配合。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)距的遠(yuǎn)近取決于發(fā)射功率和接收靈敏度，發(fā)射功率越大返回的能量就越強(qiáng)，檢測(cè)的距離也就越遠(yuǎn)，但與此同時(shí)帶來(lái)的副作用是余波時(shí)間也越長(zhǎng)導(dǎo)致無(wú)法測(cè)量近距離的物體；在測(cè)量越遠(yuǎn)距離的障礙物時(shí)返回的回波信號(hào)也就越微弱，必須先經(jīng)過(guò)放大電路進(jìn)行處理。放大倍數(shù)越大，靈敏度就越高，測(cè)量的距離也就越遠(yuǎn)，但與此同時(shí)干擾信號(hào)也隨之放大導(dǎo)致測(cè)量出的距離出現(xiàn)錯(cuò)誤現(xiàn)象。因此，合理地控制好發(fā)射功率和接收靈敏度，將會(huì)使測(cè)量距離和穩(wěn)定性達(dá)到一個(gè)較佳的狀態(tài)。

2.1 發(fā)射模塊

作為發(fā)射模塊自然功率越大越好，而AR30超聲波傳感器屬于電壓驅(qū)動(dòng)，其功率正比于驅(qū)動(dòng)電壓，所以采用變壓器升壓，升壓比1∶40。網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)“30KPulse”是由單片機(jī)軟件產(chǎn)生的頻率為30 kHz、高電平為3.3 V的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)三極管Q1，Q2兩個(gè)開(kāi)關(guān)管之后轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率為30 kHz、高電平為12 V的脈沖信號(hào)，再經(jīng)過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管Q3來(lái)到脈沖變壓器T1（電壓比n=40）初級(jí)線圈，此時(shí)從次級(jí)線圈出來(lái)的高電平達(dá)到了原來(lái)12 V的40倍，即480 V，再經(jīng)過(guò)D1，D2，D3，D4輸出到AR30超聲波傳感器發(fā)射出去等待回波信號(hào)（見(jiàn)圖2）。

2.2 接收模塊

由于發(fā)射功率、被測(cè)物體距離、被測(cè)物體的表面反射率、被測(cè)表面與探頭的法線是否垂直等因素的影響，回波信號(hào)比較微弱， 這就需要利用運(yùn)算放大器將其放大，最后送給單片機(jī)進(jìn)行處理，由于本文要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量就必須提高接收的靈敏度，故選用放大倍數(shù)為1 000的信號(hào)接入單片機(jī)（見(jiàn)圖3）。

3 軟件代碼的實(shí)現(xiàn)

本文采用的單片機(jī)是Silicon Laboratories公司的增強(qiáng)型51單片機(jī)C8051F060，內(nèi)部有兩個(gè)16位SAR ADC，它擁有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：16位分辨率、+0.75 LSB INL保證無(wú)失碼、可編程轉(zhuǎn)換速率最大1 MS/s、可作為兩個(gè)單端或一個(gè)差分輸入、直接存儲(chǔ)器存取和內(nèi)部溫度傳感器。下面給出用C語(yǔ)言編寫的頻率為30 kHz、占空比為27%的10個(gè)脈沖信號(hào)的部分源代碼：

sbit Pulse = P2^7；

Timer2_Init （440）； //Initialize the Timer2

SFRPAGE = TMR2_PAGE； //Set SFR page

TMR2CF = 0x08； //Timer2 uses SYSCLK

TMR2 = 0； //Init the Timer2 register

TMR2CN = 0x04； //Enable Timer2 in auto?reload mode

for（i=0；i<10；i++）

{

Pulse=0；

while（TMR2<529）；

Pulse=1；

while（TMR2<729）；

SFRPAGE = TMR2_PAGE； //Set SFR page

TMR2 = 0； //Init the Timer2 register

}

Pulse =1；

以上由單片機(jī)產(chǎn)生的10個(gè)脈沖經(jīng)過(guò)發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路反相、升壓后通過(guò)超聲波AR30發(fā)射出去，在接收程序上利用單片機(jī)的16位高速A/D進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)一系列的算法得到回波信號(hào)的到來(lái)的時(shí)間t，從而由公式[S=12vt]得出前方障礙物的距離，將其顯示在液晶屏上并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)提醒駕駛員前方不遠(yuǎn)處有障礙物。

