溫度、聲音、距離檢測(cè)模塊的檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

，，

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

引 言

紅外傳感器、超聲波傳感器和聲音檢測(cè)模塊具有體積小、靈敏度高的特點(diǎn)，STM32微處理器具有高性能、低成本、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)線傳輸模塊可以在一定程度上忽略地形的影響，由傳感器和微處理器組成的溫度、聲音、距離檢測(cè)裝置易于攜帶、成本低、性能好，而且隨著未來(lái)技術(shù)的發(fā)展，傳感器性能勢(shì)必會(huì)越來(lái)越好，其精度、探測(cè)距離都會(huì)有較大的提升，處理器的處理能力也會(huì)有很大的進(jìn)步，無(wú)線傳輸模塊的信息傳輸距離、穩(wěn)定性能夠得到加強(qiáng)。所以說(shuō)此裝置在未來(lái)會(huì)有很大的改進(jìn)空間，設(shè)計(jì)思路值得借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)利用STM32F系列微處理器作為主控制器處理由紅外溫度傳感器、超聲波傳感器和聲音檢測(cè)模塊采集到的檢測(cè)信息，通過(guò) ZigBee模塊以無(wú)線方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，利用C#編寫的GUI界面實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，向檢測(cè)人員提供直觀的信息，便于分析。方案框圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)方案框圖

2 模塊選擇及原理

2.1 超聲波測(cè)距原理及模塊選擇

超聲波測(cè)距是借助于超聲脈沖回波渡越時(shí)間法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。設(shè)超聲波脈沖由傳感器發(fā)出到接收所經(jīng)歷的時(shí)間為t，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可由下式求出：

D=ct/2

此部分傳感器選用HC-SRO4超聲測(cè)距模塊，HC-SR04超聲波測(cè)距模塊可提供 2～400 cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)3 mm，模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。

HC-SRO4超聲測(cè)距模塊基本工作原理：采用I/O接口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給最少10 μs的高電平信呈；模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；有信號(hào)返回，通過(guò)I/O接口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=(高電平時(shí)間×聲速)/2。超聲波時(shí)序圖如圖2所示。

圖2 超聲波時(shí)序圖

以上時(shí)序圖表明只需要提供一個(gè)10 μs以上的脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個(gè)40 kHz 周期電平并檢測(cè)回波。一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)，回響信號(hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比，由此通過(guò)發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。(公式：μs/58=cm或者μs/148=inch，或者：距離=高電平時(shí)間×聲速(340 m/s)/2，建議測(cè)量周期為60 ms 以上，以防止發(fā)射信號(hào)對(duì)回響信號(hào)的影響)

超聲波測(cè)距模塊原理圖如圖3所示,實(shí)物圖如圖4所示。超聲波測(cè)距模塊電氣參數(shù)如表1所列。

表1 HCSR04超聲波測(cè)距模塊電氣參數(shù)

圖3 HC-SR04超聲波測(cè)距模塊原理圖

圖4 超聲波測(cè)距模塊實(shí)物圖

2.2 紅外測(cè)溫原理及模塊選擇

物體紅外輻射能量的大小和波長(zhǎng)的分布與其表面溫度關(guān)系密切。因此，通過(guò)對(duì)物體自身紅外輻射的測(cè)量能準(zhǔn)確地確定其表面溫度，紅外測(cè)溫就是利用這一原理測(cè)量溫度的。紅外測(cè)溫器由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器和信號(hào)處理及輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場(chǎng)的大小由測(cè)溫儀的光學(xué)零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測(cè)器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器和信號(hào)處理電路，并按照儀器內(nèi)的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值。

