戴含秀,董 建,司 源,張佩哲

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 天津市信息傳感與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300222)

0 引言

氣候變化已經(jīng)使自然界中的冰層厚度持續(xù)減少,冬季的風(fēng)景區(qū)或冰上競(jìng)技項(xiàng)目的體育場(chǎng)館等也會(huì)對(duì)冰層的厚度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此,開發(fā)一種可靠、高效的測(cè)量冰層厚度的智能檢測(cè)系統(tǒng)具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展和超聲波測(cè)厚技術(shù)的完善,檢測(cè)系統(tǒng)也逐步趨于智能化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化,用于測(cè)量冰層厚度的智能檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生,使得測(cè)量冰層厚度的任務(wù)由原來(lái)耗時(shí)耗力、環(huán)節(jié)繁雜、危險(xiǎn)系數(shù)高的物理鑿冰法,向著簡(jiǎn)單快捷的自動(dòng)化、智能化檢測(cè)方向發(fā)展。根據(jù)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),目前可實(shí)現(xiàn)測(cè)量冰厚的裝置多為功能單一的較大型裝置,不適用于居民日常生活使用。為了提升器械的便攜性,研究了一種服務(wù)于日常生活使用的基于單片機(jī)的超聲波冰厚檢測(cè)系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)需求分析

氣候的變化使得兩極的冰川減少,各國(guó)的科考隊(duì)員正在對(duì)南北極冰河的冰面厚度進(jìn)行細(xì)致監(jiān)測(cè),因此冰面厚度檢測(cè)是科考活動(dòng)中一個(gè)重要環(huán)節(jié)。河面結(jié)冰是我國(guó)北方地區(qū)常見的自然現(xiàn)象,其厚度的監(jiān)測(cè)對(duì)居民冰上活動(dòng)的安全性具有重要意義。同時(shí),隨著冰上體育競(jìng)技項(xiàng)目的增多,對(duì)競(jìng)技冰場(chǎng)的細(xì)致監(jiān)測(cè)和處理的需求也越來(lái)越多。傳統(tǒng)的冰層厚度測(cè)量方法主要是通過(guò)人工觀測(cè)或者鉆孔測(cè)量,這種方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且存在一定的安全隱患。因此,研究一種智能化冰層厚度檢測(cè)系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 設(shè)計(jì)理念

2.1 應(yīng)用原理

本款智能檢測(cè)系統(tǒng)主要特點(diǎn)是將超聲波傳感器與單片機(jī)進(jìn)行融合使其協(xié)同工作。超聲波傳感器是一種使用超聲波來(lái)測(cè)量距離的傳感器,通過(guò)發(fā)射超聲波脈沖并接收反射波來(lái)測(cè)量與目標(biāo)物體之間的距離[1]。單片機(jī)是一種常用的微控制器,具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理和控制能力。本系統(tǒng)用單片機(jī)接收和處理超聲波傳感器反饋的數(shù)據(jù),并進(jìn)行相應(yīng)的控制操作[2]。

智能檢測(cè)系統(tǒng)的工作過(guò)程描述如下。系統(tǒng)先通過(guò)單片機(jī)控制超聲波傳感器發(fā)射超聲波脈沖,超聲波脈沖在冰層上傳播,并在冰層與水面交界處發(fā)生反射。傳感器接收到反射波后,將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)。單片機(jī)通過(guò)反射波的時(shí)間延遲來(lái)計(jì)算冰層的厚度,并將結(jié)果顯示在相關(guān)的輸出設(shè)備上。超聲波在冰層中的傳播速度為 3 230 m/s,根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t,可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距交界面的距離s,即:s=3 230t/2。因此,可以在冰面放置一個(gè)超聲波的發(fā)射探頭和一個(gè)接收探頭,當(dāng)發(fā)射端發(fā)射信號(hào)后,超聲波在冰層內(nèi)部傳播,當(dāng)?shù)竭_(dá)另一面時(shí),有一部分超聲波會(huì)反射回來(lái)并被接收端接收,通過(guò)計(jì)算時(shí)間差可得到冰層厚度值[3-4]。

2.2 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

單片機(jī)小巧靈活、成本低、控制能力強(qiáng),在各行業(yè)中有著非常廣泛的應(yīng)用,并且操作簡(jiǎn)單、攜帶方便,本智能檢測(cè)系統(tǒng)首選單片機(jī)作為主要控制器件。而超聲波具有測(cè)量誤差小、可靠性高、穩(wěn)定性好、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn),因此智能檢測(cè)系統(tǒng)將二者統(tǒng)籌融合,充分發(fā)揮了各自的優(yōu)點(diǎn)。

