時間：2022-12-25 07:05:52
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇超聲波傳感器，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
【關鍵詞】超聲波 傳感器 疾病診斷 測距系統 液位測量
一、超聲波傳感器概述
（一）超聲波。
聲波是物體機械振動狀態的傳播形式。超聲波是指振動頻率大于20000Hz以上的聲波，其每秒的振動頻率次數很高，超出了人耳聽覺的上限，人們將這種聽不到的聲波叫做超聲波。超聲波是一種在彈性介質中的機械震蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱向振蕩（縱波）。在工業中應用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現象，并且在傳播過程中有衰退。超聲波在媒質中的反射、折射、衍射、散射等傳播規律，與可聽聲波的規律并沒有本質上的區別。與可聽聲波比較，超聲波具有許多奇異特性：傳播特性——超聲波的衍射本領很差，它在均勻介質中能夠定向直線傳播，超聲波的波長越短，這一特性就越顯著。功率特性——當聲音在空氣中傳播時，推動空氣中的微粒往復振動而對微粒做功。在相同強度下，聲波的頻率越高，它所具有的功率就越大。由于超聲波平率很高，所以超聲波與一般聲波相比，它的功率是非常大的，空化作用-當超聲波在液體中傳播時，由于液體威力的劇烈振動，會在液體內部產生小空洞，這些小空洞迅速膨脹和閉合，會使液體微粒之間發生猛烈的撞擊作用，從而產生幾千到上玩個大氣壓的壓強。微粒間產生幾千到上玩個大氣壓的壓強。微粒間這種劇烈的相互作用，回事液體的文都驟然升高，從而使兩種不相溶的液體（如水和油）發生乳化，并且加速溶質的溶解，加速化學反應。這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應稱為超聲波的空化作用。
超聲波的特點：（1）超聲波在傳播時，方向性強，能易于集中；（2）超聲波能在各種不同媒體中傳播，且可傳播足夠遠的距離；（3）超聲波與傳聲媒質的相互作用適中，易于攜帶有關傳聲媒質狀態的信息（診斷或對傳聲媒質產生效應）。
（二）超聲波傳感器。
超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。以超聲波作為手段，必須產生超聲波和接受超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。
超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發射超聲波，也可以接受超聲波。超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構成晶片的材料可以有許多種。超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（PZT）等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆傳感器，它可以將電能轉換成機械震蕩而產生超聲波，同時它接受到超聲波時，也能轉換成電能，所以它可以分成發送器和接收器。有的超聲波傳感器由發送傳感器（或稱波發送器）、接受傳感器（或稱波接收器）、控制部分與電源組成。發送器傳感器由發送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子的電振動能量轉換成超能量并向空中輻射；而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接受波產生機械振動，將其變換成電能量，作為傳感接收器的輸出，從而對發送的超進行檢測。控制部分主要對發送器發出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調制和計數及探測距離等進行控制。
二、超聲波傳感器的應用
（一）超聲波距離傳感器技術的應用。
超聲波傳感器包括三個部分：超聲換能器，處理單元和輸出級。首先處理單元對超聲換能器加以電壓激勵，其受激后以脈沖形式發出超聲波，接著超聲換能器轉入接受狀態，處理單元對接受到的超聲波脈沖進行分析，判斷收到的信號是不是所發出的超聲波的回聲，如果是，就測量超聲波的行程時間，根據測量的時間換算為行程，除以2，即為反射超聲波的物體距離。把超聲波傳感器安裝在合適的位置，對準被測物變化方向發射超聲波，就可測量物體表面與傳感器的距離。超聲波傳感器有發射器和接收器，但一個超聲波傳感器也可具有發射和接受聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應的原理將電能和超聲波相互轉化，即在發射超聲波的時候，將電能轉換，發射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲波振動轉換成電信號。
（二）超聲波傳感器在醫學上的應用。
超聲波在醫學上的應用主要是診斷疾病，它已經成為了臨床醫學中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優點是：對受檢者無痛苦、無損害、方法簡便、顯像清晰、診斷的準確率高等。
（三）超聲波傳感器在測量液位的應用。
超聲波測量液位的基本原理是：有超聲波探頭發出的超聲脈沖信號，在氣體中傳播，遇到空氣與液體的界面后被反射，接收到回波信號后計算其超聲波往返的傳播時間，即可換算出距離或液位的高度。超聲波測量方法有很多其它法方不可比擬的優點：（1）無任何機械傳動部件，也不接觸被測液體，屬于非接觸式測量，不怕電磁干擾，不怕酸堿等強腐蝕性液體等，因此性能穩定、可靠性高、壽命長；（2）其影應時間短可以方便的實習無滯后的實時測量。
（四）超聲波傳感器在測距系統中的應用。
超聲波測距大致有以下方法：1.取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓（其幅值基本固定）與距離成正比，測量電壓即可測得距離；2.測量輸出脈沖的寬度，即發射超聲波與接收超聲波的時間間隔t，固被測距離為s=1/2vt。如果被測精度要求很高，則應通過溫度補償的方法加以校正。超聲波距離適用于高精度的中長距離測量。
三、小結
文章主要從超聲波與可聽聲波相比所具有的特性出發討論了超聲波傳感器的原理與特點，并由此總結了超聲波傳感器在生產生活各個方面的廣泛應用，但是，超聲波傳感器也有自身的不足，比如發射問題，噪聲問題的等等，因此對超聲波傳感器的更深一步的研究與學習，仍具有很大的價值。
參考文獻：
[1]單片機原理及其接口技術，清華大學出版社.
