一種防失足講臺探測器的設計

汪燕

摘 要：為解決師生上下講臺時容易發(fā)生摔倒或講課時失足崴腳等問題，設計了一種基于超聲波的講臺探測器。該探測器由主控板和探測子板組成。每個探測子板具有對應的探測區(qū)域，探測區(qū)域靠近講臺的邊沿放置，用來向?qū)奶綔y區(qū)域發(fā)射探測信號，以獲取探測區(qū)域內(nèi)人體距離的變化信息。主控板與每個探測子板通過RS485總線聯(lián)網(wǎng)，主控板根據(jù)收到的距離信息判斷人體是否到達講臺邊沿，給予及時提醒。測試表明該設計能夠適時對講臺邊沿的人體活動進行探測，預防失足事故發(fā)生。

關(guān)鍵詞：講臺； 探測； 單片機； 超聲波傳感器

Abstract： When teachers and students walk up and down to the platform， it is easy to fall down. To prevent such accidents， a kind of platform detector is designed on the base of ultrasonic wave sensor， which includes the main control boards and detector boards. Each detector subboard deals with the corresponding detection area near the platform edge. It can emit ultrasonic waves constantly to obtain the varying distance information when the human body walks up to the platform edge. The main control board is connected to each detector subboard via the bus of RS485. The main control board is used to determine whether a human body reaches the edge of the platform according to the distance information， and send out a warning. The test shows that the design can detect the human activity of the platform edge in time so as to avoid the occurrence of the accident.

Key words： platform； detector； SCM； ultrasonic wave sensor

引言

教室或會場的講臺一般都會有一級以上的臺階，上下講臺摔倒或講課時失足崴腳的事故屢見不鮮。尤其是教師，講臺是他們的主陣地，目前一般在臺階邊沿貼置彩帶，能夠起到提醒作用，從而在一定程度上減少事故的發(fā)生[1]。然而由于腳下區(qū)域為教師正常授課時視線的盲區(qū)，上述貼置彩帶的方式所起到的提醒效果并不顯著。本文設計了一種基于超聲波智能提醒裝置，當人員走到講臺邊沿時，通過發(fā)聲或振動給予提示，避免意外的發(fā)生。針對本文設計的講臺失足提醒裝置，鮮有國內(nèi)外類似的專利或文獻描述。

1 總體設計

該智能提醒裝置由4個超聲波探頭、連接導線和控制器等部分組成。4個超聲波探頭安裝在黑板兩邊和講臺上方的天花板上，分別用來探測講臺兩側(cè)和前面的邊沿。考慮到超聲波傳感器有波束角，黑板兩側(cè)的超聲波探頭安裝時可適當向兩側(cè)傾斜[2]。超聲波傳感器安裝效果如圖1所示。

系統(tǒng)由主控板和探測子板組成，二者之間利用RS485總線通信[3]，采用一主多從、半雙工模式工作。主控板輪流給各探測子板發(fā)送測量命令。系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。圖中僅畫出2個探測子板，可根據(jù)需要增加2個探測前沿的子板。2個120歐姆的電阻起著消除干擾作用，線長小于100米時，2個電阻可省略[4]。主控板以單片機為基礎，收發(fā)信息可通過SPI、UART等進行，探測子板基于單片機擴展超聲波測距模塊構(gòu)成，為提高探測精度，超聲波傳感器的波束角越小越好。采用US-100超聲波測距模塊[5]，其波束角不大于15°，工作在串口模式下。主控板每隔50 ms發(fā)送一次采集命令，然后輪流采集各控制子板的測距結(jié)果。

假設上次測量的距離是dn，下一次測量的距離是dn+1，2次測量的距離之差為Δd。

Δd=dn - dn+1（1）

如果Δd≥30 cm，單片機驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲一次，或驅(qū)動振動電機旋轉(zhuǎn)10 ms，提醒注意腳下安全。主控板工作方式有如下配置項：配置傳感器是2或4個；關(guān)閉或打開提醒；提醒方式發(fā)聲或振動，共采用4位DIP開關(guān)。控制子板提供子板地址配置項，序號分別為0，1，2，3，采用兩位DIP開關(guān)。

US-100超聲波測距模塊探測距離為2 cm至4.5 m，工作模式可選擇GPIO和UART模式，UART模式下波特率為9600bps。UART模式下，主控板通過RS485總線給US-100超聲波測距模塊發(fā)送0x55，即啟動一次測量，工作時序如圖3所示。圖中虛線框中的操作是US-100自動進行的，無需程序控制。25ms后主控板通過串口讀取帶溫度校準的2個字節(jié)的距離值。

2 詳細設計

2.1 電路原理

超聲波模塊的通信接口有多種類型，本設計選擇的US-100超聲波測距模塊設定工作在UART模式下。要求單片機帶有2個UART串口和12個GPIO空閑引腳，選用STC12C5A60S2型號單片機作為主控板和探測子板的控制芯片，STC12C5A60S2屬于增強型8051單片機。防失足講臺探測器系統(tǒng)原理如圖4所示。主控板和探測子板在1張圖上，虛線框內(nèi)是STC125A60S2的最小系統(tǒng)[6]。超聲波距離探測器采用US-100模塊。提醒器件采用振動馬達M1與蜂鳴器BUZ1，分別通過P3.6與P3.7控制。D2為續(xù)流二極管。發(fā)光二極管D1的功能為通電指示，K1為電源總開關(guān)，電源座J2用于連接電路板的5 V電源[7]。