此部分選用GY-906紅外測(cè)溫模塊，以MLX90614非接觸式測(cè)溫傳感器為核心。Melexis公司生產(chǎn)的MLX90614系列測(cè)溫模塊是應(yīng)用非常方便的紅外測(cè)溫裝置，其所有的模塊都在出廠前進(jìn)行了校驗(yàn)，并且可以直接輸出線性或準(zhǔn)線性信號(hào)，具有很好的互換性，免去了復(fù)雜的校正過(guò)程。該模塊以81101熱電元件作為紅外感應(yīng)部分，輸出是被測(cè)物體溫度(To)與傳感器自身溫度(Ta)共同作用的結(jié)果，理想情況下熱電元件的輸出電壓為：Vir=A(To4-Tα4)，其中溫度單位均為Kelvin，A為元件的靈敏度常數(shù)。目標(biāo)溫度和環(huán)境溫度由81101內(nèi)置的熱電偶測(cè)定測(cè)量，從81101中輸出的兩路溫度信號(hào)分別經(jīng)內(nèi)部MLX90302 器件上高性能、低噪聲的斬波穩(wěn)態(tài)放大器放大，再經(jīng)一個(gè)17位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)單元后輸出。

MLX90614是由內(nèi)部狀態(tài)機(jī)控制物體溫度和環(huán)境溫度的測(cè)量和計(jì)算，進(jìn)行溫度后處理，并將結(jié)果通過(guò)PWM或是SMBus模式輸出，ASSP支持兩個(gè)IR傳感器(MLX90614xAx只有一個(gè)IR傳感器)。IR傳感器的輸出通過(guò)增益可編程的低噪聲低失調(diào)電壓放大器放大，經(jīng)過(guò)Sigma Delta調(diào)制器轉(zhuǎn)換為單一比特流并反饋給DSP做后續(xù)的處理。信號(hào)通過(guò)可編程的(用EEPROM實(shí)現(xiàn))FIR和IIR低通濾波器以進(jìn)一步降低輸入信號(hào)的帶寬，從而達(dá)到所需的噪聲特性和刷新率。IIR濾波器的輸出為測(cè)量結(jié)果并存于內(nèi)部RAM中，其中三個(gè)單元可被用到：一個(gè)是片內(nèi)溫度傳感器(片上PTAT或PTC)，其余兩個(gè)為IR傳感器。 基于以上測(cè)量結(jié)果，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度Ta和物體溫度To，兩個(gè)溫度分辨率都為0.01 ℃。Ta和To可通過(guò)兩種方式讀取：通過(guò)兩線接口讀取RAM單元(0.02 ℃分辨率，固定范圍)或者通過(guò)PWM數(shù)字模式輸出(10位分辨率，范圍可配置)。

測(cè)量周期的最后一步為：測(cè)量所得Ta和To被重新調(diào)節(jié)為PWM所需的輸出分辨率，并且該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在PWM狀態(tài)機(jī)的寄存器中，狀態(tài)機(jī)可以產(chǎn)生固定頻率和一定占空比來(lái)表示測(cè)量的數(shù)據(jù)。MLX90614的引腳分布及實(shí)物圖如圖5所示。引腳功能如表2所列。

圖5 MLX90614的引腳分布及實(shí)物圖

表2 MLX90614的功能引腳表

MLX90614的PWM/SDA引腳可以作為PWM模式輸出，取決于EEPROM的設(shè)置。如果設(shè)為PWM使能，在上電復(fù)位(POR)之后，PWM/SDA引腳被直接配置為PWM輸出。在采用PWM為輸出方式的條件下，計(jì)算所得的環(huán)境溫度和物體溫度存在RAM中，其分辨率為0.01 ℃ (16位)。PWM輸出格式為10-位數(shù)值，所以要傳送的溫度需要重新調(diào)節(jié)以適用所需的范圍。為此，EEPROM中的2個(gè)單元用于存取To的范圍(Tomin和Tomax)，一個(gè)單元用于Ta (Tarange：8MSB存放Tamax，8LSB用于Tamin) 。因此To輸出范圍的變化精度為0.01 ℃，對(duì)應(yīng)的Ta輸出范圍的變化精度為0.64 ℃。 測(cè)量、計(jì)算和線性化處理是通過(guò)內(nèi)核控制的，內(nèi)核執(zhí)行ROM里的程序。在POR后，芯片被存于EEPROM里的校準(zhǔn)數(shù)值初始化，在該階段，芯片選擇IR傳感器號(hào)碼決定用哪個(gè)傳感器，測(cè)量、補(bǔ)償以及線性化程序運(yùn)行在閉環(huán)的流程里。