[2]栗桂鳳，周東輝.基于超聲波傳感器的機器人環境探測系統，2005（04）
關鍵詞：超聲波；傳感器；膠位控制
中圖分類號：TB486 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）01-0026-01
1 引言
在卷煙包裝生產過程中，膠位控制系統一直是困擾生產效率提高的重要環節。目前，煙草企業的包裝設備中主要機型為GD包裝機，該機型膠位檢測傳感器設計為電容傳感器，是開關量輸出模式，機器在生產過程中受環境因素影響有時會出現誤動作，嚴重影響產品質量和機器的生產效率。
2 系統原理
超聲波可在不同介質中以不同的速度傳播的特性，超聲波具有定向性好，能量集中，在傳輸過程中衰減小，反射能力較強等特點。對膠位控制系統的進行新型設計，采用超聲波傳感器元件，超聲波傳感器可廣泛應用于非接觸式檢測，不受光線，被測物顏色等的影響，它不僅能夠定點和連續測膠位，這種特性對膠位檢測不受生產環境因素干擾非常有益。與其他測位技術相比較，它不需要特別防護，安裝維修較方便，而且結構方法都較簡單，經濟效益顯著。膠位控制設計采用超聲波液位測量技術，運用超聲波脈沖回波方法，由發射傳感器發出超聲波脈沖，傳到液面經反射后返回接收傳感器，測出超聲波脈沖從發射到接受所需的時間，根據媒介中的聲速，就能得到從傳感器到液面之間的距離，從而精確測定膠位高度。
3 膠位控制方案
3.1 系統的設計
由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設計比較方便，計算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達到使用要求。另一方面在工作中，超聲波傳感器有著優越的抗干擾性與工作的穩定性，故選擇超聲波傳感器代替原設備的電容傳感器進行測量物體間的距離。
在數據處理方面，本文設計采用PLC作為控制器（如圖1示，系統軟件設計的總框圖），針對超聲波傳感器的測量結果進行處理，用觸摸屏進行顯示和設定。超聲波傳感器的輸出信號是0―10V，接入PLC的模擬量輸入模塊中經處理轉換為液面高度顯示在人機界面上。
3.2 系統的控制
系統的控制主要完成顯示液面高度、設定報警區間和注膠時間功能控制模式（如圖2示，系統控制模式）。區間設定是根據實際情況設定，保證涂膠量符合生產工藝要求，通過液面高度和注膠高度的比較來判斷是否注膠，液面高度情況還能反映元器件是否損壞。超聲波傳感器的測量結果可以實現供膠的閉環控制，隨機器速度的變化控制增加與減少供膠量，膠位液面可以設定高低位報警功能，能夠實現以數字的形式顯示測量距離。
3.3 元件的x擇
系統設計采用UNDK系列超聲波傳感器，這類型傳感器檢測范圍為30―250mm，分辨率小于0.3mm，聲波頻率為300KHZ，響應時間小于50ms。其參數基本特點符合設計要求，能夠達到控制的精度和要求。
4 結語
包裝機新型膠位控制系統設計利用超聲波的技術原理，采用超聲波傳感器元件，系統控制功能精確，可以有效提高包裝機的膠位控制精度，有效減少機器膠位控制系統的故障，有利于提高機器生產效率，是具有推廣價值的實用新技術。
關鍵詞：智能型超聲波傳感器；液位傳感器；控制單元；以太網數據
中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1009－2374(2009)12－0032－02
一、智能型超聲波傳感器簡介
隨著科學技術的發展，超聲波技術比較成熟，已廣泛應用于眾多領域的無損檢測和無損探傷。超聲波液位傳感器為非接觸式測量儀器，已用于石油化工、水利水電、農田灌溉、環境檢測以及自來水廠、污水處理廠等眾多部門的液位、水位的測量。
日前，在石油化工及建筑等域內常用的液位傳感器有：旋轉編碼式傳感器(機械式)、磁浮子接點式傳感器、壓電式傳感器、非接觸式傳感器，其分辨率從毫米級到厘米級，測量范圍從幾十厘米到幾十米。除了磁浮子接點式傳感器外，其余傳感器均比較適合測量范圍較寬的應用場合。一般壓力式和超聲波傳感器均帶有變送器，將液位信號轉變成標準的電流信號(4～20mA)。旋轉編碼式傳感器分為機械式和光電式兩種，這類傳感器輸出通常為并行二進制碼、串行二進制碼或脈沖信號。除智能型一體化傳感器(壓力式或超聲波)外，一般沒有就地顯示和數字通信功能。在這些傳感器中，超聲波液位傳感器是一種非接觸式的測量儀器，在測量過程中無任何部件觸及被測物質，所以無論液面是流動、波動或是有漂浮物以及有化學反應等都有應用，且與被測介質的壓力、溫度、密度、腐蝕性無關，適應范圍廣，可用于工業原料液位、河面水位等的測量。相比較各種測量方法，超聲波測量方法有很多其它方法無可比擬的優點，該液位計成本低，性能穩定，測量精度高，換能器壽命長，使用方便，是非接觸測量的理想儀器。
其特點如下：
1 測量精度高。
2 響應時間短可以方便的實現無滯后的實時測量。
3 非接觸測量，性能穩定可靠，對液體的物理化學性質的適應性極強，不怕酸堿等強腐蝕性液體等。
智能型超聲波液位傳感器是在超聲波液位傳感器的基礎上，使用微處理器作為控制核心而研制開發的，具有傳統超聲波傳感器所不具有的特點：
1 測量精度高。測量精度取決于智能傳感器控制芯片的計數頻率，通過修改計數頻率可以修改測量的精度，另外，傳感器的測量精度與溫度有直接的關系，該智能型超聲波傳感器可進行溫度補償，提高了測量的精度。
2 具有診斷功能。可以設定超聲波在1秒鐘接收有效回收次數，若未收到該次數的有效回波，認為接收或發送系統異常，給出異常信息。
3 具有計算、補償功能。采用一定的算法，將各次測量的結果排序，取中間的一些數值，求其平均值，并將溫度值進行補償計算。
4 具有強大的通訊功能。液位信息為數字量，將數字量轉變成4～20mA模擬量輸出，模擬電流量有利于傳輸，抗干擾能力強；將液位信息通過異步串行通訊傳給上位機；以太網數據傳輸，實現遠距離傳輸液位信息。
綜上所述，智能型超聲波傳感器是將單片機、嵌入式系統引入儀表，開發出的智能型傳感器，它突破了傳統傳感器的單一功能，具有自動測量、高精度、功能擴展容易、與外部通訊強大的功能，完全能適應工業控制體系的網絡化、集成化、智能化發展的要求。
二、智能型超聲波傳感器的主要結構
(一)硬件構成
智能型超聲波傳感器主要由液位信息采集電路、控制單元、鍵盤輸入接口電路、LCD顯示接口電路及與外部通訊接口電路五部分構成。其結構原理如圖1所示：
1 液位信息采集電路包括超聲波發射和接收電路、溫度傳感器。其中溫度傳感器嵌入在微處理器內。
超聲波發射電路主要由微分電路和驅動電路組成。CPU發出的脈沖信號經微分電路變成標準的脈沖信號，然后通過可控硅去控制600V的高壓，形成高壓脈沖。高壓脈沖驅動超聲波探頭，探頭把電能轉換成機械能，產生超聲波。超聲波脈沖信號接收電路包括接收信號的限幅、放大、比較、單穩態觸發等環節，形成一個窄脈沖信號。超聲波傳播速度受溫度的影響，精確的測量需要溫度補償。在MSP430內嵌入溫度傳感器，利用內部熱敏二極管測量溫度。MSP430溫度傳感器所測電壓v和實際溫度T的關系：
V=0.00355×T+0.986
MSP430的ADC12內核是一個12位的模數轉換器，能將結果存放在存儲器中。該內核使用兩個可編程的參考電壓(VR+和vR-)定義轉換的最大值和最小值。輸入模擬電壓的轉換結果NADC滿足公式：
NADC=4096×(Vin-VR-)／(VR+-VR-)
MSP430具有ADC12內嵌溫度傳感器，若設置ADC12的內部參考電壓為2.5V，輸入模擬電壓的轉換結果NADC滿足公式：
NADC=4096×T／2.5
2 控制單元：MSP430系列單片機是美國德州儀器(TI)1996年推向市場的超低功耗的混合信號處理器。該系列單片機具有16位CPU通過總線連接到存儲器和模塊，直接嵌入仿真處理，具有JTAG接口，能夠降低功耗，降低噪聲對存儲器存取的影響。MSP430系列單片機包含以下主要功能部件：
(1)CPU：MSP430系列單片機的CPU和通用微處理器基本相同，只是在設計上采用了面向控制的結構和指令系統。MSP430的內核CPU結構是按照精簡指令集和高透明的宗旨設計的，使用的指令有硬件執行的內核指令和基于現有硬件結構的仿真指令。這樣可以提高指令執行速度和效率，增強了MSP430的實時處理能力。
(2)存儲器：存儲程序、數據以及模塊的運行控制信息，有程序存儲器和數據存儲器。對程序存儲器訪問是以字形式，而對數據可以用字和字節方式訪問。其中MSP430系列單片機的程序存儲器有ROM、OTP、EPROM和FLASH型。
(3)模塊：經MAB、MDB、中斷服務及請求線與CPU相連。
3 鍵盤輸入接口電路和LCD顯示接口電路構成人機交互接口電路，智能型傳感器通常都有液晶顯示和手動操作按鈕，LCD顯示器顯示液位數據信息，按鍵輸入用來選擇工作模式。
