遠距離超聲波測距技術在礦用機車上的應用

摘 要： 礦用機車駕駛員容易出現疲勞駕駛和注意力不集中，是煤礦安全的重大隱患，設計出一套機車障礙物檢測報警系統，對于煤礦安全有著重要意義。而這套系統的關鍵技術在于測距，結合煤礦自身的復雜環境的考慮，在此選用超聲波測距技術。為了滿足超聲波遠距離測距的目的，選用美國AIRMAR公司生產的AR30超聲波傳感器，通過匹配該傳感器各性能參數，設計出合理的硬件電路，經過一系列軟件算法得到一個精確的距離值并且顯示出來。當小于報警距離時發出聲光報警信號提示駕駛員，為駕駛員安全駕駛提供了技術保障。

關鍵詞： 超聲波測距； 安全隱患； 遠距離測距； A/D采樣

中圖分類號： TN951?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）02?0117?03

0 引 言

隨著科技日新月異的發展，礦山數字化進程不斷推進，大量的采煤設備引進到煤礦當中使用，煤礦的開采量也隨之增加，但開采量增加的同時帶來了一個新的問題——如何將開采出來的煤安全快速地運輸出去。針對這一問題，我國煤礦采取增加機車運輸車輛、提高電動機車的車速和機車24 h作業。這樣一來，駕駛員容易出現疲勞駕駛和注意力不集中，從而帶來一系列安全隱患問題，因此設計出一套機車防撞報警系統，對于煤礦安全有著非常重要的意義。而這套系統的關鍵技術在于測距——測量前方障礙物到機車的距離，當今應用于測距的方法主要有以下五種：紅外測距、激光測距、超聲波測距、毫米波雷達測距和攝像系統測距。結合煤礦自身的復雜環境的考慮，本文選用超聲波測距。超聲波測距作為一種典型的非接觸測量方法，在很多場合，諸如工業自動控制，建筑工程測量和機器人視覺識別等方面得到廣泛的應用[1]。與其他幾種測距方法相比，不受光照度、煙霧、電磁干擾等因素的影響，目前已普遍應用于倒車雷達、建筑施工工地以及一些工業現場。近年來，使超聲波測距系統在提高有效作用距離的同時，相應提高測量精度與抗干擾能力，成為超聲波測距技術的又一個重要研究方向[2]。

針對此點，馬志敏提出自動根據測量距離遠近調控發射功率的方法，即自動根據距離的遠近來調整發射拖尾波覆蓋信號的寬度，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距，既擴大了測量范圍又能兼顧小范圍測距時的測量精度[4]。本文將對超聲波測距的基本原理、硬件電路、軟件算法和示波器調試進行敘述，并對其發展趨勢進行展望。

1 超聲波測距的基本原理

超聲波測距儀是由超聲波發射器、接收器和信號處理裝置三部分組成。超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸的基本物理特性，超聲波測距就是利用其反射特性來工作的。超聲波發射器不斷發出一系列連續脈沖（比如30 kHz的超聲波），并給測量邏輯電路提供一個短脈沖。超聲波接收器則在接收到所發射超聲波遇障礙物反射回來的反射波后，也向測量邏輯電路提供一個短脈沖，再利用雙穩電路把上述兩個短脈沖轉化為一個方波脈沖。方波脈沖的寬度即為兩個短脈沖之間的時間間隔。測量這個方波脈沖的寬度就可以確定發射器與探測物之間的距離。如圖1所示，根據測量出輸出脈沖的寬度，即測得發射超聲波與接受超聲波的時間間隔，從而就可求出機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]為時間[5]。

根據超聲波測距儀的工作原理，本文對其進行改造，以單片機作為控制核心，能夠更靈活的輸出不同頻率、不同占空比的脈沖，自帶的16位定時器功能可以得到一個更為精準的時間。

圖1中，單片機為核心控制部分，通過內部定時器產生30 kHz的方波，經過發射驅動電路驅動超聲波發射器發射出去，與此同時，單片機開始計時。

接收回路將微弱的回波信號檢出，送到信號放大電路放大，將放大后的脈沖信號輸出到單片機中斷口，單片機收到中斷信號后停止計時并計算出距離值，直接送給顯示電路顯示。接收過程中，單片機可以定時控制放大電路的增益逐漸增大，以適應因距離越遠而越微弱的回波信號。

目前國內超聲波探頭探測距離一般在15 m以內，而本文選用了世界超聲波傳感器領導品牌美國AIRMAR公司生產的AR30超聲波傳感器，其標準探測距離為80 cm～25 m。

通過匹配該傳感器各性能參數，設計出合理的硬件電路。而要達到25 m遠距離測量，發射功率和接收靈敏度必須很好地配合。

2 硬件電路設計

超聲波測距的遠近取決于發射功率和接收靈敏度，發射功率越大返回的能量就越強，檢測的距離也就越遠，但與此同時帶來的副作用是余波時間也越長導致無法測量近距離的物體；在測量越遠距離的障礙物時返回的回波信號也就越微弱，必須先經過放大電路進行處理。放大倍數越大，靈敏度就越高，測量的距離也就越遠，但與此同時干擾信號也隨之放大導致測量出的距離出現錯誤現象。因此，合理地控制好發射功率和接收靈敏度，將會使測量距離和穩定性達到一個較佳的狀態。