2.3 聲音檢測(cè)原理及模塊選擇

圖6 YL-56聲音檢測(cè)模塊實(shí)物圖

聲音傳感器內(nèi)置一個(gè)對(duì)聲音敏感的電容式駐極體話筒，聲波使話筒內(nèi)的駐極體薄膜振動(dòng)，導(dǎo)致電容的變化而產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)變化，根據(jù)電壓便能夠檢測(cè)聲音的有無(wú)和大小電壓。此部分選用YL-56聲音檢測(cè)模塊，該模塊工作方式為可以檢測(cè)周圍環(huán)境的聲音強(qiáng)度。使用時(shí)需注意：此傳感器只能識(shí)別聲音的有無(wú)(根據(jù)震動(dòng)原理)，不能識(shí)別聲音的大小或者特定頻率的聲音，靈敏度可調(diào)，工作電壓為3.3～5 V輸出形式為數(shù)字開關(guān)量輸出(0 和1 高低電平)。YL-56聲音檢測(cè)模塊實(shí)物圖如圖6所示，傳感器原理圖如圖7所示。

圖7 YL56傳感器原理圖

2.4 無(wú)線發(fā)射模塊選擇

此部分選用以ZigBee技術(shù)為核心的通信模塊。ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議，這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。這一名稱來(lái)源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(Bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(Zig)地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來(lái)與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說(shuō)蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本，主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的、低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通信技術(shù)。

3 硬件系統(tǒng)搭建

本文選用STM32單片機(jī)，相對(duì)于51單片機(jī)來(lái)說(shuō)，該單片機(jī)的處理能力更強(qiáng)。該項(xiàng)目將多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，然后通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)诫娔X上進(jìn)行顯示。由于各個(gè)模塊具有較完整的功能，所以把每一個(gè)部分都與STM32單片機(jī)進(jìn)行對(duì)接，再給單片機(jī)加上無(wú)線傳輸部分進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。相應(yīng)的，給PC端加上無(wú)線接收部分，接收單片機(jī)采集處理過(guò)的溫度、聲音、距離信息。無(wú)線傳輸部分采用ZigBee，和單片機(jī)、PC的接口均為USB，十分方便。溫度采集模塊、聲音采集模塊、距離采集模塊、STM32單片機(jī)、無(wú)線傳輸部分和PC端一起構(gòu)成了該項(xiàng)目的硬件部分。

4 軟件系統(tǒng)編寫

軟件方面做了單片機(jī)和PC端的程序編寫，單片機(jī)主要采用C語(yǔ)言。由于單片機(jī)對(duì)多個(gè)傳感器信號(hào)的讀取是采用掃描式的方法，順序而循環(huán)地讀取各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。對(duì)單片機(jī)中設(shè)定的各個(gè)對(duì)應(yīng)的回路讀取的信號(hào)進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)算，最后的結(jié)果采用掃描方法，順序而循環(huán)地送到各個(gè)輸出點(diǎn)。單片機(jī)的各個(gè)輸入/輸出點(diǎn)可以是相互獨(dú)立的，也可以是共用一個(gè)，只是檢測(cè)信號(hào)傳送的方式不同。如果是模擬量信號(hào)，各輸入/輸出點(diǎn)必須相互獨(dú)立，所以本文采取了前者。PC端程序是對(duì)人機(jī)交互界面的編寫，采用C#在Visual Studio上編寫。

5 裝置測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

在完成編程及模塊組裝之后，在不同的環(huán)境下進(jìn)行了裝置實(shí)地測(cè)量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所列。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將得出的數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)了以下問(wèn)題：數(shù)據(jù)誤差存在但是控制在5%以下，數(shù)據(jù)傳輸有時(shí)會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)傳感器的精度及傳輸模塊的性能導(dǎo)致問(wèn)題的出現(xiàn)，所以要提高該裝置的性能，需要提高傳感器的精度，隨著科技的進(jìn)步，此裝置性能會(huì)越來(lái)越好，數(shù)據(jù)檢測(cè)會(huì)越來(lái)越簡(jiǎn)單、精準(zhǔn)。

結(jié) 語(yǔ)

此裝置經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，能夠探測(cè)環(huán)境里的溫度、障礙物距離、聲音等信息，可以為人類直接進(jìn)入陌生地域前進(jìn)行初步探測(cè)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。