智能檢測(cè)系統(tǒng)體積小重量輕,使用方便易于攜帶。而且,超聲波測(cè)量頻率高且波長(zhǎng)短,相較于其他的測(cè)量方式穩(wěn)定性更高,產(chǎn)生的誤差更低。此外,系統(tǒng)器件維護(hù)成本低,易于維護(hù)和后期改進(jìn),同時(shí)能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量,監(jiān)測(cè)員能在較短時(shí)間內(nèi)得到冰層厚度,從而判斷冰面的安全性,減少破冰危險(xiǎn),提高安全系數(shù),為相關(guān)冰雪活動(dòng)的安全提供參考。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

冰層測(cè)厚儀包括硬件電路和軟件程序2部分。硬件電路采用單片機(jī),包含單片機(jī)的發(fā)射接收電路、顯示電路等;軟件程序利用C語(yǔ)言程序進(jìn)行編譯,采用模塊化設(shè)計(jì),具有檢測(cè)冰層厚度、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和顯示的功能。

將冰層測(cè)厚儀置于冰面,打開開關(guān),發(fā)射電路向冰面發(fā)射超聲波,超聲波經(jīng)過(guò)冰水交接反射,接收電路檢測(cè)到后進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和傳輸反饋,反饋至處理程序進(jìn)行處理,最后由顯示電路將冰層厚度等信息顯示給人們。該系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成

3.2 系統(tǒng)功能流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行步驟:超聲波測(cè)厚儀開機(jī)通電后,首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化,計(jì)數(shù)器清零和液晶顯示清零;當(dāng)按下“確認(rèn)”鍵后,整個(gè)系統(tǒng)開始工作,發(fā)射電路開始運(yùn)行,產(chǎn)生超聲波,同時(shí)計(jì)數(shù)器開始工作;之后發(fā)射電路停止工作,等待盲區(qū)時(shí)間過(guò)后,接收電路啟動(dòng),等待接收反射波;當(dāng)接收探頭檢測(cè)到超聲波的反射波時(shí),停止計(jì)數(shù),并進(jìn)入中斷程序;在中斷程序中,將計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換成厚度值并在液晶顯示屏顯示結(jié)果,并將計(jì)數(shù)器清零。重復(fù)上述動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)厚度的要求,在檢測(cè)過(guò)程中,若按下“記錄”按鍵,則將測(cè)厚儀當(dāng)前顯示的厚度值以及測(cè)厚信息記錄下來(lái)并在液晶屏上顯示,不影響實(shí)時(shí)檢測(cè)功能。測(cè)厚功能流程如圖2所示。

圖2 測(cè)厚功能流程

3.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本研究的超聲波測(cè)厚儀選用單片機(jī)處理器作為控制核心,它控制整個(gè)電路系統(tǒng)的工作運(yùn)行。發(fā)射超聲波的驅(qū)動(dòng)電路和接收超聲波的接收電路是整個(gè)電路系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分,因?yàn)槌暡ǖ姆瓷洳ㄐ盘?hào)屬于微弱信號(hào),要經(jīng)過(guò)放大處理后才能使用,同時(shí)還不能對(duì)外界的干擾信號(hào)進(jìn)行放大。按鍵部分是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的關(guān)鍵部分,必須能夠準(zhǔn)確地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作。液晶顯示部分作為整個(gè)測(cè)厚系統(tǒng)的最終輸出端,是測(cè)厚儀不可缺少的一部分。

在單片機(jī)的選型上,常見使用的是STM32C8T6單片機(jī),這款單片機(jī)具有較高的性價(jià)比和穩(wěn)定性。在超聲波傳感器的選型上,可使用的超聲波傳感器有HC-SR04、JSN-SR04 T等,這些型號(hào)具有較高的測(cè)量精度和穩(wěn)定性,適合用于測(cè)量冰的厚度。電源電路可以采用穩(wěn)壓芯片或者穩(wěn)壓模塊來(lái)實(shí)現(xiàn),為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。同時(shí)添加一些其他功能的電路,如放大電路、濾波電路等,以提高系統(tǒng)的性能。最后根據(jù)需要,選擇合適的顯示模塊,如數(shù)碼管、液晶顯示屏等,用于顯示測(cè)量結(jié)果。器件之間采用杜邦線和焊接線路進(jìn)行連接。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種用于冰層厚度檢測(cè)的精確測(cè)量系統(tǒng),運(yùn)用單片機(jī)控制原理和超聲波測(cè)厚原理來(lái)實(shí)現(xiàn)冰層厚度的測(cè)量功能。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)冰層厚度的便捷化、自動(dòng)化和智能化,對(duì)科學(xué)勘測(cè)、體育賽事中冰上項(xiàng)目的順利舉行、冬春季居民的冰上活動(dòng)安全等都具有較重要的意義。