作為主控板時，US-100模塊不用焊接。作為探測子板時，振動馬達與蜂鳴器及其驅(qū)動元件R2～R5、Q1～Q2、D2不用焊接。P0口的低4位上的RN1為上拉電阻，高4位的RN2為D3～D6的限流電阻。撥碼開關(guān)SW1的功能是：

DIP4-1主控：開關(guān)/探測子板：地址選擇0

DIP4-2主控：聲音開關(guān)/探測子板：地址選擇1

DIP4-3主控：振動開關(guān)/探測子板：未定義，保留

DIP4-4主控：探測子板個數(shù)選擇/探測子板：未定義，保留

D3～D6共4個LED，分別用于指示4個探測子板的工作狀態(tài)，點亮表示讀不到距離值。作為探測子板時，僅需焊接D3，用于提示工作狀態(tài)。芯片U3是RS485/UART轉(zhuǎn)換芯片，連接端子J2用來連接主控板與探測子板雙絞線作為RS485通信線[8]。

2.2 通信協(xié)議

主控板與探測子板采用半雙工、一主多從通信方式。主控板為主機，探測子板為從機，每個探測子板通過DIP開關(guān)設定不同的地址。每次通信都是由主控板發(fā)起，主機發(fā)送1個字節(jié)的地址信息到RS485總線上，與之匹配的探測子板將響應本次通信，準備數(shù)據(jù)[9]。

（1）主控板與探測子板都采用115 200 bps的速率。每次通信都由主控板發(fā)起，子板只接收地址信息。1次采集過程分為2個過程：1）主機發(fā)送廣播地址命令所有探測子板開始1次采集；2）主機分別發(fā)送各探測子板地址，對應子板響應后回復數(shù)據(jù)信息給主控板。

（2）主控板只發(fā)送2類地址信息給探測子板，分別是探測子板地址和廣播地址0xff。探測子板如果是4個，則地址范圍是0x01-0x04。探測子板收到0xff，所有子板都開始一次測距，并根據(jù)公式（1）計算出的Δd值轉(zhuǎn)換成上報單字節(jié)數(shù)據(jù)，即有警報y和無警報n，對應的ASCII碼值為0x79和0x6e。

（3）主控板發(fā)出廣播地址延時50 m后，再分別發(fā)出探測子板地址，切換到接收模式，令多機通信控制位SM2=0，然后延時等待10ms內(nèi)讀取遠程探測子板發(fā)來的數(shù)據(jù)。超過10ms未接收到數(shù)據(jù)，則表示接收不到遠程信息，將對應的指示LED點亮，默認本次讀取的值為n。接著主控板再發(fā)出下一遠程子板的地址，獲取其探測值，直到輪詢完所有的探測子板地址后，再發(fā)出廣播地址0xff進行下一輪數(shù)據(jù)的采集[10]。

2.3 探測工作流程

2.3.1 主控板操作流程

主控板工作流程包括上電置初值和探測輪詢，如圖5所示。圖中虛線箭頭為頂端方框的子操作流程。

主控板上電后需要進行一系列初始化工作，包括距離初始值、工作狀態(tài)、串口波特率、狀態(tài)指示燈，然后置MAX485為發(fā)送狀態(tài)，準備輪詢探測子板的距離值[11]。圖中僅畫了1個探測子板的情形，根據(jù)探測子板個數(shù)需要重復2次或4次。如果讀不到距離值，則設置該點的距離值為n，同時點亮圖4中的D3-D6中相應的狀態(tài)二極管。一個探測子板讀不到數(shù)據(jù)并不影響其它探測子板的探測效果。

2.3.2 探測子板的操作流程

探測子板的操作主要包括：上電后置本機地址初值、設置串口初始化和應答輪詢，操作流程如圖6所示。

圖中虛線箭頭為頂部方框的子操作流程。探測子板有一個工作指示LED D3，在執(zhí)行控制主板發(fā)來的命令期間D3被點亮。控制子板上單片機主要任務是：設置本機工作地址，接收控制主板數(shù)據(jù)并啟動US-100探測，上報距離信息和切換MAX485工作狀態(tài)是發(fā)送還是接收，保證半雙工收發(fā)正常進行。US-100接收操作命令0x55后，自動啟動一次距離探測。CPU讀取后等待控制主板讀取。距離值由2個字節(jié)表示：HB和LB，HB 為高位字節(jié)，LB為低位字節(jié)。距離值為 ：（HB*256 +LB）mm，結(jié)果不需要溫度校準。根據(jù)公式（1），如果Δd≥30，則本次的探測結(jié)果為‘y，否則為n。

3 結(jié)束語

[CM（20]本文詳細闡述了系統(tǒng)的總體設計方案，給出了系統(tǒng)的硬件原理圖、探測過程設計和通信協(xié)議。該系統(tǒng)將探測子板通過RS485總線進行組網(wǎng)，能方便用戶對系統(tǒng)工作參數(shù)集中配置和遠程管理。測試表明系統(tǒng)具有靈敏度高、時延小的特點，為講臺授課提供了一個貼心的安全裝置。針對智能教室的安全設計要求，本系統(tǒng)有著不錯的應用和推廣前景。

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