基于無線傳感節(jié)點(diǎn)的自卸車車斗防掛預(yù)警器設(shè)計(jì)

夏小東，李寶林，楊 熙

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，徐州 221008；2.中國石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院，青島 257061）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全國各地硬件設(shè)施建設(shè)迅速，自卸車的數(shù)量也越來越多。自卸車作為運(yùn)輸工具，車斗舉升卸貨時(shí)，其整體高度就會(huì)上升，由于駕駛員的駕駛疏忽，而導(dǎo)致車斗在舉升或舉升后的卸貨過程中經(jīng)常掛斷電線或電纜等，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失。因此，設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測車斗附近障礙物距離的裝置有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 總體設(shè)計(jì)思路[1,2]

由于車斗需要運(yùn)動(dòng)，所以常規(guī)的有線采集不太方便，因此，采用了無線傳感節(jié)點(diǎn)的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集。利用超聲波傳感器采集自卸車車斗斜前方、上方及斜后方的障礙物距離車斗的距離，單片機(jī)ATmega16通過射頻芯片nRF24L01傳到駕駛室。信息采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。

圖1 信息采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原理圖

信息處理節(jié)點(diǎn)上的單片機(jī)通過nRF24L01接受采集的信息，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出障礙物到車斗的垂直距離，并與車斗舉升后的最大高度進(jìn)行比較，然后將結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在駕駛室的液晶屏上，同時(shí)發(fā)出語音報(bào)警，為駕駛員提供操作信息，達(dá)到預(yù)警防掛的目的。信息處理節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

圖2 信息處理節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原理圖

由于自卸車常常作業(yè)在雷雨天和施工現(xiàn)場，所以節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)需要防水防雷防塵。因此在需要選擇防水型超聲波傳感器，外殼的選擇了密閉的不銹鋼金屬外殼。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源設(shè)計(jì)

由于采集節(jié)點(diǎn)上的超聲波傳感器和單片機(jī)都需要5V電源，而基準(zhǔn)電壓芯片REF192和射頻芯片nRF24L01都需要3.3V電源，外接電源為6V，所以必須經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換，采用ASM1117-3.3V和ASM1117-5V的穩(wěn)壓芯片，轉(zhuǎn)換電路圖如圖3所示。

圖3 3.3V電壓轉(zhuǎn)換原理圖

在得到3.3V和5V電壓后，又分別連接上了一個(gè)濾波電路，供給單片機(jī)、傳感器和nRF24L01等。

2.2 信息采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[3]

超聲波傳感器選擇的是深圳市電應(yīng)普科技有限公司的DYP-ME007Y-PWM超聲波模塊，可提供30cm-3.5m的非接觸式距離測量功能，在感應(yīng)范圍內(nèi)感應(yīng)到物體則輸出對(duì)應(yīng)的高電平脈寬信號(hào)。將傳感器模塊的上的VCC、Echo（接收端）、Trig（控制端）、GND引腳分別接到接節(jié)點(diǎn)上的5V電源、單片機(jī) PA0（PA1, PA2）、PB1（PB1, PB2）、GND 上。

采集節(jié)點(diǎn)上還接有電源開關(guān)，晶振電路電源指示燈，信號(hào)傳輸指示燈，當(dāng)射頻芯片開始工作時(shí)，單片機(jī)控制PB1引腳上的LED燈等閃爍。節(jié)點(diǎn)上各部件的連接如圖4所示。

圖4 采集節(jié)點(diǎn)總體接口圖

無線芯片采用的是是挪威Nordic Semiconductor公司推出的一款低功耗的單片射頻收發(fā)器nRF24L01。最高傳輸速率達(dá)到2Mbps，支持多點(diǎn)間通信，自帶有功率放大器、頻率合成器、晶振、調(diào)制器等模塊，并帶有增強(qiáng)型ShockBurst控制器，其中輸出功率和通信頻道和協(xié)議都可通過程序進(jìn)行配置。其外圍只需要接少量的電容進(jìn)行濾波處理即可，外圍電路圖如圖4所示。由于只需要幾米的傳輸距離，所以選擇了PCB天線,如圖5所示。

