【正文】 本系統(tǒng)還可以作為各 種 電 纜及 無 軌 電 車 、 大 型 工 業(yè) 企 業(yè) 、 輸 變 電 傳 輸 電 纜 等 電 纜 線 測 量 。 而且還可用于水面高度測量、機(jī)器人定位、輔助視覺系統(tǒng)、車輛定位與導(dǎo)航、汽車防撞雷達(dá)等領(lǐng)域具有很強(qiáng)的可移植性。目前市場尚且缺乏電纜報(bào)警裝置，且用于電纜測距的產(chǎn)品一般在 5000元以上，該產(chǎn)品成本僅在 300 元左右，相比之下物美價(jià)廉、實(shí)用、輕便、準(zhǔn)確、安全可靠，具有很大的市場潛力。 論文研究內(nèi)容超聲波是由機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生，可在不同介質(zhì)中以不同的速度傳播。而且超聲波的速度相對于光速要小的多，其傳播時(shí)間就比較容易檢測。并且超聲波具有定向性好、能量集中、在傳輸過程中衰減較小、反射能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，超聲波傳感器可廣泛應(yīng)用于非接觸式檢測方法，因而采用仿真技能利用超聲波測距。 　　由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為高度測量的理想手段。在精密的測量中需要達(dá)到毫米級的測量精度，但是目前國內(nèi)的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產(chǎn)生的原因，提高測量時(shí)間差到微秒級，以及用溫度傳感器進(jìn)行聲波傳播速度的補(bǔ)償后，我們設(shè)計(jì)的高精度超聲波測距儀能達(dá)到毫米級的測量精度。 超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來計(jì)算出傳播距離。實(shí)用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計(jì)；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式。測距儀的分辨率取于對超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電效應(yīng)的傳感器，常用的材料是壓電陶瓷。由于超聲波在空氣中傳播時(shí)會有相當(dāng)?shù)乃p，衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測量時(shí)應(yīng)選擇頻率高的傳感器，而長距離的測量時(shí)應(yīng)用低頻率的傳感器。本 文 設(shè) 計(jì) 的 防 觸 電 測 距 系 統(tǒng) 要 能 夠 連 續(xù) 測 距 ， 經(jīng) 過 單 片 機(jī) 綜 合 處 理 后 ，采 用 間 歇 不 同 的 鳴 叫 聲 進(jìn) 行 語 音 報(bào) 警 和 顯 示 距 離 。 它 包 括 了 超 聲 波 測 距 部件 、 控 制 單 元 STC12C5410AD、 報(bào) 警 模 塊 和 顯 示 部 件 等 。論 文 構(gòu) 成 主 要 由 以 下 部 分 組 成 ：第 一 章 包 括 研 究 背 景 、 意 義 以 及 相 關(guān) 技 術(shù) 在 國 內(nèi) 外 的 研 究 現(xiàn) 狀 。第 二 章 為 系 統(tǒng) 總 體 方 案 設(shè) 計(jì) 。 首 先 介 紹 防 觸 電 測 距 報(bào) 警 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì)要 求 ， 詳 細(xì) 介 紹 測 距 系 統(tǒng) 傳 感 器 的 選 擇 、 顯 示 報(bào) 警 系 統(tǒng) 的 方 案 設(shè) 計(jì) ， 然 后提 出 本 系 統(tǒng) 總 的 方 案 設(shè) 計(jì) 。 為 其 后 的 硬 件 設(shè) 計(jì) 奠 定 了 基 礎(chǔ) 。第 三 章 為 系 統(tǒng) 硬 件 設(shè) 計(jì) 。 首 先 分 析 超 聲 波 傳 感 器 的 工 作 原 理 ， 然 后 具體 討 論 測 距 模 塊 中 的 超 聲 波 發(fā) 射 電 路 和 超 聲 波 接 收 電 路 以 及 測 距 模 式 電 路的 硬 件 設(shè) 計(jì) 。 最 后 介 紹 了 系 統(tǒng) 顯 示 報(bào) 警 模 塊 電 路 的 設(shè) 計(jì) 。第 四 章 為 系 統(tǒng) 軟 件 設(shè) 計(jì) 。 