溫度、聲音、距離檢測模塊的檢測系統設計

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(吉林大學 儀器科學與電氣工程學院，長春 130022)

引 言

紅外傳感器、超聲波傳感器和聲音檢測模塊具有體積小、靈敏度高的特點，STM32微處理器具有高性能、低成本、低功耗等優點，無線傳輸模塊可以在一定程度上忽略地形的影響，由傳感器和微處理器組成的溫度、聲音、距離檢測裝置易于攜帶、成本低、性能好，而且隨著未來技術的發展，傳感器性能勢必會越來越好，其精度、探測距離都會有較大的提升，處理器的處理能力也會有很大的進步，無線傳輸模塊的信息傳輸距離、穩定性能夠得到加強。所以說此裝置在未來會有很大的改進空間，設計思路值得借鑒。

1 實驗方法和實驗方案

實驗利用STM32F系列微處理器作為主控制器處理由紅外溫度傳感器、超聲波傳感器和聲音檢測模塊采集到的檢測信息，通過 ZigBee模塊以無線方式傳輸到上位機，利用C#編寫的GUI界面實時顯示數據，向檢測人員提供直觀的信息，便于分析。方案框圖如圖1所示。

圖1 實驗方案框圖

2 模塊選擇及原理

2.1 超聲波測距原理及模塊選擇

超聲波測距是借助于超聲脈沖回波渡越時間法來實現的。設超聲波脈沖由傳感器發出到接收所經歷的時間為t，超聲波在空氣中的傳播速度為c，則從傳感器到目標物體的距離D可由下式求出：

D=ct/2

此部分傳感器選用HC-SRO4超聲測距模塊，HC-SR04超聲波測距模塊可提供 2～400 cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達3 mm，模塊包括超聲波發射器、接收器與控制電路。

HC-SRO4超聲測距模塊基本工作原理：采用I/O接口TRIG觸發測距，給最少10 μs的高電平信呈；模塊自動發送8個40 kHz的方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，通過I/O接口ECHO輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間。測試距離=(高電平時間×聲速)/2。超聲波時序圖如圖2所示。

圖2 超聲波時序圖

以上時序圖表明只需要提供一個10 μs以上的脈沖觸發信號，該模塊內部將發出8個40 kHz 周期電平并檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號，回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比，由此通過發射信號到收到的回響信號時間間隔可以計算得到距離。(公式：μs/58=cm或者μs/148=inch，或者：距離=高電平時間×聲速(340 m/s)/2，建議測量周期為60 ms 以上，以防止發射信號對回響信號的影響)

超聲波測距模塊原理圖如圖3所示,實物圖如圖4所示。超聲波測距模塊電氣參數如表1所列。

表1 HCSR04超聲波測距模塊電氣參數

圖3 HC-SR04超聲波測距模塊原理圖

圖4 超聲波測距模塊實物圖

2.2 紅外測溫原理及模塊選擇

物體紅外輻射能量的大小和波長的分布與其表面溫度關系密切。因此，通過對物體自身紅外輻射的測量能準確地確定其表面溫度，紅外測溫就是利用這一原理測量溫度的。紅外測溫器由光學系統、光電探測器、信號放大器和信號處理及輸出等部分組成。光學系統匯聚其視場內的目標紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉變為相應的電信號，該信號經過放大器和信號處理電路，并按照儀器內的算法和目標發射率校正后轉變為被測目標的溫度值。

此部分選用GY-906紅外測溫模塊，以MLX90614非接觸式測溫傳感器為核心。Melexis公司生產的MLX90614系列測溫模塊是應用非常方便的紅外測溫裝置，其所有的模塊都在出廠前進行了校驗，并且可以直接輸出線性或準線性信號，具有很好的互換性，免去了復雜的校正過程。該模塊以81101熱電元件作為紅外感應部分，輸出是被測物體溫度(To)與傳感器自身溫度(Ta)共同作用的結果，理想情況下熱電元件的輸出電壓為：Vir=A(To4-Tα4)，其中溫度單位均為Kelvin，A為元件的靈敏度常數。目標溫度和環境溫度由81101內置的熱電偶測定測量，從81101中輸出的兩路溫度信號分別經內部MLX90302 器件上高性能、低噪聲的斬波穩態放大器放大，再經一個17位的模/數轉換器(ADC)和強大的數字信號處理(DSP)單元后輸出。

MLX90614是由內部狀態機控制物體溫度和環境溫度的測量和計算，進行溫度后處理，并將結果通過PWM或是SMBus模式輸出，ASSP支持兩個IR傳感器(MLX90614xAx只有一個IR傳感器)。IR傳感器的輸出通過增益可編程的低噪聲低失調電壓放大器放大，經過Sigma Delta調制器轉換為單一比特流并反饋給DSP做后續的處理。信號通過可編程的(用EEPROM實現)FIR和IIR低通濾波器以進一步降低輸入信號的帶寬，從而達到所需的噪聲特性和刷新率。IIR濾波器的輸出為測量結果并存于內部RAM中，其中三個單元可被用到：一個是片內溫度傳感器(片上PTAT或PTC)，其余兩個為IR傳感器。 基于以上測量結果，計算出對應的環境溫度Ta和物體溫度To，兩個溫度分辨率都為0.01 ℃。Ta和To可通過兩種方式讀取：通過兩線接口讀取RAM單元(0.02 ℃分辨率，固定范圍)或者通過PWM數字模式輸出(10位分辨率，范圍可配置)。