圖5 NRF24L01外圍電路原理圖

2.3 信息處理節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖6 語音提示電路圖

處理節(jié)點(diǎn)主要由液晶顯示屏、語音報(bào)警模塊、ATmega16單片機(jī)、nRF24L01、電源以及外殼等組成。采用單片機(jī)的PA口控制LCM12864顯示處理后的距離。為了適應(yīng)不同的自卸車，加上了鍵盤控制部分，采用PD口進(jìn)行控制，PD3是數(shù)字加功能鍵，PD4是數(shù)字減功能鍵，通過這兩個(gè)口分別對(duì)距離的極限值進(jìn)行設(shè)置。

語音提示部分采用應(yīng)用廣泛的WT588D-16可編輯語音芯片，該芯片功能多，音質(zhì)好，且具有MP3控制模式、按鍵控制模式等較多控制模式，可控制的語音地址位達(dá)到220個(gè)，每個(gè)地址位能加載128段語音，使用時(shí)，只需要通過單片機(jī)訪問地址就可以實(shí)現(xiàn)語音播放[4]。語音提示電路如圖6所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件開發(fā)采用ICCAVR軟件開發(fā)環(huán)境，使用C語言模塊化編程。軟件部分包括采集節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)、信息處理節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)。流程圖如圖7和圖8所示。

圖7 信息采集節(jié)點(diǎn)程序流程圖

圖8 信息處理節(jié)點(diǎn)程序流程圖

4 算法設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)分析

4.1 算法設(shè)計(jì)

超聲波傳感器是通過計(jì)算從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回的信號(hào)所用的時(shí)間，來得出障礙物的距離。距離計(jì)算公式為：

其中：d為障礙物距離，s為聲波來回的路程，c為聲速，t為聲波來回時(shí)間[5]。

三個(gè)超聲波傳感器的測量方向分別為車斗正上方，斜前方45°，斜后方45°。自卸車在行駛或倒車時(shí)，首先由斜前方或者斜后方的傳感器先測出障礙物的距離或，并通過=d×sinπ/4計(jì)算得出其垂直高度d 1'和，然后有正上方的傳感器測出停車卸貨時(shí)，車斗上方的障礙物距離并將結(jié)果與車斗舉升后的最大高度進(jìn)行比較，、和中的任何一個(gè)小于都會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，測得的數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)保存，直到測到下一個(gè)障礙物。

4.2 實(shí)驗(yàn)分析

在實(shí)驗(yàn)室中，將信息采集節(jié)點(diǎn)放在地面上，并開始采集信息。拖動(dòng)一跟5mm左右粗的電線，從節(jié)點(diǎn)左側(cè)3m處往節(jié)點(diǎn)右側(cè)3m處拖動(dòng)，高度分別取為0.5m、1.0m、1.5m、2.0m，每移動(dòng)2m記錄一次數(shù)據(jù)。傳感器測得的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)表（單位：cm）

由上表的數(shù)據(jù)可以看出，誤差率都不超過3%，而且測得的數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)是成功的。

5 結(jié)論

介紹了一種基于nRF24L01的無線超聲波傳感器節(jié)點(diǎn)的自卸車車斗防掛預(yù)警裝置，并對(duì)軟硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。并進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證，結(jié)果表明該裝置能夠較好的達(dá)到自卸車車斗防掛預(yù)警的作用，且有安裝方便、工作穩(wěn)定、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

[1] 楊玲, 郝成.基于NRF24L01球磨機(jī)信號(hào)無線采集的實(shí)現(xiàn)[J].傳感器世界, 2009(9): 23～25.

[2] 唐穎, 張凡, 郭勇.移動(dòng)機(jī)器人的超聲波測距傳感器設(shè)計(jì)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào), 2010(11): 1647～1649.

[3] 潘勇, 管學(xué)奎, 趙瑞.基于NRF24L01的智能無線溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].天津理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2008(12): 48～50.

[4] 高月華.基于超聲波汽車倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].壓電與聲光, 2011(6): 429～435.

[5] 章小兵, 宋愛國, 唐鴻儒.一種基于多超聲波傳感器定位的新方法[J].制造業(yè)自動(dòng)化, 2006.28(1): 29-32.