4 與外部通訊接口電路主要包括三種通訊方式，即4～20mA電流環接口、異步串行通訊接口、以太網數據傳輸接口電路。
(1)4～20mA電流環：在要求智能傳感器具有高精度的電流變送要求時，低功率、高精度的元器件的選用是研制智能傳 感器不可缺少的一部分，一般情況下選用高性能數模轉換器AD421。利用AD421將液位信息轉變成4～20mA的模擬量。
(2)RS－232串行通訊：串行通信只需較少的端口就可以實現單片機和Pc機的通信。串行通信由兩種方式：異步模式和同步模式。MSP430F44X系列都有USAHT模塊來實現串行通信，使用MSP430F449的USART0模塊通過RS-232串口來接收或發射數據。
(3)以太網數據傳輸：嵌入式以太網可以通過Ethemet將信息傳輸距離無限擴展，而基于底層的以太網協議是由以太網控制器來實現的。
(二)軟件構成
智能型超聲波液位傳感器程序由三部分構成：采集液位信息程序，發射與接收超聲波，測量當前溫度，計算液位值；人機交互程序，包括按鍵處理程序和液晶顯示程序；與外部通訊程序，包括異步串行通訊程序、4～20mA兩線制電流變送程序和以太網數據傳輸程序。該軟件系統設置了三種工作模式，由按鍵選擇并引發中斷，進入不同的工作模式，完成相應的功能。本系統設置3種工作模式：若按鍵normal按下，進入normal工作模式；若按鍵web按下，進入web工作模式；若按鍵AD eoDvert按下，進入AD eonvert模式。軟件流程框圖如下：
1 normal工作模式。采集液位信息，將液位值由液晶顯示，采用異步串行通訊方式向上位機傳送數據。
2 web工作模式。采集液位信息，將液位值由液晶顯示，以太網傳輸數據。
3 ADconvert模式。采集液位信息，將液位值液晶顯示，4～20mA電流環向上位傳送信息。
主程序不是無休止的循環，通常處于休眠狀態。由按鍵觸發中斷，進入中斷處理程序，中斷處理完畢后再次進入休眠狀態。
三、結論
關鍵詞：智能輪椅；傳感器；系統；定位
中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9599 (2011) 22-0000-01
Hardware System Design Based on Multi-Sensor Intelligent Wheelchair
Hao Minchai
(Shijiazhuang Vocational College,Shijiazhuang 050081,China)
Abstract:High-performance low-cost intelligent wheelchair can greatly improve today's elderly and disabled users of the quality of life,safe and convenient to use people to their destination,during operation,the smart wheelchair can accept user issued the directive,according to the designated routes,so the design of intelligent wheelchair in the perception of the environment is an integral part of this paper,the context-aware intelligent wheelchair part of the multi-sensor system architecture,component design analysis and interpretation.
Keywords:Intelligent wheelchair;Sensor;System;Positioning
一、傳感器系統總體結構設計
能夠實現智能輪椅的總功能主要有：定位系統，環境感知系統、控制系統、驅動系統和人機交互界面等功能。因此該系統的硬件結構如圖1所示。其中傳感器模塊主要有內部狀態感知和外部環境感知兩部分構成，對于姿態傳感器主要用來調整輪椅自身的位姿信息；編碼器傳感器是位移速度和距離獲得自定位的信息采集源；視覺、超聲波和接近開關主要負責持續獲得周圍環境和輪椅位于障礙物的距離等的信息。驅動控制模塊我們采用電機控制后輪驅動的方式，在控制器的操作去控制電動輪椅的前進、后退和轉向。
圖1：智能輪椅硬件系統結構圖
二、多傳感器數據采集與處理
該智能輪椅有2個相對獨立的驅動輪并各自配有電機碼盤。電機碼盤實時進行數據檢測構成了里程計式相對定位傳感器，并安裝有傾角傳感器和陀螺儀傳感器來測量輪椅在運動過程的姿態。超聲波傳感器和接近開關用于感知周圍環境信息。為能夠實現遠距離的障礙物信息，還配備了超聲波傳感器。還配備了CCD圖像傳感器用于判斷前方行進路程中的深度信息。
三、姿態傳感器
該智能輪椅設計采用了一個傾角傳感器和一個陀螺儀的組合來構成姿態傳感器檢測車體平臺的運行姿態。傾角傳感器用來測量輪椅偏離豎直方向的角度，陀螺儀用來測量角速度。
以TMS320LF2407A為控制核心的運動控制器，根據編碼器和姿態傳感器檢測到的平臺運行的位移和姿態信號，通過一定的控制策略計算出控制量，再經脈寬調制控制及驅動器放大后驅動直流電動機運轉，隨時調整車體平臺的運行速度，從而使車體平臺始終保持平衡狀態。控制電路原理圖如圖2所示。控制板采集來自傾角和角速度傳感器的信號并對信號進行調理（濾波、整形、偏移），然后將信號傳送到控制板中，經過DSP的運算處理（控制算法由電動車系統的數學模型推導而出），通過DSP的兩路脈寬調制將控制信號發出，再經過電機驅動模塊驅動電機運轉，控制輪椅保持平衡狀態。
圖2：控制電路原理圖
四、多路超聲波測距模塊
本智能輪椅自主避障系統采用超聲波傳感器測量障礙物的距離，工作時，由單片機通過三路信號線選通多路模擬開關，由多路模擬開關負責每一路超聲波傳感器的通斷。每一路超聲波傳感器工作時，都由單片機的I/O口發射出頻率為40kHz，幅值為5V的矩形脈沖信號，經過信號放大電路，變成穩定的12V矩形脈沖信號，由超聲波發射換能器發射出超聲波。超聲波遇到障礙物返回，由超聲波接收換能器接收，經過信號濾波放大集成電路，觸發單片機中斷。由單片機計算渡越時間，從而計算出障礙物的距離。
五、編碼器
編碼器是將信號或數據進行編制、轉換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設備。編碼器把角位移或直線位移轉換成電信號，前者稱為碼盤，后者稱為碼尺．接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸導電區或絕緣區來表示代碼的狀態是“1”還是“0”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時以透光區和不透光區來表示代碼的狀態是“1”還是“0”，通過“1”和“0”的二進制編碼來將采集來的物理信號轉換為機器碼可讀取的電信號用以通訊、傳輸和儲存。
產生的時鐘頻率是每個輸入序列的4倍，且把這個時鐘作為通用定時器2的輸入時鐘。圖4給出了正交編碼脈沖、增減計數方向及時鐘的波形。
圖4：編碼器輸出脈沖圖
六、結論
關鍵詞：超聲波傳感器；多諧振蕩發生器；PLC；軟計數器
中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A
一、前言
路通信號燈通常采用固定時間控制信號燈的變化，但是路通情況是受到工作日、假日、天氣、人為等多種因素共同制約的。用一成不變的時間控制，顯得缺乏靈活性和造成一定的浪費。考慮到以上諸多因素，本設計采用超聲波傳感器對通行車輛進行實時數量檢測，并將監測數據傳送給可編程序控制器PLC進行數據計數處理和信號控制。針對靈活多變交通情況進行信號燈的控制，能夠即時有效地緩解交通壓力。
二、工作原理
利用超聲波的反射特性，可以通過超聲波探頭對被測物體進行計數，圖1中為基于PLC的超聲波檢測信號燈控制電路。電路中LM1812為超聲波專用集成電路，其內部包括脈沖調制C類振蕩器、高增益接收器、脈沖調制檢測器和噪聲抑制電路。其元件鏈接及其功能為：1腳連接LC設定發射與接受振蕩頻率；2腳耦合電容為內電路第二增益輸入端；3腳輸出電阻為第一增益級輸出端；4腳輸入耦合電容為第一增益級輸入端；5腳接地；6腳發射器輸出；8腳開關脈沖限流；9腳接收器開啟延遲；10腳接地；11腳限制監測器輸出占空比；12腳接電源；13腳電源退耦；14腳檢出器輸出端；15腳接地；17腳噪聲控制；18腳控制內部計分器復位時間常數。
LM1812的8腳為發送/接受控制端，高電平發射，低電平接收。由于接收器的增益很高，超聲波傳感器的引線必須用屏蔽電纜連接，并且1腳和4腳上的元件要遠離，避免產生自激振蕩。NE555構成多諧振蕩器，為8腳提供振蕩頻率，控制其發送和接收，三極管進行驅動放大信號。
