鄧毅

摘 要：本文選取ARV328單片機作為核心控制器，開發(fā)了基于ARV328的超聲波測距系統(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)計方案。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測量設(shè)備與作業(yè)人員距離，精度達到了98.89%，距離安全判斷準(zhǔn)確，通過蜂鳴器發(fā)出警報。

關(guān)鍵詞：ARV328單片機;超聲波測距;警報

中圖分類號：TP242.2 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）06-0042-02

近年來，我國變電站工作人員作業(yè)安全事故發(fā)生頻率越來越高，出現(xiàn)此情況的主要原因為在作業(yè)過程中設(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)了距離測量儀器，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)自動發(fā)出警報[1]。目前，開發(fā)距離測試系統(tǒng)測量精度較低，本文將利用超聲波測距技術(shù)，選取ARV328單片機作為核心控制器，開發(fā)一套基于ARV328的超聲波測距系統(tǒng)。

1 超聲波測距原理

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

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

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)射時間記為發(fā)射時刻。在傳播過程中，如果遇到障礙物將立即返回，接收到返回的超聲波停止計時[5]。依據(jù)空氣溫度、記錄時間，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，往返時間檢測原理如圖1所示。

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

（1）

本文采用超聲波測距方法，測量故障點與目標(biāo)之間的距離。在ATmega328核心控制器的作用下，驅(qū)動超聲波發(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，進過濾波、放大、整形處理，得到精度較高的超聲波信號，通過顯示器得以查看。

2 基于ARV328的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件的選取

本文設(shè)計的超聲波測距系統(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。本文主要對前三種硬件設(shè)備的選取進行簡要介紹。

（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。在實際應(yīng)用中，超聲波傳感器利用能量轉(zhuǎn)換器，對位于發(fā)射端的電能進行轉(zhuǎn)換處理，生成聲波能。而接收端是將接受到的聲波能經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理，形成機械能或者電能。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，通過壓電晶體諧振處理，達到距離檢測目的。

（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存儲器，運行效率較高[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，以單個時鐘周期作為執(zhí)行時間;8位通用工作寄存器有32個，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20MIPS，只需要兩個時鐘周期便可以運行。在外設(shè)方面，具有獨立運行的比較器、分頻器;8路10位ADC，支持串行USART;可編程I/O接口有23個，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

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

（1）AVR328單片機最小系統(tǒng)。該模塊為系統(tǒng)的核心，用于驅(qū)動超聲波傳感器，對傳感器采集到的信號進行處理，通過信號判斷，下達蜂鳴器報警命令。該模塊由78L05穩(wěn)壓器、JATG仿真接口、EEPROM存儲芯片、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，通過與單片機接口建立連接，實現(xiàn)信號訪問。其中，信號訪問是通過I/O總線直接訪問，為用戶顯示數(shù)據(jù)信息。

（3）超聲波探測。該模塊由微控制器、超聲波信號發(fā)射端、超聲波信號接收端3部分組成。其中，微處理器用來下達超聲波探測裝置運行狀態(tài)控制命令;超聲波信號發(fā)射端用于產(chǎn)生超聲波，以高壓電源供電;信號接收端由信號采集和信號整理電路組成，主要是對信號進行濾波、放大等處理，從而為預(yù)警命令下達提供判斷依據(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，設(shè)置超聲波信號發(fā)送時間間隔為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：通過超聲波探頭采集信號，并計算前后距離;

第三步：計算前碰撞時間，記為TC1;

第四步：計算后碰撞時間，記為TC2;

第五步：依據(jù)碰撞時間TC1和碰撞時間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)測試

本次測試以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)測試結(jié)果。

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

4 結(jié)語

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

參考文獻

[1] 王瑞澤，程穎，任文平.基于AVR單片機的家庭智能監(jiān)控機器人設(shè)計[J].計算機應(yīng)用，2016，36（s2）：328-330.

[2] 楊東春，趙春慧，顧冬晴.基于激光測距和慣導(dǎo)的非合作目標(biāo)遠程交會相對導(dǎo)航算法研究[J].上海航天，2016，33（4）：75-80.

[3] 張志剛，孫立才，汪沛.基于激光掃描技術(shù)的行人檢測方法研究[J].計算機科學(xué)，2016，43（7）：328-330.

[4] 倪建華.AVR單片機的全方位雷達輔助行車系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2017，17（4）：69-72.

[5] 韓寶玲，劉廣新羅慶生，等.基于AVR和STM32的仿生六足機器人控制系統(tǒng)[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2016，25（6）：59-63.

[6] 陳云生，李彤，呂軍，等.基于AVR單片機的高精度距離測量技術(shù)研究與實現(xiàn)[J].信息通信，2016（5）：101-102.