在 軟 件 設(shè) 計(jì) 中 采 用 模 塊 化 設(shè) 計(jì) 思 想 ， 分 別 對系 統(tǒng) 的 主 程 序 模 塊 、 測 距 模 塊 報(bào) 警 模 塊 程 序 進(jìn) 行 了 軟 件 設(shè) 計(jì) 。第 五 章 為 硬 件 組 裝 及 性 能 分 析 。 首 先 對 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 仿 真 ， 然 后 對 系 統(tǒng)性 能 誤 差 進(jìn) 行 討 論 。 研究方法和性能指標(biāo)本作品是專為鐵路電纜下方作業(yè)車預(yù)防觸電事故發(fā)生而設(shè)計(jì)的，以較為簡潔的電路和通用的廉價(jià)器件實(shí)現(xiàn)了對多根電纜精準(zhǔn)測距和智能報(bào)警功能。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)測量仰角可達(dá) 105 度， 距離電纜達(dá)2米時(shí)開始報(bào)警，系統(tǒng)可測量、存儲、顯示 6 根電纜線的數(shù)據(jù)，精度達(dá)到 5mm。本系統(tǒng)利用 STC12C5410AD 單片機(jī)為控制核心，能夠全自動(dòng)非接觸高精度測量，能實(shí)時(shí)監(jiān)測距離并自動(dòng)報(bào)警，省去了人工目測的不確定性與高危險(xiǎn)性，能夠有效地避免因電纜過近而給檢修人員帶來不必要的傷害。同時(shí)本系統(tǒng)填補(bǔ)了超聲波測距在防觸電測距報(bào)警上的空白。設(shè)計(jì)的功能與指標(biāo)如下：（1）不僅可作為一般測距儀器，而且能夠同時(shí)測量 6 根線纜高度，測量分辨率可達(dá)到 1mm，測量誤差為 5mm，電纜測量范圍小于 3m，普通物體測距可達(dá) 15m；（2）當(dāng)電纜線到傳感器距離小于 2m 時(shí)，系統(tǒng)開始聲光報(bào)警，報(bào)警聲隨著物體的接近變得急促；（3）測量角度大，角度可達(dá) 90176。，打破現(xiàn)有超聲波測距儀角度小的局限性；（4）顯示實(shí)時(shí)溫度，有溫度補(bǔ)償功能，使得測距更加精準(zhǔn)；（5）測量方便，容易對準(zhǔn)線纜位置及觀看測量結(jié)果；（6）適用直徑大于 不同外形的電纜線；（7）測量線纜與線纜之間距離。第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 方案設(shè)計(jì)與論證本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)防觸電測距報(bào)警，為了實(shí)現(xiàn)這功能，需要多方面的內(nèi)容相結(jié)合，主要需要解決的有核心控制芯片、距離測量、距離顯示等等。從技術(shù)手段來看，本設(shè)計(jì)中最主要的是距離測量，其他都是圍繞著距離測量展開，距離測量最主要的設(shè)備當(dāng)屬傳感器，選擇了好的傳感器再經(jīng)由合適的核心芯片處理即能達(dá)到所需精度，下面就對控制器、傳感器、顯示方案做以下論述。 控制器的選擇STC12C5410AD 是一款工業(yè)級 51 芯片，具有 AD 和 PWM 波輸出功能速度比一般快 8～12 倍，并具有加密性好，超強(qiáng)抗干擾，超低功耗 I/0 驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)，內(nèi)部集成高可靠復(fù)位電路，外部復(fù)位電路可完全省掉等顯著特點(diǎn)，故選 STC12C5410AD 作為控制核心。 測距傳感器的選擇關(guān) 于 測 距 傳 感 器 ， 現(xiàn) 在 主 要 有 以 下 幾 種 ：(1)紅 外 傳 感 器 。 其 原 理 是 傳 感 器 的 紅 外 發(fā) 光 管 發(fā) 出 紅 外 光 ， 光 敏 接收 管 接 收 前 方 物 體 反 射 光 ， 接 收 管 接 收 的 光 強(qiáng) 隨 反 射 物 體 的 距 離 變 化 ， 據(jù)此 判 斷 前 方 是 否 有 障 礙 物 并 根 據(jù) 接 收 信 號 強(qiáng) 弱 判 斷 物 體 的 距 離 。(2)激 光 傳 感 器 。 它 是 利 用 激 光 的 單 色 性 和 相 干 性 好 、 方 向 性 強(qiáng) 等 特點(diǎn) ， 以 實(shí) 現(xiàn) 高 精 度 的 計(jì) 量 和 檢 測 ， 如 測 量 長 度 、 距 離 、 速 度 、 角 度 等 。 激光 測 距 在 技 術(shù) 途 徑 上 可 分 為 脈 沖 式 激 光 測 距 和 連 續(xù) 波 相 位 式 激 光 測 距 。 