LM1812的14腳輸出計數脈沖。接收到信號，14腳為低電平；接收不到信號，14腳為高電平。以紅綠兩個信號燈為例，PLC的數字輸入端I0.0控制開啟，I0.1控制斷開。當有車通過，即可以接收信號，14腳為低電平，I0.O接通閉合，輸出線圈M1通，綠燈亮；PLC根據內部程序的軟計數器開始計數，可以任意設定計數值，當計數到，計數器線圈閉合線圈M2通，紅燈亮，通過紅燈互鎖開關使綠燈滅。當車輛未達到計數值就已沒有車輛再通過，如果繼續等待直到湊夠車輛數量，即為時間浪費，所以本設計同時采用另一開關I0.1控制紅燈開啟從而通過其互鎖關閉綠燈。當接收不到信號時，14腳為高電平，I0.1接通閉合，輸出線圈M2通，紅燈亮，通過其互鎖關閉綠燈。
三、核心器件介紹
1 超聲波傳感器：利用晶體的壓電效應和電致伸縮效應，將機械能（超聲波發射）與電能（超聲波接收）相互轉換，并利用波的特性實現對各種參量的測量。超聲波是一種在彈性介質中的機械振蕩，超聲波具有的基本特質之一反射和折射現象，當超聲波在兩種不同介質中通過時，會產生反射和折射。利用其各種特性，可做成超聲波傳感器，配上不同電路，制成各種超聲波儀器裝置，應用于工業生產等領域。
2 本設計采用可編程邏輯控制器（PLC），西門子S7-200系列產品中的CPU226型。它屬于整體式緊湊型系列產品，其特點是結構緊湊，將電源、CPU輸入輸出端子、拓展單元插座等一起裝在機殼里，體積小、重量輕、便于安裝在機器設備上實現機電一體化。CPU226型共有24個輸入點（I0.0～I0.7、I1.0～I1.7、I2.0～I2.7）。其輸入電路采用雙向光耦合器，24V直流極性可以任意選擇。系統設置1M為輸入端子（I0.0～I1.4）的公共端，2M為輸入端子（I1.5～I2.7）的公共端。
結語
本設計以控制一個交通燈的兩個信號燈（紅、綠）為例，介紹了基于PLC硬件連接的軟件配套控制方法。PLC輸出部分未連接，根據現場不同的控制要求，可以編寫軟件程序，并依照程序要求去拓展輸入部分和連接輸出部分外電路。本設計的中心思想，就是為了對復雜多變的交通路口情況進行實時監控，改善不合理的等待，避免造成時間資源浪費。全面考慮諸多特殊因素并通過硬件的連接和軟件配套設置進行了有效的應對措施。
參考文獻
[1]劉偉.傳感器原理及實用技術[M].北京：電子工業出版社，2009.
[2]孔凡才.周良權.電子技術綜合應用創新實訓教程[M].北京：高等教育出版社，2008.
關鍵詞： 超聲波；ATmega16；μC/OS；測距
0 前言
隨著科學技術的快速發展，超聲波將在測距中的應用越來越廣，超聲波測距系統作為一種新型的實用的工具在各方面都將有很大的發展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發展，以滿足日益發展的社會需求。
超聲波具有指向性強，能量消耗緩慢，傳播距離較遠等優點，因此被廣泛應用于距離的測試中。使用超聲波檢測往往更快速，方便，計算簡單，易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業使用的要求，測量時與被測物體無需直接接觸等優點使其具有廣泛的實際應用價值。
目前國內一般是用專用集成電路設計超聲波測距儀，但是成本高，沒有顯示，操作使用不方便，拓展不靈活。基于以上缺點設計了基于ATmega16的超聲波測距系統，可廣泛應用于生活、生產等各個領域。
ATmega16是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，ATmega16的數據吞吐率高達1MIPS/MHz，從而可以減緩系統在功耗和處理速度之間的矛盾。
ATmega16 AVR內核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與運算邏單元（ALU）相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結構大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數據吞吐率。
1 超聲波測距原理
超聲波是一種頻率在20KHz以上的機械波，在空氣中的傳播速度約為340m/s（20℃時）。超聲波可由超聲波傳感器產生，常用的超聲波傳感器兩大類：一類是采用電氣方式產生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波，目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器。由于超聲波具有易于定向發射，方向性好，強度好控制，對色彩、光照度不敏感，反射率高等特點，因此被廣泛應用于無損探傷，距離測量、距離開關、汽車倒車防撞、智能機器人等領域。
超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器接收到反射波就立即停止計時。
式中：c—超聲波波速：t—從發射出超聲波到接收到回波所用的時間。
由于超聲波屬于聲波范圍，其波速c與溫度有關，經過測量得出超聲波與溫度的關系，如表1所示。
2 系統設計
本系統采用ATmega16為主控制器，超聲波發射和接收電路中都對相應信號進行放大和整形，以保證測量結果盡可能精確。用動態掃描法實現LED數字顯示，另外設計溫度測量電路測量當時的空氣溫度，單片機以測量的溫度對超聲波的傳播速度進行調整，使測量精度能夠達到要。系統整體結構包括超聲波發射電路，超聲波接收電路，單片機電路，顯示電路和溫度補償電路等幾部分模塊組成。
UCOS_Ⅱ是一個源代碼公開的實時操作系統，它是用ANSIC寫成的，所以可移植性非常強。在系統開發中，由于把實時操作系統UCOS_Ⅱ移植到了ATmega16單片機上。
超聲波測距儀系統框圖如圖2所示。
利用單片機定時器由PD5端口發送40KHz的方波信號，用9012三極管作為驅動放大使得超聲波發生器產生超聲波。
超聲波接收電路主要有CX20106A和一些常用元件構成，CX20106A是一款應用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯片，其具有功能強、性能優越、接口簡單、成本低等優點。CX20106A內部有前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構成，對接收探頭收到的信號進行放大、濾波等處理，其總放大增益80db。實驗證明用CX20106A接收超聲波（無信號時輸出高電平），具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。本系統中選擇溫度芯片DS18B20作為溫度傳感器。DS18B20測量溫度范圍為—55～125℃，精度為±0.5℃。
3 軟件設計
近十年來嵌入式操作系統（RTOS）得到了飛速發展，各種流行的微處理器（MCU）8位、16位和32位均可以很容易的得到多種嵌入式實時系統（專業化公司有美國WinCE，WindRiver等，自由軟件有μC/OS—II及uClinux等等）的支持。8位、16位MCU以面向硬實時控制為主，32位以面向手機和信息處理和多媒體處理為主，在這些方面Linux正逐漸成為嵌入式操作系統的主流。嵌入式實時操作系統不僅具有微型化、高實時性等基本特征，而且還將向高可靠性、自適應性、支持多CPU核、構件組件化的方向發展。客觀世界對嵌入式智能化、裝置輕、低功耗、高可靠性的永無止境的要求，使得近千種嵌入式微處理體系結構和幾十種實時多任務操作系統并存于世。嵌入式技術也將與時俱進，不斷創新。 而像μC/OS—II這樣的優秀的自由免費的嵌入式操作系統，為了最大限度的滿足可移植性的要求，絕大部分代碼用C語言寫成，只有一少部分用到匯編語言。但對于嵌入式系統這樣的專用性很強的系統來說，必須針對嵌入式系統內核本身裁剪，改寫μC/OS—II的部分代碼，以實現μC/OS—II在不同MCU平臺上的移植。
使用ATmega16單片機進行檢測數據處理，對定時器1進行初始值設定，然后利用OCR寄存器進行輸出比較匹配，最后對輸入捕捉寄存器進行設置，利用輸入捕捉功能計數并最終計算的出距離，其測距功能初始化程序如下：
4 總結
基于ATmega16和μC/OS—II的超聲波測距系統利用LCD顯示，電路簡單，人機顯示友好，通訊能力強，可擴展性好，具有良好的實際應用價值。該系統可運用于機器人智能行走和導航，在航天電子行業也有一定的應用領域，可配合其他模塊實現多功能測量，同時在顯示輸入上可擴展觸摸屏功能。
參考文獻：
[1]王祖麟、余強、謝毓，基于μC/OS—Ⅱ的高精度超聲波測距系統設計[J].電子設計工程，2009，07.