測量周期的最后一步為：測量所得Ta和To被重新調節為PWM所需的輸出分辨率，并且該數據存儲在PWM狀態機的寄存器中，狀態機可以產生固定頻率和一定占空比來表示測量的數據。MLX90614的引腳分布及實物圖如圖5所示。引腳功能如表2所列。

圖5 MLX90614的引腳分布及實物圖

表2 MLX90614的功能引腳表

MLX90614的PWM/SDA引腳可以作為PWM模式輸出，取決于EEPROM的設置。如果設為PWM使能，在上電復位(POR)之后，PWM/SDA引腳被直接配置為PWM輸出。在采用PWM為輸出方式的條件下，計算所得的環境溫度和物體溫度存在RAM中，其分辨率為0.01 ℃ (16位)。PWM輸出格式為10-位數值，所以要傳送的溫度需要重新調節以適用所需的范圍。為此，EEPROM中的2個單元用于存取To的范圍(Tomin和Tomax)，一個單元用于Ta (Tarange：8MSB存放Tamax，8LSB用于Tamin) 。因此To輸出范圍的變化精度為0.01 ℃，對應的Ta輸出范圍的變化精度為0.64 ℃。 測量、計算和線性化處理是通過內核控制的，內核執行ROM里的程序。在POR后，芯片被存于EEPROM里的校準數值初始化，在該階段，芯片選擇IR傳感器號碼決定用哪個傳感器，測量、補償以及線性化程序運行在閉環的流程里。

2.3 聲音檢測原理及模塊選擇

圖6 YL-56聲音檢測模塊實物圖

聲音傳感器內置一個對聲音敏感的電容式駐極體話筒，聲波使話筒內的駐極體薄膜振動，導致電容的變化而產生與之對應變化，根據電壓便能夠檢測聲音的有無和大小電壓。此部分選用YL-56聲音檢測模塊，該模塊工作方式為可以檢測周圍環境的聲音強度。使用時需注意：此傳感器只能識別聲音的有無(根據震動原理)，不能識別聲音的大小或者特定頻率的聲音，靈敏度可調，工作電壓為3.3～5 V輸出形式為數字開關量輸出(0 和1 高低電平)。YL-56聲音檢測模塊實物圖如圖6所示，傳感器原理圖如圖7所示。

圖7 YL56傳感器原理圖

2.4 無線發射模塊選擇

此部分選用以ZigBee技術為核心的通信模塊。ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協議，這個協議規定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(Bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(Zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網絡，其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本，主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的、低功耗的近距離無線組網通信技術。

3 硬件系統搭建

本文選用STM32單片機，相對于51單片機來說，該單片機的處理能力更強。該項目將多個傳感器的數據進行采集處理，然后通過無線傳輸到電腦上進行顯示。由于各個模塊具有較完整的功能，所以把每一個部分都與STM32單片機進行對接，再給單片機加上無線傳輸部分進行數據發送。相應的，給PC端加上無線接收部分，接收單片機采集處理過的溫度、聲音、距離信息。無線傳輸部分采用ZigBee，和單片機、PC的接口均為USB，十分方便。溫度采集模塊、聲音采集模塊、距離采集模塊、STM32單片機、無線傳輸部分和PC端一起構成了該項目的硬件部分。

4 軟件系統編寫

軟件方面做了單片機和PC端的程序編寫，單片機主要采用C語言。由于單片機對多個傳感器信號的讀取是采用掃描式的方法，順序而循環地讀取各個傳感器的數據。對單片機中設定的各個對應的回路讀取的信號進行獨立運算，最后的結果采用掃描方法，順序而循環地送到各個輸出點。單片機的各個輸入/輸出點可以是相互獨立的，也可以是共用一個，只是檢測信號傳送的方式不同。如果是模擬量信號，各輸入/輸出點必須相互獨立，所以本文采取了前者。PC端程序是對人機交互界面的編寫，采用C#在Visual Studio上編寫。

5 裝置測試及數據分析

在完成編程及模塊組裝之后，在不同的環境下進行了裝置實地測量實驗。實驗結果如表3所列。

表3 實驗結果

將得出的數據與真實數據對比發現了以下問題：數據誤差存在但是控制在5%以下，數據傳輸有時會出現不穩定現象。經研究發現傳感器的精度及傳輸模塊的性能導致問題的出現，所以要提高該裝置的性能，需要提高傳感器的精度，隨著科技的進步，此裝置性能會越來越好，數據檢測會越來越簡單、精準。

結 語

此裝置經實驗測試表明，能夠探測環境里的溫度、障礙物距離、聲音等信息，可以為人類直接進入陌生地域前進行初步探測，具有一定的實用價值。