戴含秀,董 建,司 源,張佩哲

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學 天津市信息傳感與智能控制重點實驗室,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,冬季的風景區(qū)或冰上競技項目的體育場館等也會對冰層的厚度進行實時監(jiān)測。因此,開發(fā)一種可靠、高效的測量冰層厚度的智能檢測系統(tǒng)具有較大的現(xiàn)實意義。隨著單片機技術(shù)的發(fā)展和超聲波測厚技術(shù)的完善,檢測系統(tǒng)也逐步趨于智能化、微型化、網(wǎng)絡化,用于測量冰層厚度的智能檢測系統(tǒng)應運而生,使得測量冰層厚度的任務由原來耗時耗力、環(huán)節(jié)繁雜、危險系數(shù)高的物理鑿冰法,向著簡單快捷的自動化、智能化檢測方向發(fā)展。根據(jù)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),目前可實現(xiàn)測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,研究了一種服務于日常生活使用的基于單片機的超聲波冰厚檢測系統(tǒng)。

1 設計需求分析

氣候的變化使得兩極的冰川減少,各國的科考隊員正在對南北極冰河的冰面厚度進行細致監(jiān)測,因此冰面厚度檢測是科考活動中一個重要環(huán)節(jié)。河面結(jié)冰是我國北方地區(qū)常見的自然現(xiàn)象,其厚度的監(jiān)測對居民冰上活動的安全性具有重要意義。同時,隨著冰上體育競技項目的增多,對競技冰場的細致監(jiān)測和處理的需求也越來越多。傳統(tǒng)的冰層厚度測量方法主要是通過人工觀測或者鉆孔測量,這種方法不僅費時費力,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系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。

2 設計理念

2.1 應用原理

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

智能檢測系統(tǒng)的工作過程描述如下。系統(tǒng)先通過單片機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。單片機通過反射波的時間延遲來計算冰層的厚度,并將結(jié)果顯示在相關(guān)的輸出設備上。超聲波在冰層中的傳播速度為 3 230 m/s,根據(jù)計時器記錄的時間t,可以計算出發(fā)射點距交界面的距離s,即:s=3 230t/2。因此,可以在冰面放置一個超聲波的發(fā)射探頭和一個接收探頭,當發(fā)射端發(fā)射信號后,超聲波在冰層內(nèi)部傳播,當?shù)竭_另一面時,有一部分超聲波會反射回來并被接收端接收,通過計算時間差可得到冰層厚度值[3-4]。

2.2 系統(tǒng)的優(yōu)點

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

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

3 系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)總體設計

冰層測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,包含單片機的發(fā)射接收電路、顯示電路等;軟件程序利用C語言程序進行編譯,采用模塊化設計,具有檢測冰層厚度、實現(xiàn)數(shù)據(jù)儲存和顯示的功能。

將冰層測厚儀置于冰面,打開開關(guān),發(fā)射電路向冰面發(fā)射超聲波,超聲波經(jīng)過冰水交接反射,接收電路檢測到后進行數(shù)據(jù)收集和傳輸反饋,反饋至處理程序進行處理,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)功能流程設計

系統(tǒng)的實際運行步驟:超聲波測厚儀開機通電后,首先進行系統(tǒng)初始化,計數(shù)器清零和液晶顯示清零;當按下“確認”鍵后,整個系統(tǒng)開始工作,發(fā)射電路開始運行,產(chǎn)生超聲波,同時計數(shù)器開始工作;之后發(fā)射電路停止工作,等待盲區(qū)時間過后,接收電路啟動,等待接收反射波;當接收探頭檢測到超聲波的反射波時,停止計數(shù),并進入中斷程序;在中斷程序中,將計數(shù)值轉(zhuǎn)換成厚度值并在液晶顯示屏顯示結(jié)果,并將計數(shù)器清零。重復上述動作,實現(xiàn)實時檢測厚度的要求,在檢測過程中,若按下“記錄”按鍵,則將測厚儀當前顯示的厚度值以及測厚信息記錄下來并在液晶屏上顯示,不影響實時檢測功能。測厚功能流程如圖2所示。

圖2 測厚功能流程

3.3 系統(tǒng)硬件設計

本研究的超聲波測厚儀選用單片機處理器作為控制核心,它控制整個電路系統(tǒng)的工作運行。發(fā)射超聲波的驅(qū)動電路和接收超聲波的接收電路是整個電路系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分,因為超聲波的反射波信號屬于微弱信號,要經(jīng)過放大處理后才能使用,同時還不能對外界的干擾信號進行放大。按鍵部分是實現(xiàn)人機交互的關(guān)鍵部分,必須能夠準確地對系統(tǒng)進行操作。液晶顯示部分作為整個測厚系統(tǒng)的最終輸出端,是測厚儀不可缺少的一部分。

在單片機的選型上,常見使用的是STM32C8T6單片機,這款單片機具有較高的性價比和穩(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,這些型號具有較高的測量精度和穩(wěn)定性,適合用于測量冰的厚度。電源電路可以采用穩(wěn)壓芯片或者穩(wěn)壓模塊來實現(xiàn),為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。同時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,用于顯示測量結(jié)果。器件之間采用杜邦線和焊接線路進行連接。

4 結(jié)語

本文提出了一種用于冰層厚度檢測的精確測量系統(tǒng),運用單片機控制原理和超聲波測厚原理來實現(xiàn)冰層厚度的測量功能。系統(tǒng)實現(xiàn)了檢測冰層厚度的便捷化、自動化和智能化,對科學勘測、體育賽事中冰上項目的順利舉行、冬春季居民的冰上活動安全等都具有較重要的意義。