脈沖 式 激 光 測 距 原 理 與 雷 達(dá) 測 距 相 似 ， 測 距 儀 向 目 標(biāo) 發(fā) 射 激 光 信 號 ， 碰 到 目標(biāo) 就 要 被 反 射 回 來 ， 由 于 光 的 傳 播 速 度 是 已 知 的 ， 所 以 只 要 記 錄 下 光 信 號的 往 返 時(shí) 間 ， 用 光 速 (30 萬 千 米 /秒 )乘 以 往 返 時(shí) 間 的 二 分 之 一 ， 就 是 所 要測 量 的 距 離 。(3)超 聲 波 傳 感 器 是 經(jīng) 常 采 用 的 傳 感 器 之 一 。 超 聲 波 就 是 空 氣 中 傳 播的 超 過 人 類 聽 覺 頻 率 極 限 的 聲 波 。 其 原 理 猶 如 蝙 蝠 ， 它 嘴 里 發(fā) 出 超 聲 波 ，當(dāng) 超 聲 波 遇 到 小 昆 蟲 的 時(shí) 候 ， 它 的 耳 朵 能 夠 接 收 反 射 回 波 ， 從 而 判 斷 昆 蟲的 位 置 并 予 以 捕 殺 。 超 聲 波 傳 感 器 的 工 作 方 式 是 通 過 發(fā) 送 器 發(fā) 射 出 來 的 超聲 波 被 物 體 反 射 后 傳 到 接 收 器 接 收 來 判 斷 是 否 檢 測 到 物 體 。根據(jù)以上性能的比較，我們能看出來激光傳感器是比較理想的選擇，但是其價(jià)格較高，不易為大眾接受?？紤]到車輛行駛過程中測距應(yīng)當(dāng)有較強(qiáng)的抗干擾和較短的響應(yīng)時(shí)間，最終選用超聲波傳感器作為此方案的技術(shù)擴(kuò)展。 顯示器子系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯示器是一個(gè)典型的輸出設(shè)備，而且其應(yīng)用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產(chǎn)品都要使用顯示器，其差別僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類型不同而已。最簡單的顯示器可以用 LED 發(fā)光二極管，設(shè)計(jì)簡單，易于安裝，成本只要幾元，但給出只是一個(gè)簡單的開關(guān)信息，而復(fù)雜的較完整的顯示器應(yīng)該是CRT 監(jiān)視器或者屏幕較大的 LCD 液晶屏，其成本在幾十元到百元不等。從能夠?qū)崿F(xiàn)顯示功能以及個(gè)人設(shè)計(jì)簡單方便方面考慮，本設(shè)計(jì)中采用 12864藍(lán)色背光液晶作為顯示器件，使數(shù)據(jù)更清晰直觀。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本方案以 STC12C5410AD 單片機(jī)為控制核心，每次發(fā)射 10 個(gè)寬度為時(shí)間 T 的脈沖，同時(shí)開啟定時(shí)器并延時(shí)一段時(shí)間，超聲波傳感器接收到回波信號經(jīng)前置放大電路、帶通濾波電路、后級放大電路和電壓比較電路后，向單片機(jī)發(fā)出外部中斷信號，單片機(jī)保存定時(shí)器的值,計(jì)數(shù)器重新開始計(jì)數(shù)。用渡越時(shí)間法計(jì)算出每根電纜線的距離，液晶用來顯示所測距離，如果距離小于 2m，報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。另外，由于超聲波在不同溫度下傳播速度不同，為了提高精度使用 DS18B20 測出實(shí)時(shí)溫度，計(jì)算出不同溫度下超聲波速度值，進(jìn)行溫度補(bǔ)償。（單片機(jī)從啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)到外部中斷觸發(fā)計(jì)數(shù)器停止計(jì)時(shí)，這段時(shí)間即為超聲波脈沖的渡越時(shí)間 t）。采用渡越時(shí)間檢測法，檢測從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時(shí)間，即渡越時(shí)間。渡越時(shí)間與介質(zhì)中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。考慮實(shí)際情況，采用異地脈沖反射式來測距，實(shí)際距離為超聲波測距的一半。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)防觸電測距報(bào)警系統(tǒng)由超聲波傳感器、控制器和顯示器、報(bào)警器等部分組成。