摘要本文設計了一個以單片機為主控制器、蜂鳴器作為報警模塊、溫度傳感器為測距補償模塊的超聲波測距系統。單片機通過對超聲波發出和返回的時間，并考量溫度對超聲波速度的影響，計算并顯示障礙物距系統的距離，當小于預設安全閾值時發出近距離報警提示。
關鍵詞單片機；超聲波測距；溫度補償；報警
超聲波測距應用廣泛，如用于車輛中，可以一定程度的避免新手對車距把握不準確的問題，和倒車中減少車輛的刮擦事故，倒車過程中存在視覺盲區導致駕駛員無法觀察到盲區的路面狀況，且與車輛后方障礙物的距離無法準確判斷，僅依照經驗判斷距離不能避免事故的發生。基于此，鑒于超聲波指向性好，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常被用于距離的測量。超聲波是一種頻率在20KHz以上的聲波，作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸的基本物理特性：反射、折射、干涉、衍射和散射，與物理聯系緊密，應用靈活。利用超聲波測距往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制。司機在需要時可啟動該裝置，單片機控制分散在車后的超聲波發射器發射超聲波，當遇到障礙物后會產生反射回的超聲波，被超聲波探測器吸收，通過單片機計算后，在數碼管上顯示出車與障礙物的距離，當距離小于安全距離時，控制蜂鳴器發出報警，從而減少刮擦、碰撞事故的發生。
由于激光測距方式適應惡劣天氣的能力較差且容易受到雨、雪、霧等環境因素的影響，而本設計中的裝置要求能適應通常天氣狀況，同時為了實用，盡可能降低成本，因此選擇超聲波測距方式。單片機控制超聲波發射器發射出超聲波，同時計時器啟動計時，超聲波在空氣中傳播，當遇到障礙物發生反射，反射回波被超聲波接收器接收到時，令計時器停止計時，所計時間為t，己知超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，由式：s=340xt/2，可測得系統與障礙物距離，單位為m。超聲波因其在不同溫度下傳播速度有差別，考慮溫度變化對超聲波傳播速度產生的的影響（表1），需要在測距時對超聲波傳播速度進行修正，從而減小溫度對測量帶來的誤差。超聲波在空氣中傳播速度與溫度的關系式：V=331.4+0.607T，其中，為溫度，單位為℃，V為超聲波在空氣中的傳播速度，單位為m/s。
為提高系統在測量時的精度，采用單總線數字溫度傳感器DS18820，根據溫度值范圍選取表1中合適的聲速值進行測距計算，但由于溫度參量是模擬變化的，并且溫度值常常有非整數的情況，因此，求超聲波的傳播速度還是需要進行溫度補償計算，才能得到一個相對精確的距離值。修正后的測量距離：s=（331.4+0.607T）xt/2，單位為m。由于DS18820具有體積小、使用方便、精度高等特點，將它作為修正聲速的溫度補償傳感器。超聲波測距模塊采用HC-SR04超聲波模塊，該模塊可提供2cm～400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達3mm，對于一般的車輛倒車與交通擁堵時車距的測量，此精度是滿足需求的。單片機為Trig引腳提供10μs以上的脈沖觸發信號，超聲波傳感器內部將發出8個40KHz周期電平，同時自動檢測回波，一旦檢測到有回波信號則輸出Echo信號，Echo信號脈沖寬度與所測距離成正比。利用單片機定時器計得發射信號到回波信號的時間，可計算出距離s值。為了防止超聲波傳感器自身的發射信號和回響信號互相影響，測量周期至少60ms以上。測距時，被測物體面積不少于0.5O且平面盡量要求平整，這樣測量結果將更精確，這是由于傳感器外形上發射信號端和接收回響信號端距離較近，且測量夾角為15°，這樣對于被測物體面積將有要求，若面積過小，則測量的靈敏度將下降，即需要縮短與被測物間的距離，并且被測物表面若不是平面，比如轉彎處或有一定圓度/角度處，則會影響接收器的接收，可安放多個超聲波傳感器于特定位置，通過算法取其最優值，提高測量準確度。排除冬季車庫的室內外溫度差對聲速的影響，一般情況下在溫度起伏不大的情況，可以考慮略過重復讀溫度值的這一流程，系統可以在此進行進一步的改進，以提高系統測距反應時間。
“老師，機器人還可以做什么呢？” “嗯，大家平時在朋友圈里最喜歡做什么呢？對了，是點贊！今天就來做一個會點贊的機器人吧！”我們在上期做的機器人小車上添加一雙“眼睛”、一只會動的“手臂”和一張會說話的“嘴巴”。當你接近這個機器人時，它就會說“你好棒”，同時給你豎起一只“手臂”――為你點贊！
所需要的材料如圖1所示：超聲波傳感器和安裝固定支架、ISD1820錄放音模塊、輝盛SG90舵機、兩段PVC線槽。PVC線槽用來制作機器人的手臂，舵機的作用是讓機器人手臂能夠轉動。舵機，英文叫Servo，它是由直流電機、減速齒輪組、傳感器和控制電路組成的一套自動控制系統。舵機和直流電機不同，舵機不能一圈圈轉動，只能在一定角度內轉動。它有一個最大轉動角度，有的是180度，有的是360度。
在一段PVC線槽的一側開一個口，把舵機固定到線槽上，再把舵機的搖臂安裝固定到另一段PVC線槽上，把兩段線槽連接起來，就形成了一只簡單的機器人手臂（如圖2）。把機器人的手臂和小車連接并固定好，再把超聲波傳感器安裝固定到小車的前方，最后把錄放音模塊安裝到小車合適的位置處，點贊機器人就做好了。
各個模塊與Arduino板的連線如圖3所示，可分為兩個部分：電源線和信號控制線。Arduino板只有一個5V電源接口，這個接口電源供超聲波傳感器使用。另外再從電池盒引出兩組電源供舵機和錄放音模塊使用，引出的電源可以是3節電池或4節電池，對應的電壓為4.5V或6V。要注意的是，舵機的引線有3根，默認紅色和棕色是電源線，分別接電源的正、負極，另外一根黃色是信號線，接Arduino板的數字口12。ISD1820錄放音模塊的PL- E接11腳，超聲波傳感器的TRIG、ECHO分別接數字口2、3。
現在編一個程序讓機器人的手臂動起來，如圖4所示。舵機轉動指令Servo在ArduBlock的GENERIC Hardware模塊里。注意，該指令默認提供的引腳數據不能用，上傳時會顯示出錯，需刪掉并換成用“變量/常量”模塊中的數字常量來替換。程序中舵機的轉動角度為60度和180度，調整機器人手臂的起始位置，使得機器人手臂可以在水平和垂直方向上來回轉動，實現點贊的功能。
