基于無線傳感節點的自卸車車斗防掛預警器設計

夏小東，李寶林，楊 熙

（1.中國礦業大學 機電工程學院，徐州 221008；2.中國石油大學(華東) 機電工程學院，青島 257061）

0 引言

隨著我國經濟的發展，全國各地硬件設施建設迅速，自卸車的數量也越來越多。自卸車作為運輸工具，車斗舉升卸貨時，其整體高度就會上升，由于駕駛員的駕駛疏忽，而導致車斗在舉升或舉升后的卸貨過程中經常掛斷電線或電纜等，導致經濟損失。因此，設計一種能夠實時監測車斗附近障礙物距離的裝置有一定的應用價值。

1 總體設計思路[1,2]

由于車斗需要運動，所以常規的有線采集不太方便，因此，采用了無線傳感節點的方式來實現對數據的采集。利用超聲波傳感器采集自卸車車斗斜前方、上方及斜后方的障礙物距離車斗的距離，單片機ATmega16通過射頻芯片nRF24L01傳到駕駛室。信息采集節點設計原理圖如圖1所示。

圖1 信息采集節點設計原理圖

信息處理節點上的單片機通過nRF24L01接受采集的信息，并對采集的數據進行處理，計算出障礙物到車斗的垂直距離，并與車斗舉升后的最大高度進行比較，然后將結果實時顯示在駕駛室的液晶屏上，同時發出語音報警，為駕駛員提供操作信息，達到預警防掛的目的。信息處理節點設計原理圖如圖2所示。

圖2 信息處理節點設計原理圖

由于自卸車常常作業在雷雨天和施工現場，所以節點的設計需要防水防雷防塵。因此在需要選擇防水型超聲波傳感器，外殼的選擇了密閉的不銹鋼金屬外殼。

2 硬件設計

2.1 電源設計

由于采集節點上的超聲波傳感器和單片機都需要5V電源，而基準電壓芯片REF192和射頻芯片nRF24L01都需要3.3V電源，外接電源為6V，所以必須經過電壓轉換，采用ASM1117-3.3V和ASM1117-5V的穩壓芯片，轉換電路圖如圖3所示。

圖3 3.3V電壓轉換原理圖

在得到3.3V和5V電壓后，又分別連接上了一個濾波電路，供給單片機、傳感器和nRF24L01等。

2.2 信息采集節點設計[3]

超聲波傳感器選擇的是深圳市電應普科技有限公司的DYP-ME007Y-PWM超聲波模塊，可提供30cm-3.5m的非接觸式距離測量功能，在感應范圍內感應到物體則輸出對應的高電平脈寬信號。將傳感器模塊的上的VCC、Echo（接收端）、Trig（控制端）、GND引腳分別接到接節點上的5V電源、單片機 PA0（PA1, PA2）、PB1（PB1, PB2）、GND 上。

采集節點上還接有電源開關，晶振電路電源指示燈，信號傳輸指示燈，當射頻芯片開始工作時，單片機控制PB1引腳上的LED燈等閃爍。節點上各部件的連接如圖4所示。

圖4 采集節點總體接口圖

無線芯片采用的是是挪威Nordic Semiconductor公司推出的一款低功耗的單片射頻收發器nRF24L01。最高傳輸速率達到2Mbps，支持多點間通信，自帶有功率放大器、頻率合成器、晶振、調制器等模塊，并帶有增強型ShockBurst控制器，其中輸出功率和通信頻道和協議都可通過程序進行配置。其外圍只需要接少量的電容進行濾波處理即可，外圍電路圖如圖4所示。由于只需要幾米的傳輸距離，所以選擇了PCB天線,如圖5所示。

圖5 NRF24L01外圍電路原理圖

2.3 信息處理節點設計

圖6 語音提示電路圖

處理節點主要由液晶顯示屏、語音報警模塊、ATmega16單片機、nRF24L01、電源以及外殼等組成。采用單片機的PA口控制LCM12864顯示處理后的距離。為了適應不同的自卸車，加上了鍵盤控制部分，采用PD口進行控制，PD3是數字加功能鍵，PD4是數字減功能鍵，通過這兩個口分別對距離的極限值進行設置。

語音提示部分采用應用廣泛的WT588D-16可編輯語音芯片，該芯片功能多，音質好，且具有MP3控制模式、按鍵控制模式等較多控制模式，可控制的語音地址位達到220個，每個地址位能加載128段語音，使用時，只需要通過單片機訪問地址就可以實現語音播放[4]。語音提示電路如圖6所示。

3 軟件設計

軟件開發采用ICCAVR軟件開發環境，使用C語言模塊化編程。軟件部分包括采集節點程序設計、信息處理節點程序設計。流程圖如圖7和圖8所示。

圖7 信息采集節點程序流程圖

圖8 信息處理節點程序流程圖

4 算法設計及實驗分析

4.1 算法設計

超聲波傳感器是通過計算從發出超聲波信號到接收到返回的信號所用的時間，來得出障礙物的距離。距離計算公式為：

其中：d為障礙物距離，s為聲波來回的路程，c為聲速，t為聲波來回時間[5]。

三個超聲波傳感器的測量方向分別為車斗正上方，斜前方45°，斜后方45°。自卸車在行駛或倒車時，首先由斜前方或者斜后方的傳感器先測出障礙物的距離或，并通過=d×sinπ/4計算得出其垂直高度d 1'和，然后有正上方的傳感器測出停車卸貨時，車斗上方的障礙物距離并將結果與車斗舉升后的最大高度進行比較，、和中的任何一個小于都會發出聲光報警，測得的數據會自動保存，直到測到下一個障礙物。

4.2 實驗分析

在實驗室中，將信息采集節點放在地面上，并開始采集信息。拖動一跟5mm左右粗的電線，從節點左側3m處往節點右側3m處拖動，高度分別取為0.5m、1.0m、1.5m、2.0m，每移動2m記錄一次數據。傳感器測得的數據如表1所示。

表1 實驗測量數據表（單位：cm）

由上表的數據可以看出，誤差率都不超過3%，而且測得的數據比較穩定，實驗是成功的。

5 結論

介紹了一種基于nRF24L01的無線超聲波傳感器節點的自卸車車斗防掛預警裝置，并對軟硬件進行了設計。并進行了實際驗證，結果表明該裝置能夠較好的達到自卸車車斗防掛預警的作用，且有安裝方便、工作穩定、成本低等優點。

[1] 楊玲, 郝成.基于NRF24L01球磨機信號無線采集的實現[J].傳感器世界, 2009(9): 23～25.

[2] 唐穎, 張凡, 郭勇.移動機器人的超聲波測距傳感器設計[J].傳感技術學報, 2010(11): 1647～1649.

[3] 潘勇, 管學奎, 趙瑞.基于NRF24L01的智能無線溫度測量系統設計[J].天津理工大學學報, 2008(12): 48～50.

[4] 高月華.基于超聲波汽車倒車雷達預警系統設計[J].壓電與聲光, 2011(6): 429～435.

[5] 章小兵, 宋愛國, 唐鴻儒.一種基于多超聲波傳感器定位的新方法[J].制造業自動化, 2006.28(1): 29-32.