防觸電測距報(bào)警系統(tǒng)采用超聲波測距方法，在控制器的控制下由傳感器發(fā)射超聲波信號，當(dāng)遇到障礙時(shí)，產(chǎn)生回波信號，傳感器接收到回波信號后經(jīng)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，判斷出障礙物的位置，由顯示器顯示距離并發(fā)出警示信號，從而防止觸電。 實(shí)現(xiàn)原理傳統(tǒng)的利用固定電平判斷回波到達(dá)時(shí)刻的超聲波測距方法存在較大誤差。針對這種誤差提出的可變閾值的超聲波測距方法，由于干擾信號的存在，超聲波測距主芯片會產(chǎn)生誤判回波時(shí)刻的到來，從而導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。超聲傳感器通過壓電晶片的逆效應(yīng)——電致伸縮，在空氣介質(zhì)中產(chǎn)生超聲波。測距所用超聲波一般都是以間斷的高壓單脈沖發(fā)射，每測距一次，需要發(fā)射、接收一次。所以在測距脈沖的發(fā)射過程中，傳感器晶片經(jīng)歷了起震、加強(qiáng)和衰減三種狀態(tài)，并產(chǎn)生多個(gè)諧振周期的超聲波；接收過程中，傳感器晶片在多個(gè)諧振周期的超聲脈沖作用下，通過壓電效應(yīng)在晶片兩端產(chǎn)生起伏電壓。廈門大學(xué)的童峰等研究了單脈沖發(fā)射時(shí)超聲回波的起伏特性，并根據(jù)聲的發(fā)射、反射理論及應(yīng)用力——聲類比，推導(dǎo)出了理想條件下的測距回波包絡(luò)曲線方程?？梢则?yàn)證：超聲回波在脈寬時(shí)間 T 處，電壓峰值達(dá)到最大，和童峰的理論分析基本吻合，根據(jù)上述對超聲回波波形特性的分析，在接收電路中加入精密的絕對值轉(zhuǎn)換電路，把回波信號的負(fù)電壓翻轉(zhuǎn)為正電壓，然后通過檢波電路，對波形進(jìn)行包絡(luò)，接著輸入到微分電路，求出包絡(luò)曲線的峰值點(diǎn)，再通過過零檢測電路，向單片機(jī)發(fā)出外部中斷信號，停止計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)。單片機(jī)在發(fā)射完 1 個(gè)脈沖后，啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)到外部中斷觸發(fā)計(jì)數(shù)器停止計(jì)時(shí)，這段時(shí)間即為超聲波脈沖的渡越時(shí)間 t。超聲波測距的原理一般采用渡越時(shí)間法 TOF(time of filght)。它通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所發(fā)射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差 T，然后求出距離 S。一般采用渡越時(shí)間發(fā)：即 S=CT/2，其中 S為測量點(diǎn)與被測物體之間的距離，C 為聲波在介質(zhì)（此處指空氣）中的傳播速度，T 為超聲波發(fā)射到返回的時(shí)間間隔 。由于超聲波也是一種聲波，其聲速 C 與空氣溫度有關(guān)，一般來說，溫度每升高 1 攝氏度，聲速增加 米/秒。下表 31 列出了幾種溫度下的聲速關(guān)系：表 31 超聲波波速與溫度的關(guān)系表在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速 C 是基本不變的，計(jì)算時(shí)取 C 為 340M/S。如果測距精度要求很高，則可通過改變硬件電路增加溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ɑ蛘咴谟布娐坊静蛔兊那闆r下，通過軟件改進(jìn)算法的方法來加以校正。如果環(huán)境溫度變化顯著，則必須考慮溫度補(bǔ)償問題。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。設(shè)超聲波脈沖由傳感器發(fā)出到接收第一根電纜線的回波信號所經(jīng)歷的時(shí)間為 t1，從發(fā)射的一個(gè)波到最后一個(gè)波所用的時(shí)間為 t0,超聲波在空氣中的傳播速度為 c，則從傳感器到目標(biāo)物體的距離 d 可用下式求出： )10(21dtc???（）超聲波在空氣中傳播，一部分返回，一部分繼續(xù)沿原路徑傳播，遇到第二溫度（℃） 30 20 10 0 10 20 30 100聲速（m/s）313 319 325 323 338 344 349 386根線，再次返回一部分此時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)為 t2。 ?2d)210(ttc??（）同理，由此遞推…… )3210(23dttc???（）