基于超聲波測距的煤礦井下皮帶檢測系統設計

付承彪， 田安紅， 于 龍， 馬 美

(曲靖師范學院a.信息工程學院;b.城市學院;c.生物資源與食品工程學院，云南曲靖655011)

0 引言

隨著人工智能技術的飛速發展，我國煤礦數字化的進程也在不斷地推進［1-2］，在煤礦的開采和傳輸過程中，皮帶檢測系統至關重要。然而，由于皮帶長時間工作易造成軟化和磨損，出現皮帶跑偏現象是煤礦中常見的故障，皮帶跑偏重則引發火災，嚴重威脅煤礦的生命安全。傳統采用接觸式的方法檢測皮帶跑偏，且需專職人員維護［3］，在惡劣的煤礦井下環境中，存在大量的粉塵和油泥，傳統檢測存在漏報等弊端，因此開發一個非接觸式的皮帶檢測系統，實時預測皮帶跑偏很有現實意義。然而，專業的測距儀器存在價格昂貴和體積龐大等問題，超聲波是基于非接觸式的測距原理［4-5］，與紅外測距和激光測距技術相比較，不容易受到粉塵、光照強度［6］、電磁波干擾信號等環境因素的影響，其縱向分辨率高，且超聲波傳感器體積小、信息處理簡單［7］等，可應用于煤礦井下的惡劣環境中。因此本文以單片機AT89C51為核心所設計的簡單、低成本［8］、高精度的測距系統，具有一定的推廣意義。

本文以煤礦井下生產環境為背景，設計了一個基于超聲波測距的皮帶檢測系統，通過系統硬件設計、軟件設計和仿真測試［9-10］，在單片機AT89C51、液晶顯示模塊、HC-SR04超聲模塊，溫度傳感器模塊和蜂鳴器的控制下，實時檢測皮帶跑偏系統。首先，在Proteus 7 Professional軟件中設計超聲波測距儀系統電路;然后，在Keil μVision4軟件中用C語言編寫實時檢測皮帶系統的程序;最后，通過上述兩個軟件的聯合測試，當被測物體的距離值小于限定的距離值時，單片機會驅動蜂鳴器進行報警提示。從而實時地檢測皮帶跑偏現象，確保煤礦生產環境的工作安全。

1 基本原理和設計思路

1.1 基本原理

當物體振動的頻率在0.02～20 kHz時，人耳可聽到該范圍的聲音，如果頻率超過20 kHz，稱為超聲波［11-13］，其波長非常短，傳播具有方向性，且呈現束狀直線傳播，可用于測距探測。常用渡越時間法(Timeof-Flight，TOF)進行測距，其工作原理:首先，借助強電脈沖信號方式，使得超聲波發射器向物體發射超聲波，并啟動計時器;其次，發射的超聲波遇到被測試的物體之后，會形成反射的回波信號;然后，接收器接收到回波信號，并停止計時器;最后，通過計算出發射器和接收器的時間［14］差值t，和超聲波的傳播速度c，可以求解出測試點與被測障礙物間的距離:

超聲波的傳播速度c和溫度密切相關，因在大氣中傳播時，c隨周圍環境溫度升高而加快，當溫度變化顯著時［15］，需進行溫度補償，近似公式為:

式中，331.4 m/s表示零度狀態下超聲波的傳播速度大小;T表示周圍環境的實際溫度(°C)。

1.2 設計思路

超聲波測距儀的系統結構如圖1所示，從圖可以看出，本系統包含5個模塊，即單片機AT89C51模塊，液晶顯示模塊LCD1602，HC-SR04超聲模塊，溫度傳感器模塊DS18B20，聲音播報模塊蜂鳴器。其中采用單片機AT89C51作為控制核心，超聲波測距模塊采用HC-SR04超聲模塊，用于測量相鄰物體的距離范圍，經過溫度傳感器進行溫度補償后，距離取值在液晶顯示器上顯示，如果距離值超過指定的距離值時，可以利用蜂鳴器進行報警提示。從而檢測皮帶跑偏，確保生產線的安全。

圖1 超聲波測距儀的系統結構

2 系統硬件設計

2.1 超聲波測距模塊

HC-SR04模塊實物如圖2所示，HC-SR04模塊的工作時序如圖3所示，它的測量精度可以達到0.3 cm，測量范圍一般為2～450 cm。基本工作原理:當單片機至少提供10 μs的高電平給HC-SR04模塊的觸發控制信號輸入引腳TRIG時，HC-SR04會自動發送方波信號8個，且為40 kHz，同時，HC-SR04會自動進行檢測信號的返回情況;當有信號返回時，通過ECHO回響信號輸出引腳端來輸出一個高電平，通過記錄高電平的持續時間的長短，可判斷出超聲波從發射開始到結束返回來的時間，從而通過測試距離公式