ISD1820錄放音模塊是一個簡易的錄音、放音模塊，它可以錄制大約10秒鐘的聲音。打開電源，按住REC按鈕，對著模塊的MIC話筒說“你好棒”，聲音就被錄了下來，按PLAY- E鍵可試聽錄制的聲音。錄放音模塊上的P- E是一個觸發控制端，給該引腳發送高電平，可播放錄制的聲音，發送完后要把該引腳轉為低電平。
最后，完整的程序如圖5所示。程序先設定舵機轉動角度為180度，讓機器人的手臂轉到水平位置處。然后超聲波傳感器每隔100毫秒檢測一次前面障礙物的距離。當人與超聲波傳感器的距離小于10厘米時，條件判斷指令如果/否則的值為真，執行以下動作：13腳輸出高電平，Arduino板上的13腳指示燈亮；12腳輸出高電平，錄放音模塊發出“你好棒”的聲音；舵機控制機器人的手臂轉動豎起為你點贊！（如圖6）
【關鍵詞】超聲波 盲人 避障 眼鏡 導盲 STC89C52
1 設計背景
據第二次全國殘疾人抽樣調查數據推算，中國目前視力殘疾人數約為1233萬人。每年約有45萬人失明，這意味著幾乎每分鐘就會出現一例新的盲人。如果任由這個速度發展而不采取更加積極有效的措施，到2020年，預計盲人數量將達到2000萬人，盲就會成為一個嚴重的公共衛生及社會問題。由于視力低下或缺失，從而造成盲人在生活和工作上更多的困難。本文是基于盲人行走困難而提出的，通過“基于超聲波的盲人避障眼鏡”的應用使盲人徹底丟掉導盲手杖，解放雙手，從而提高了他們的工作和生活效率。
2 設計思路
“基于超聲波的盲人避障眼鏡” 是專供視覺障礙人群使用的一種超聲波探測裝置，將取代盲人手中的導盲手杖，完成行走時對前方道路中障礙的探測和信息的回饋，從而使盲人朋友準確掌握前方道路信息，及時判斷道路中的障礙并提供可靠的躲避方法。
本設計模擬蝙蝠回聲定位的功能，采用眼鏡為載體，將道路檢測和信息回饋部分做在眼鏡上，使用者佩戴眼鏡就可以達到行走過程躲避障礙的目的。眼鏡同時可以作為裝飾供使用者佩戴，在不影響使用的同時照顧了外在的審美。
3 設計方案
本設計是幫助盲人在行走過程中判斷道路中的障礙，并及時向使用者反饋道路信息，以達到及時躲避的目的。作品硬件以STC89C52為微處理器，利用超聲波傳感器模塊進行障礙檢測，同時根據障礙距離的遠近由聲音報警指示模塊進行提示。作品軟件主要分為避障系統的主程序、超聲波發射接收子程序、距離計算子程序和聲光報警指示子程序。開啟運作后，微處理器通過超聲波傳感器模塊動態捕捉采集信息，可測范圍正前方2～3米遠，斜下方30度角度范圍內的障礙物，通過處理器內部模塊計數器/定時器記錄，由軟件部分計算出結果。以聲音報警指示模塊提醒使用者前方的路況來完成導盲的工作。當天色變暗以后通過光敏傳感器控制開啟LED警示燈來提示路人使用者的情況達到及時主動避讓的目的。
使用起來也很方便，只要使用者戴上眼鏡按下電源開關導盲眼鏡啟動運行，就可以安心出門行走了。燈光報警裝置是自動化控制的不需要人為操作。當要休息的時候再按下電源開關導盲眼鏡停止工作取下眼鏡。根據功能模塊系統分為控制模塊、障礙檢測模塊、信息反饋模塊、LED警示模塊、電源管理模塊等。
3.1 控制模塊
本設計采用STC89C52單片機。STC89C52是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統可編程Flash存儲器。使用方便，采用LQFP-44封裝，體積小，便于在眼鏡上使用。
3.2 障礙檢測模塊
根據蝙蝠回聲定位的原理進行障礙檢測部分的設計。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業實用的要求，因此本設計采用多個超聲波傳感器來實現測距的功能，經綜合比較，基于超聲波傳感器捕捉系統模塊的設計中，采用的是超聲波頻率為40KHz的超聲波傳感器。同時由各組超聲波接收裝置進行接收反射回來的信號，從而判斷前方有無障礙。
測距系統中的超聲波傳感器采用的是陶瓷傳感器，它的工作脈沖信號是40kHz。超聲波發射器包括超聲波反射電路與超聲波發射控制電路兩個部分，超聲波的型號為HC-SR04。
模塊當接收到超聲波返回信號時中斷計數器，經過驅動器驅動探頭后可以產生超聲波，超聲波的接收電路采用現成的電路模塊來節約時間和提高效率。目前較為通用的是采用MAX232的集成電路，集成電路可以有效的節省空間，并且實踐證明這種集成電路是目前較為成熟和可靠地設計。
3.3 信息反饋模塊
當前方有障礙時，由障礙檢測模塊檢測到前方障礙后，經控制模塊進行分析計算，得出障礙距離的遠近，并根據距離遠近反饋給信息反饋模塊，使揚聲器根據距離遠近發出不同頻率的報警聲音。
3.4 LED警示模塊
LED警示模塊由8個LED燈跟光敏電路組成。在光線充足的時候燈滅，當光線變暗以后LED亮起，加入LED的應用一是能能夠提醒旁人使用者的情況，從而達到旁人主動避讓使用者的目的，更加提高了安全度。二是LED的低功耗、高亮度、高性能等優點最適合本作品的創新設計的要求。
3.5 電源管理模塊
電源管理模塊是由9V的充電電池降壓穩壓成5V的直流電源。為整個系統提供一個比較穩定的供電來源，是系統能夠順利的運行實現其功能。再由晶振發出信號整個系統開始工作，此時單片機由程序控制對超聲波發射器發出信號，然后由超聲波接收器接收到的信號傳入單片機進行處理并經聲光報警指示模塊。
4 軟件設計
軟件采用模塊化設計，程序由主程序、超聲波測距程序、信息反饋程序等組成，系統軟件流程圖如圖1所示。
超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。（超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發射點距障礙物的距離（s），即：s=340t/2）
在實際使用中，超聲波的聲速會受到溫度的影響，因此常常需要使用溫度補償模塊，通過溫度傳感器測得外界的溫度，再根據溫度求得對應的聲速值。在實際的運算中，要采用溫度補償后的溫度值。超聲波測距流程圖如圖2所示。
5 測試分析及結論
接通電源，然后在實際的道路上進行測試，當使用者前方障礙物接近1.5米以內時及高出地面3厘米的障礙物時，聲光報警模塊開始發聲報警。經過多次反復測試誤差控制在理想的誤差以內。在晚上天色變暗的時候LED燈光報警裝置啟動LED燈。綜上所述，測試結果表明完整的完成了設計的功能。
參考文獻
[1]阮一暉.基于超聲波定位技術的障礙探測系統[D].蘇州大學，2007.
[2]童峰，許水源，許天增.一種高精度超聲波測距處理方法[J].廈門大學學報（自然科學版），1998（04）.
[3]陳美鑾，尹浩，黎飄，董博然.智能盲人導行儀的設計與實現[J].電子技術應用，2006（10）.
[4]林偉，梁家寧，李才安.便攜式多功能超聲波測距儀的設計與實現[J].電子測量技術，2008（01）.