圖3 超聲波接收信號(hào)放大電路圖

4 示波器調(diào)試

發(fā)射脈沖示波器實(shí)測(cè)脈沖波形圖（見(jiàn)圖4）（頻率f=29.34 kHz，周期T=34.09 μs，幅度為10 V，脈沖數(shù)目為10個(gè)）。

接收波形示波器實(shí)測(cè)圖（見(jiàn)圖5），前段波形是余波信號(hào)，余波時(shí)間的長(zhǎng)短與發(fā)射功率有直接關(guān)系，在這里通過(guò)軟件延時(shí)跳過(guò)余波信號(hào)，第二段是遇到障礙物返回的回波信號(hào)，軟件算法上就是通過(guò)計(jì)算出這段回波到來(lái)的時(shí)間得到此障礙物的距離。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上研究分析及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了25 m遠(yuǎn)距離障礙物的探測(cè)，但由于被測(cè)物體距離太遠(yuǎn)、被測(cè)物體的表面反射率不高、被測(cè)表面與探頭的法線不垂直等因素導(dǎo)致回波信號(hào)非常微弱，這就需要提高發(fā)射功率和接收靈敏度，與此同時(shí)干擾信號(hào)也跟著被放大增強(qiáng)從而導(dǎo)致檢測(cè)出現(xiàn)誤報(bào)現(xiàn)象，合理的硬件設(shè)計(jì)和優(yōu)化的軟件算法可有效地解決誤報(bào)現(xiàn)象，并能大大提高遠(yuǎn)距離檢測(cè)的測(cè)量精度。綜合目前超聲波障礙物測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出以下幾點(diǎn)展望：

（1） 由于有效地提高發(fā)射功率可以增大測(cè)量距離，但副作用是發(fā)射后的余波時(shí)間較長(zhǎng)，此時(shí)測(cè)距的盲區(qū)也會(huì)增大（測(cè)距盲區(qū)指的是可以測(cè)量的最小距離），合理的提高發(fā)射功率和余波抵制電路配合將會(huì)進(jìn)一步改善超聲波檢測(cè)的性能。

（2） 選用指令速度更快、采樣頻率更高的單片機(jī)，如STM32F407，指令速度快可減少響應(yīng)延時(shí)的不確定性，計(jì)時(shí)精度高可提高分辨率。

（3） 可采用發(fā)射、接收分體型的超聲波傳感器，使發(fā)射電路和接收電路完全隔離互不串?dāng)_，這樣可以增加測(cè)量的穩(wěn)定性。

（4） 更優(yōu)化的軟件算法可有效的解決誤報(bào)現(xiàn)象，并能大大提高遠(yuǎn)距離檢測(cè)的測(cè)量精度。

參考文獻(xiàn)

[1] 張珂.超聲波測(cè)距回波信號(hào)處理方法的研究[J].測(cè)控技術(shù)，2008，27（1）：48?50.

[2] 李戈.國(guó)內(nèi)超聲波測(cè)距研究應(yīng)用現(xiàn)狀[J].測(cè)繪科學(xué)，2011，36（4）：60?62.

[3] 馬志敏.一種自動(dòng)抑制超聲測(cè)量盲區(qū)的方法[J].聲學(xué)技術(shù)，2005，24（1）：55?57.

[4] 杜曉.基于SoPC技術(shù)的車輛電子后鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2008（8）：29?30.

[5] 鐘勇.現(xiàn)代汽車的四種測(cè)距方法[J].汽車工業(yè)研究，2001（2）：38?40.

[6] 王闖.超聲波傳感器在礦山救援機(jī)器人中的應(yīng)用研究[J].煤礦機(jī)械，2007，28（1）：162?164.

[7] 曾祥進(jìn).自動(dòng)增益電路在超聲波測(cè)距系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].測(cè)控技術(shù)，2005（7）：69?71.

[8] 楊天虹.連續(xù)波雷達(dá)同頻干擾微波對(duì)消技術(shù)的研究[J].微波學(xué)報(bào)，2011，27（6）：32?36.

[9] 成先敏.微波測(cè)距方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2010，31（7）：96?109.

[10] 曾德懷.行走機(jī)器人的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2004，23（5）：613?616.