鄧毅

摘 要：本文選取ARV328單片機(jī)作為核心控制器，開發(fā)了基于ARV328的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。依據(jù)系統(tǒng)開發(fā)需求，合理選取硬件器件，分別給出了系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案。測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測(cè)量設(shè)備與作業(yè)人員距離，精度達(dá)到了98.89%，距離安全判斷準(zhǔn)確，通過(guò)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。

關(guān)鍵詞：ARV328單片機(jī);超聲波測(cè)距;警報(bào)

中圖分類號(hào)：TP242.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）06-0042-02

近年來(lái)，我國(guó)變電站工作人員作業(yè)安全事故發(fā)生頻率越來(lái)越高，出現(xiàn)此情況的主要原因?yàn)樵谧鳂I(yè)過(guò)程中設(shè)備與作業(yè)人員距離控制不佳，引發(fā)多起安全事故。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，開發(fā)了距離測(cè)量?jī)x器，根據(jù)安全作業(yè)距離設(shè)置安全范圍，超出此范圍，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)[1]。目前，開發(fā)距離測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量精度較低，本文將利用超聲波測(cè)距技術(shù)，選取ARV328單片機(jī)作為核心控制器，開發(fā)一套基于ARV328的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。

1 超聲波測(cè)距原理

超聲波能量衰減速度較慢，傳輸距離較長(zhǎng)，具有較強(qiáng)的抗干擾性，在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用較多[2]。例如，管道長(zhǎng)度探測(cè)、設(shè)備位置監(jiān)控、機(jī)器人行走控制等[3]。與激光技術(shù)相比，該項(xiàng)技術(shù)不僅開發(fā)成本較低，而且測(cè)量方法簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)計(jì)算量較小，是距離探測(cè)研究的首要選擇工具。

目前，應(yīng)用比較多超聲波測(cè)距方法有3種方法，即聲波幅值檢測(cè)法、相位檢測(cè)法、往返時(shí)間檢測(cè)法[4]。其中，往返時(shí)間檢測(cè)方法比較簡(jiǎn)單，并且測(cè)量精度較高。所以，本文選取此方法作為距離檢測(cè)法。其測(cè)量距離的原理如下：

確定超聲波發(fā)射方向后，利用超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波，以發(fā)射時(shí)間記為發(fā)射時(shí)刻。在傳播過(guò)程中，如果遇到障礙物將立即返回，接收到返回的超聲波停止計(jì)時(shí)[5]。依據(jù)空氣溫度、記錄時(shí)間，可以推算當(dāng)前位置與障礙物之間的距離。其中，超聲波傳播速度和空氣溫度之間的關(guān)系如表1所示，往返時(shí)間檢測(cè)原理如圖1所示。

假設(shè)L為障礙物和測(cè)量目標(biāo)之間的距離，記錄時(shí)間為t，v為超聲波在空氣介質(zhì)中的傳播速度，空氣溫度為C，各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算公式如下：

（1）

本文采用超聲波測(cè)距方法，測(cè)量故障點(diǎn)與目標(biāo)之間的距離。在ATmega328核心控制器的作用下，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器，沿著設(shè)定的傳播方向傳播，遇到障礙物后返回，由接收器負(fù)責(zé)接收超聲波信號(hào)，進(jìn)過(guò)濾波、放大、整形處理，得到精度較高的超聲波信號(hào)，通過(guò)顯示器得以查看。

2 基于ARV328的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件的選取

本文設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)主要由超聲波傳感器、ATmega328微處理器、LCD顯示器、蜂鳴器等硬件設(shè)備構(gòu)成。本文主要對(duì)前三種硬件設(shè)備的選取進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

（1）超聲波傳感器的選取。目前，應(yīng)用比較多的超聲波傳感器有兩種類型，其中一種類型為機(jī)械傳播方式傳感器，另外一種類型為電氣傳播方式傳感器。在實(shí)際應(yīng)用中，超聲波傳感器利用能量轉(zhuǎn)換器，對(duì)位于發(fā)射端的電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，生成聲波能。而接收端是將接受到的聲波能經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換處理，形成機(jī)械能或者電能。本文研究選取壓電式超聲波傳感器發(fā)射和接收超聲波信號(hào)，通過(guò)壓電晶體諧振處理，達(dá)到距離檢測(cè)目的。

（2）AVR微處理器的選取。AVR處理器從8系列、128系列研發(fā)到328系列。與以往研發(fā)的AVR系列微處理器相比，AVR328系列微處理性能優(yōu)勢(shì)更大一些。