[5]胡盛斌，羅均，龔振邦.用于移動機器人避障的超聲測距系統[J].機電一體化，2003（01）.
[6]Gerard Lacey，Kenneth M，Dawson-Howe.The application of robotics to a mobility aid for the elderly blind. Elsevier Science Robotics and Autonomous Systems，1998.
作者簡介
孫新（1986-），男，山東省滕州市人。大學本科學歷。現為山東圣翰財貿職業學院信息工程學院教師。
【關鍵詞】光電傳感器 電機驅動 電子指南針 超聲波傳感器 智能小車
1 智能小車的硬件設計
1.1 硬件結構
小車的硬件結構運用MSP430F5438作控制器，以控制其無人駕駛系統，同時對小車內部AD所采得的數據予以處理，發出轉彎、直走及超車等指令，以實現特定功能。設計小車的硬件運用RPR220光電傳感器去測試拐彎或超車標志，運用超聲波傳感器去控制小車之間的距離，同時運用GY―26電子指南針對小車予以導航及定位。
1.2 電機驅動
運用L298N芯片做電機的驅動芯片，其中L298N為高電壓、大電流的全橋驅動芯片，每個這種芯片能夠控制2臺直流電機，同時可控制其使能端。用這種芯片做電機驅動，其穩定性非常好，且性能非十分好，同時L298N結合單片機能夠達到對小車速度的準確控制。借助接口發出PWM波，進而控制電機的轉速，達到對速度的控制。
1.3 光電傳感器
5通道灰度值傳感器模塊用RPR220的光電傳感器作為探測器，一共可分成5路、 2行5列。借助對每一傳感器數據進行檢測，能夠完成對十字路線、直線以及丁字路線的檢測與跟蹤。
1.4 超聲波
超聲波的發射以及接收都是獨立式進行，本小車運用超聲波發射器（型號為TCT40―16BT）以及超聲波接收器（型號為TCT40―16BR），其能夠向外發射大約40kHz的脈沖信號，輸出端的電阻既能夠增強反向器（型號為MC14069UB）的驅動性能，還能夠提升超聲器的阻尼作用，減少自由振蕩的時長。
1.5 電子指南針
GY―26為低成本的平面數字羅盤，其輸入的電壓很低，功耗較小并且體積小。它的工作原理為借助磁傳感器內的2垂直軸對地球磁場的感應磁分量，算出方位角度，該羅盤用RS―232及IIC協議和其它設備進行通信，起到重新標定的作用，可在任一位置獲取精確的方位角，其波特率為9600bp秒，其輸出方式分為連續和詢問輸出2種。
2 智能小車的軟件設計
2.1 小車主程序
該小車功能的完成由指令進行控制，這些指令既能夠通過傳感器發出去，還能夠通過下位機面板的按鍵予以控制，其主程序的設計流程見圖1。
2.2 行車線路識別
當小車識別到轉彎標志線之后，會一直沿著行車道向前直行，同時通過指南針對方向進行校正，而使其行駛方向和標志線之間呈直角。2個紅外收發管置于灰度傳感器的2側，主要是用來檢測行車道的邊界，從而避免小車在行駛的時候超過邊界。
2.3 避障超車
灰度傳感器用來測行車道的邊線，小車在行駛的時候通過超聲波傳感器來檢測前方有沒有障礙物，目的是避免兩車相撞，避障超車的流程圖見圖2。2個車在行進1圈以后，在第2圈的時候要實現超車。智能小車利用車頭的紅外傳感器來確定自己所在的位置，在第2圈檢測為黑線數14的時候，說明小車已進入超車區。行進的時候借助超聲波系統以控制2個車的距離，防止二者相撞。
3 系統測試
3.1 功能測試
第1組：A車與B車分別由起點開始，在行車道各自行駛1圈，在檢測到第1個轉彎之后，2個小車能夠順利的轉動90°角。
第2組：A和B二小車按照圖3中所示的二車分別的起跑線同時啟動，B車經過超車標志線以后在超車區內完成超車的操作，并于A車到達終點線之前抵達，行駛所用的時間是12.6秒。
第3組：A和B二車繼續行進第2圈，A車經過超車線以后要完成超車動作，并在B車到達終點以前到達。二車繼續行進第3及第4圈，同時交互領跑。然后再設定A車的起始點，完成二車的交替領跑，行駛的時長一共為50秒。
3.2 測試結果
A車與B車各自從起點開始，在車道各自行駛1圈。當二車從起點同時啟動，B車在超車區完成超車。二車行駛第2圈，之后A車超B車，完成交替領跑。二車繼續行進第3與第4圈，繼續交替領跑，行駛時長一共12秒。然后重設A車的起始點，完成二車4圈交替領跑。小車僅于超車區超車，超車之后可以返回行車道。
4 結論
結果可以看出，無人駕駛智能小車能夠完成兩車在規定區域完成超車、單車繞圈行駛、兩車防撞前后行駛等，同時其性能十分穩定、抗干擾性比較強，未來將在無人駕駛系統中被應用。
參考文獻
[1]梁明亮，孫逸潔.嵌入式智能小車的設計與實現[J].制造業自動化，2012，34（22）：87-89，94.
[2]趙津，朱三超.基于Arduino單片機的智能避障小車設計[J].自動化與儀表，2013，28（05）：1-4.
作者單位
1、超聲波傳感器在探測障礙物時有盲區，此時只能通過觀察才能避免發生駐車事故。
2、超聲波傳感器不可能隨時探測到兒童和動物。
3、駐車距離報警系統可能探測不到諸如牽引鉤、細橫桿、柵欄和細立柱等障礙物，謹防發生事故。
4、車速低于15Km/h時駐車距離報警系統方能正常工作。
5、為保證后保險杠上傳感器的功能，須保持其清潔并避免結冰。用高壓清洗器清洗駐車距離報警系統傳感器時應短時輕柔，噴嘴與傳感器至少保持10cm以上的距離。
6、若您的汽車配備原裝牽引支架，牽引掛車時，掛入倒檔后，報警系統自動停止工作。
7、探頭結冰，積泥，積雪，探頭上覆蓋了水氣，駐車距離報警系統將也當作障礙物。
（來源：文章屋網 ）
關鍵詞：建筑環境；單片機；CCD；圖像采集
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.1.002
引言
本次設計的智能模型車通過溫濕度傳感器和感煙探測器檢測建筑物空間內是否存在火災隱情[1]，報警時工作人員通過CCD傳感器采集到的視頻圖像確認火災是否發生，確認火災情況后，定位智能車位置并手動控制智能車離開事故現場，然后進行卷簾門開啟的命令。智能車靈活方便，而且循環檢測，提高火災檢測的效率性、火災報警的實時性以及火災位置檢測的精確性。
系統總體設計
總體功能設計
本次設計的智能車通過紅外傳感器和超聲波傳感器檢測建筑物內環境的信息，控制器做出合理、快速、準確的決策，使得智能車能夠自主地避障和進行新路徑的選擇，實現智能車在建筑物內自主地對每個房間進行逐一排查，通過溫濕度傳感器對建筑物空間的溫度和濕度進行檢測，然后與預置的參數臨界值進行比較，并與聲光報警裝置配合，同時結合感煙探測器的檢測結果，從而做出報警/繼續檢測的判斷，并將采集到的數據以及CCD傳感器采集的視頻圖像實時傳送給控制中心[2]。
總體方案設計