計算與相鄰物體的距離大小。式中，c為聲速(c=340 m/s)。為了防止發射信號影響到回響信號，一般測試周期時間持續60 ms以上。

圖2 HC-SR04模塊實物

圖3 HC-SR04模塊的時序

2.2 溫度補償模塊

因為溫度對超聲波的傳播速度影響較大，所以在實際應用中，需設計溫度補償電路來提高距離的測量精度。本系統采用DS18B20溫度傳感器測試環境溫度，并修正超聲波的傳播速度，減少測量誤差。基于DS18B20的溫度補償電路是將DQ端口連接到單片機的某個I/O端口，具有電路結構簡單易行和精度高等優勢，所測試的溫度范圍為－55～125°C，而當周圍環境的溫度在－10 ～85 °C 時，測量的精度可以達到0.5 °C［16］。

2.3 超聲波測距儀系統電路原理

本文設計的超聲波測距儀系統的電路原理如圖4所示，當ECHO回響信號輸出引腳端為高電平時，啟動單片機的定時器，并進行定時操作;如果ECHO回響信號輸出引腳端為低電平，則停止單片機的定時操作。通過式(3)可以計算出S，并通過LCD1602模塊顯示出距離值，同時，單片機進行比較計算的距離值和限定的警戒距離值大小，當計算出的物體距離值小于限定的距離值時，單片機會驅動蜂鳴器報警提示。

圖4 超聲波測距儀系統電路原理

3 系統軟件設計

3.1 主程序

超聲波測距儀的主程序流程如圖5所示，可以看出，測距儀系統上電啟動后，首先進行初始化操作，初始化LCD1602模塊、DS18B20模塊和HC-SR04模塊;然后通過溫度傳感器DS18B20進行溫度測量，通過超聲測距模塊HC-SR04進行距離測量;最后所測得的距離值顯示在液晶顯示器上。當測量出的物體距離值小于限定的距離值時，單片機會驅動蜂鳴器進行報警提示。

3.2 HC-SR04測距儀的流程

HC-SR04測距儀的測距流程如圖6所示。在本系統中，HC-SR04模塊接收到測試的回波信號后，其回響信號輸出端口Echo輸出一個高電平信號，并啟動開始進行測試距離的操作，單片機AT89C51檢測到Echo端口的高電平后，開始進行啟動計算器的操作，并進行計數，如果Echo端口變為低電平時，單片機就停止計數。

3.3 測量距離代碼

依據超聲波測距的原理，在Keil μVision4軟件中通過C語言編寫代碼，其中測量距離和顯示距離的代碼如下:

圖5 超聲波測距儀系統的主程序流程

圖6 HC-SR04測距儀的測距流程

4 仿真測試與結果

當在Keil環境中編寫代碼并調試通過后，點擊Project菜單，打開 Options for Taget子菜單，并選擇Output標簽，勾選“Create HEX File”選項，重新進行編譯成功后，生成“CSBCJ.hex”的十六進制文件。同時，在ISIS 7 Professional軟件中，雙擊AT89C51單片機，加載CSBCJ.hex，進行聯合調試通過后，即可呈現出仿真結果。

假設煤礦井下生產環境當時的溫度是73°C，則溫度傳感器DS18B20顯示73°C，仿真效果如圖7和8所示，當HC-SR04超聲模塊探測到與被測障礙物的距離Distance＜0.01 cm時，可以聽到蜂鳴器刺耳的叫聲。從而提醒皮帶跑偏，需引起注意確保井下環境的生產安全。

圖7 溫度傳感器的值

圖8 仿真結果

5 結語

本文以單片機 AT89C51為核心，在 Proteus 7 Professional中設計皮帶測距系統電路圖，并與Keil μVision4聯合調試，成功檢測煤礦井下的皮帶跑偏現象。在Proteus仿真軟件中，模擬皮帶檢測系統測試通過的電路圖，能夠直接移植到電路板上，進行焊接電路搭建，不僅提高了生產效率，而且避免了在真實電路板上的反復測試驗證，節約了人力物力財力。所設計的皮帶檢測系統結構簡單，便于實際生產中的操控，提升了煤礦的自動化生產效率。同時，準確地檢測了皮帶跑偏現象，確保了煤礦井下環境的安全生產。該系統成本低、設計簡單靈活，除了應用于煤礦井下惡劣環境中外，還可推廣到機器人避障、液位深度和倒車雷達等領域的測距。由此可見，本設計具有一定的推廣和參考價值。