ATmega328微處理器是一款8位控制器，自身帶有32KB編程FLASH存儲(chǔ)器，運(yùn)行效率較高[6]。具體特性如下：

功耗較低、性能較高，采用RISC結(jié)構(gòu)打造;支持131條控制命令下達(dá)，以單個(gè)時(shí)鐘周期作為執(zhí)行時(shí)間;8位通用工作寄存器有32個(gè)，其工作狀態(tài)屬于全靜態(tài);通常情況下工作頻率為20MHz，最高工作頻率可達(dá)20MIPS，只需要兩個(gè)時(shí)鐘周期便可以運(yùn)行。在外設(shè)方面，具有獨(dú)立運(yùn)行的比較器、分頻器;8路10位ADC，支持串行USART;可編程I/O接口有23個(gè)，工作電壓范圍：1.8～5.5V;工作溫度范圍-40℃～85℃。

（3）LCD顯示器的選取。為了便于操控，降低功耗，本文選取點(diǎn)陣式LCD顯示器作為系統(tǒng)顯示裝置。該裝置體積較小、功耗低，可以根據(jù)開發(fā)者需求編寫程序，得到不同顯示方式。該裝置信息顯示方式有很多種，主要包括字符、數(shù)字、圖片、圖形等。根據(jù)查看需求，觸屏操控或者按鍵操控均可設(shè)置。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件主要由AVR328單片機(jī)最小系統(tǒng)、LCD顯示器、超聲波探測(cè)3個(gè)模塊構(gòu)成。

（1）AVR328單片機(jī)最小系統(tǒng)。該模塊為系統(tǒng)的核心，用于驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器，對(duì)傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)信號(hào)判斷，下達(dá)蜂鳴器報(bào)警命令。該模塊由78L05穩(wěn)壓器、JATG仿真接口、EEPROM存儲(chǔ)芯片、RTC溫度傳感器、加速度傳感器、輪速傳感器、蜂鳴器、超聲波發(fā)送與接收電路組成。

（2）LCD顯示器。該部分是系統(tǒng)的顯示部分，通過(guò)與單片機(jī)接口建立連接，實(shí)現(xiàn)信號(hào)訪問(wèn)。其中，信號(hào)訪問(wèn)是通過(guò)I/O總線直接訪問(wèn)，為用戶顯示數(shù)據(jù)信息。

（3）超聲波探測(cè)。該模塊由微控制器、超聲波信號(hào)發(fā)射端、超聲波信號(hào)接收端3部分組成。其中，微處理器用來(lái)下達(dá)超聲波探測(cè)裝置運(yùn)行狀態(tài)控制命令;超聲波信號(hào)發(fā)射端用于產(chǎn)生超聲波，以高壓電源供電;信號(hào)接收端由信號(hào)采集和信號(hào)整理電路組成，主要是對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大等處理，從而為預(yù)警命令下達(dá)提供判斷依據(jù)。

2.3 系統(tǒng)軟件開發(fā)

為了避免設(shè)備與作業(yè)人員距離控制不當(dāng)造成安全事故，本文在開發(fā)系統(tǒng)軟件時(shí)，設(shè)置超聲波信號(hào)發(fā)送時(shí)間間隔為2s。如圖2所示為系統(tǒng)軟件開發(fā)流程。

第一步：系統(tǒng)初始化;

第二步：通過(guò)超聲波探頭采集信號(hào)，并計(jì)算前后距離;

第三步：計(jì)算前碰撞時(shí)間，記為TC1;

第四步：計(jì)算后碰撞時(shí)間，記為TC2;

第五步：依據(jù)碰撞時(shí)間TC1和碰撞時(shí)間TC2，設(shè)置相應(yīng)的蜂鳴器頻率;

第六步：刷新LCD顯示數(shù)值;

第七步：刷新看門狗。

3 系統(tǒng)測(cè)試

本次測(cè)試以5米為安全距離，低于5米認(rèn)為變電站作業(yè)人員處于危險(xiǎn)環(huán)境，如果變電站設(shè)備異常就容易傷及作業(yè)人員。如表2所示為系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果。

通過(guò)觀察表2中的測(cè)試結(jié)果可知，本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測(cè)量變電站設(shè)備與工作人員距離，精度達(dá)到了98.89%，作業(yè)距離安全判斷準(zhǔn)確，通過(guò)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)變電站作業(yè)安全事故頻繁發(fā)生問(wèn)題，依據(jù)超聲波測(cè)距原理，設(shè)計(jì)了一套基于ARV328的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，該系統(tǒng)由單片機(jī)最小系統(tǒng)、LCD顯示器、超聲波探測(cè)3個(gè)模塊構(gòu)成。測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測(cè)量作業(yè)人員與設(shè)備之間的距離，支持蜂鳴器警報(bào)。

參考文獻(xiàn)

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