根據應用環境對智能車的簡單敏捷型的要求，且硬件系統是智能車成敗的關鍵，是智能車能夠安全、穩定運行的基礎，硬件的選擇十分重要[3]。在硬件的初步選型后確定此系統硬件實現的可行方案，確定了以STC12系列單片機為該系統的核心，并選擇低功耗和低成本的功能器件。圖1是該系統的總體結構框圖。
由溫濕度傳感器、感煙探測器和CCD傳感器組成的監測部分主要檢測建筑環境的溫度和濕度，查找建筑環境的火災安全隱情，控制部分主要由驅動電路來控制卷簾門的開/關，當智能車發現采集的數據超過預制的參數臨界值時，啟動報警器，發出聲光報警信號，通過無線傳輸模塊[4]將現場的實時數據發送到物業中心，工作人員通過視頻圖像進行確認，情況屬實時，定位智能車位置，開啟卷簾門，并且智能車手動功能開啟，由工作人員控制離開事故現場，進行火災隔離。由于建筑所在區域以及季節的不同，可以通過鍵盤設置系統的相關參數，并且檢測的各項數據都會通過液晶顯示器顯示。
系統主要功能模塊設計
本設計系統控制核心部分采用了可靠性高、功能強、靈活性以及性價比高的STC12C5A60S2單片機，同時還采用了軟/硬件的“看門狗”技術等抗干擾措施，提高系統的準確性。
監測模塊電路設計
監測模塊是系統功能得以完成的先決力量，主要以傳感器為核心，采集建筑物內空間的信息，完成環境的監測任務。本文主要介紹超聲波傳感器、溫濕度傳感器以及CCD傳感器三種傳感器的電路設計。
超聲波傳感器電路設計
智能車實現自身智能的一個關鍵就是其能夠自主避障以及對于新的路徑進行選擇和規劃[5]，除了紅外線傳感器做出中要貢獻之外，超聲波傳感器也起到了無可比擬的作用。超聲波傳感器在工業、國防、生物醫學等方面都得到了廣泛的應用，而且超聲波具有工作可靠、安裝方便、防水型、發射夾角較小、靈敏度高等優點，所以在本設計中，為了實現智能，使小車能夠在遇到障礙物時自主尋找新的路徑。本設計使用了由步進電機驅動的超聲波傳感器，步進電機與直流電機相比，具有瞬時啟動和極速停止的優越特性，過載性好，控制方便，整機結構簡單。此外超聲波傳感器可以向左向右各旋轉90度來測量小車與障礙物的距離，將距離信息傳送給單片機，單片機發送命令控制小車朝離障礙物距離遠的地方前進，超聲波傳感器隨時檢測，小車就隨時調整運動方向，也彌補了紅外傳感器在工作中的某些缺陷，實現真正意義上的自主優化路徑的目的。超聲波測距的電路圖如圖2所示。
溫濕度傳感器電路設計
用來檢測建筑物空間溫度和濕度的是一款含有已校準數字信號輸出的數字溫濕度傳感器DHT11[6]，其在暖通空調、氣象站、汽車等多領域都有應用價值，且具有體積小、響應快、傳輸距離遠、功耗極低、抗干擾能力強、性價比極高等優點，當測量的溫濕度超過設定的臨界值時，報警電路發送報警信息，通知控制中心。
DHT11的濕度量程范圍是10%—90%RH，溫度量程范圍是-30℃—130℃，測濕精度為±5%RH，測溫精度為±2℃，測量分辨率均為8bit。DHT11的供電電壓為3-5.5V，與單片機和其他傳感器需要的供電電壓基本相同，增加智能車的簡約性，而且DHT11的各項指標均滿足本次火災檢測的要求。
DHT11采用串行接口，采用單總線數據格式，使DATA與單片機進行同步通信，其中與單片機的連接圖如圖3所示。DHT11的一次通信時間為4ms左右，DATA為串行數據，單總線，在不工作時，總線為高電平，在單片機發送開始信號后，總線被拉低等待DHT11響應，此時DHT11從低功耗模式轉換到高速模式，接收到主機發送的開始信號后，等待狀態結束，DHT11發送相應信號，并觸發一次采集溫濕度信號，通過顯示器顯示采集的信號供用戶讀取[7]。DHT11只在接受到開始信號后才開始采集溫濕度信號，并在采集后轉換到低速模式，簡化系統。
CCD傳感器設計
智能車的圖像傳輸功能由CCD圖像傳感器來完成實現。CCD是一種半導體器件，其上的電容能夠感應光線，CCD把光學影像轉變成電荷，再轉換成“0”或“1”的數字信號，就像膠片一樣[8]。數字信號經過壓縮和程序排列后，再轉換成電子圖像信號輸入到計算機中，進行圖像的保存、處理以及分析等工作。CCD的工作原理分為微型鏡頭、分色濾色片、感光層等三層，其中感光層是CCD的核心部分，主要的任務是將光源轉換成電子信號，并傳送給影像處理芯片，還原影像。
智能車的路徑信息主要由面陣CCD器件進行檢測，面陣CCD的輸出信號為標準的模擬復合視頻信號，該信號中主要包括了同步信號和圖像信號。為了避免由于單片機A/D轉換速度而帶來的采集圖像分辨率低的問題，該信號直接通過外部的電壓比較器，將模擬視頻信號變成高/低電平信號，通過單片機的I/O口輸入到計算機。此外，還需要專門的視頻同步分離電路提供行、場同步信號，這些同步信號一般送到單片機的外部中斷端口[9]。本智能車采用IA1881作為視頻信號同步分離芯片。IA1881視頻同步信號分離芯片可以從混合的源視頻信號里分離同步信號，產生四路同步信號。單片機采集圖像系統框圖如圖4所示。
傳輸模塊電路設計
為了保證傳輸的實時性和精準性，同時滿足智能車的簡約靈活的要求，我們采用了具有高抗干擾能力、高傳輸能力、高靈敏度、較低的電流消耗、低誤碼率等優點的RFD5800多通道微功率嵌入式無線數傳模塊[10]，其最遠傳輸距離為1000米（1200bps），本設計則充分利用此傳輸模塊的優點，讓單片機與控制室更暢通地連接，其電路原理圖如圖5所示。
結論
火災的檢測在建筑環境以及人們的日常生活中都非常重要，火災的成功預知可以大大減少人員生命財產的損失。基于此，設計了可移動的智能車，智能車在建筑物內循環檢測其空間的煙霧濃度、溫度以及濕度。單片機根據三種數據同時判定是否存在火災隱患，以防香煙煙霧或廚房煙霧等導致判斷錯誤，產生誤報等情況。智能車具有移動方便、穩定性高、通信靈敏等優點，同時可燃氣體檢測、建筑環境檢測等其他功能可以拓展，其具有很大的發展和應用空間。
參考文獻：
[1] 姚勝興.面向智能建筑的火災探測與自動化系統[J].中國儀器儀表，1999（12）：36-39
[2] 胡長暉，葉夢君，張先鶴.基于視覺技術智能車系統的設計[J].湖北師范學院學報，2012，32（2）：17-21
[3] 費琛，楊會成，楊惠.基于圖像傳感器的智能車硬件系統設計[J].工業控制計算機，2012，25（5）：107-108
[4] 戴圣偉，陳白帆，范紹成.無線遙控智能車的控制研究[J].計算機測量與控制，2011，19（9）：2125-2127
[5] 王瀛洲.智能車自主循跡系統硬件的設計分析[J].儀器儀表用戶，2011（1）：60-62
[6] 余仁波，趙修平，付錦標.基于多傳感器融合技術的彈庫火災探測[J].消防技術與產品信息，2008（11）：25-27
[7] 丘添順.智能火災探測的計算機實現[J].中山大學學報論叢，2003，23（3）：205-207
[8] 傘兵，王志宏.多譜段相機面陣CCD交錯拼接方法[J].長春工業大學學報，2011，32（6）：584-587