2.1 發射模塊

作為發射模塊自然功率越大越好，而AR30超聲波傳感器屬于電壓驅動，其功率正比于驅動電壓，所以采用變壓器升壓，升壓比1∶40。網絡標號“30KPulse”是由單片機軟件產生的頻率為30 kHz、高電平為3.3 V的脈沖信號，經過三極管Q1，Q2兩個開關管之后轉變為頻率為30 kHz、高電平為12 V的脈沖信號，再經過場效應管Q3來到脈沖變壓器T1（電壓比n=40）初級線圈，此時從次級線圈出來的高電平達到了原來12 V的40倍，即480 V，再經過D1，D2，D3，D4輸出到AR30超聲波傳感器發射出去等待回波信號（見圖2）。

2.2 接收模塊

由于發射功率、被測物體距離、被測物體的表面反射率、被測表面與探頭的法線是否垂直等因素的影響，回波信號比較微弱， 這就需要利用運算放大器將其放大，最后送給單片機進行處理，由于本文要實現遠距離測量就必須提高接收的靈敏度，故選用放大倍數為1 000的信號接入單片機（見圖3）。

3 軟件代碼的實現

本文采用的單片機是Silicon Laboratories公司的增強型51單片機C8051F060，內部有兩個16位SAR ADC，它擁有以下幾個優點：16位分辨率、+0.75 LSB INL保證無失碼、可編程轉換速率最大1 MS/s、可作為兩個單端或一個差分輸入、直接存儲器存取和內部溫度傳感器。下面給出用C語言編寫的頻率為30 kHz、占空比為27%的10個脈沖信號的部分源代碼：

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；

以上由單片機產生的10個脈沖經過發射驅動電路反相、升壓后通過超聲波AR30發射出去，在接收程序上利用單片機的16位高速A/D進行采樣，經過一系列的算法得到回波信號的到來的時間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出聲光報警信號提醒駕駛員前方不遠處有障礙物。

圖3 超聲波接收信號放大電路圖

4 示波器調試

發射脈沖示波器實測脈沖波形圖（見圖4）（頻率f=29.34 kHz，周期T=34.09 μs，幅度為10 V，脈沖數目為10個）。

接收波形示波器實測圖（見圖5），前段波形是余波信號，余波時間的長短與發射功率有直接關系，在這里通過軟件延時跳過余波信號，第二段是遇到障礙物返回的回波信號，軟件算法上就是通過計算出這段回波到來的時間得到此障礙物的距離。

5 結 語

通過以上研究分析及實驗數據驗證，實現了25 m遠距離障礙物的探測，但由于被測物體距離太遠、被測物體的表面反射率不高、被測表面與探頭的法線不垂直等因素導致回波信號非常微弱，這就需要提高發射功率和接收靈敏度，與此同時干擾信號也跟著被放大增強從而導致檢測出現誤報現象，合理的硬件設計和優化的軟件算法可有效地解決誤報現象，并能大大提高遠距離檢測的測量精度。綜合目前超聲波障礙物測量技術的應用現狀，提出以下幾點展望：

（1） 由于有效地提高發射功率可以增大測量距離，但副作用是發射后的余波時間較長，此時測距的盲區也會增大（測距盲區指的是可以測量的最小距離），合理的提高發射功率和余波抵制電路配合將會進一步改善超聲波檢測的性能。

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

（3） 可采用發射、接收分體型的超聲波傳感器，使發射電路和接收電路完全隔離互不串擾，這樣可以增加測量的穩定性。

（4） 更優化的軟件算法可有效的解決誤報現象，并能大大提高遠距離檢測的測量精度。

參考文獻

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

[2] 李戈.國內超聲波測距研究應用現狀[J].測繪科學，2011，36（4）：60?62.

[3] 馬志敏.一種自動抑制超聲測量盲區的方法[J].聲學技術，2005，24（1）：55?57.

[4] 杜曉.基于SoPC技術的車輛電子后鏡系統設計[J].嵌入式系統應用，2008（8）：29?30.

[5] 鐘勇.現代汽車的四種測距方法[J].汽車工業研究，2001（2）：38?40.

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

[7] 曾祥進.自動增益電路在超聲波測距系統中的應用研究[J].測控技術，2005（7）：69?71.

[8] 楊天虹.連續波雷達同頻干擾微波對消技術的研究[J].微波學報，2011，27（6）：32?36.

[9] 成先敏.微波測距方案的設計與實現[J].四川兵工學報，2010，31（7）：96?109.

[10] 曾德懷.行走機器人的超聲波測距系統的研究[J].機械科學與技術，2004，23（5）：613?616.