基于超聲波測(cè)距的煤礦井下皮帶檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

付承彪， 田安紅， 于 龍， 馬 美

(曲靖師范學(xué)院a.信息工程學(xué)院;b.城市學(xué)院;c.生物資源與食品工程學(xué)院，云南曲靖655011)

0 引言

隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，我國(guó)煤礦數(shù)字化的進(jìn)程也在不斷地推進(jìn)［1-2］，在煤礦的開(kāi)采和傳輸過(guò)程中，皮帶檢測(cè)系統(tǒng)至關(guān)重要。然而，由于皮帶長(zhǎng)時(shí)間工作易造成軟化和磨損，出現(xiàn)皮帶跑偏現(xiàn)象是煤礦中常見(jiàn)的故障，皮帶跑偏重則引發(fā)火災(zāi)，嚴(yán)重威脅煤礦的生命安全。傳統(tǒng)采用接觸式的方法檢測(cè)皮帶跑偏，且需專職人員維護(hù)［3］，在惡劣的煤礦井下環(huán)境中，存在大量的粉塵和油泥，傳統(tǒng)檢測(cè)存在漏報(bào)等弊端，因此開(kāi)發(fā)一個(gè)非接觸式的皮帶檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)皮帶跑偏很有現(xiàn)實(shí)意義。然而，專業(yè)的測(cè)距儀器存在價(jià)格昂貴和體積龐大等問(wèn)題，超聲波是基于非接觸式的測(cè)距原理［4-5］，與紅外測(cè)距和激光測(cè)距技術(shù)相比較，不容易受到粉塵、光照強(qiáng)度［6］、電磁波干擾信號(hào)等環(huán)境因素的影響，其縱向分辨率高，且超聲波傳感器體積小、信息處理簡(jiǎn)單［7］等，可應(yīng)用于煤礦井下的惡劣環(huán)境中。因此本文以單片機(jī)AT89C51為核心所設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單、低成本［8］、高精度的測(cè)距系統(tǒng)，具有一定的推廣意義。

本文以煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境為背景，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于超聲波測(cè)距的皮帶檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和仿真測(cè)試［9-10］，在單片機(jī)AT89C51、液晶顯示模塊、HC-SR04超聲模塊，溫度傳感器模塊和蜂鳴器的控制下，實(shí)時(shí)檢測(cè)皮帶跑偏系統(tǒng)。首先，在Proteus 7 Professional軟件中設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)電路;然后，在Keil μVision4軟件中用C語(yǔ)言編寫(xiě)實(shí)時(shí)檢測(cè)皮帶系統(tǒng)的程序;最后，通過(guò)上述兩個(gè)軟件的聯(lián)合測(cè)試，當(dāng)被測(cè)物體的距離值小于限定的距離值時(shí)，單片機(jī)會(huì)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警提示。從而實(shí)時(shí)地檢測(cè)皮帶跑偏現(xiàn)象，確保煤礦生產(chǎn)環(huán)境的工作安全。

1 基本原理和設(shè)計(jì)思路

1.1 基本原理

當(dāng)物體振動(dòng)的頻率在0.02～20 kHz時(shí)，人耳可聽(tīng)到該范圍的聲音，如果頻率超過(guò)20 kHz，稱為超聲波［11-13］，其波長(zhǎng)非常短，傳播具有方向性，且呈現(xiàn)束狀直線傳播，可用于測(cè)距探測(cè)。常用渡越時(shí)間法(Timeof-Flight，TOF)進(jìn)行測(cè)距，其工作原理:首先，借助強(qiáng)電脈沖信號(hào)方式，使得超聲波發(fā)射器向物體發(fā)射超聲波，并啟動(dòng)計(jì)時(shí)器;其次，發(fā)射的超聲波遇到被測(cè)試的物體之后，會(huì)形成反射的回波信號(hào);然后，接收器接收到回波信號(hào)，并停止計(jì)時(shí)器;最后，通過(guò)計(jì)算出發(fā)射器和接收器的時(shí)間［14］差值t，和超聲波的傳播速度c，可以求解出測(cè)試點(diǎn)與被測(cè)障礙物間的距離:

超聲波的傳播速度c和溫度密切相關(guān)，因在大氣中傳播時(shí)，c隨周?chē)h(huán)境溫度升高而加快，當(dāng)溫度變化顯著時(shí)［15］，需進(jìn)行溫度補(bǔ)償，近似公式為:

式中，331.4 m/s表示零度狀態(tài)下超聲波的傳播速度大小;T表示周?chē)h(huán)境的實(shí)際溫度(°C)。

1.2 設(shè)計(jì)思路

超聲波測(cè)距儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，從圖可以看出，本系統(tǒng)包含5個(gè)模塊，即單片機(jī)AT89C51模塊，液晶顯示模塊LCD1602，HC-SR04超聲模塊，溫度傳感器模塊DS18B20，聲音播報(bào)模塊蜂鳴器。其中采用單片機(jī)AT89C51作為控制核心，超聲波測(cè)距模塊采用HC-SR04超聲模塊，用于測(cè)量相鄰物體的距離范圍，經(jīng)過(guò)溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償后，距離取值在液晶顯示器上顯示，如果距離值超過(guò)指定的距離值時(shí)，可以利用蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警提示。從而檢測(cè)皮帶跑偏，確保生產(chǎn)線的安全。

圖1 超聲波測(cè)距儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 超聲波測(cè)距模塊

HC-SR04模塊實(shí)物如圖2所示，HC-SR04模塊的工作時(shí)序如圖3所示，它的測(cè)量精度可以達(dá)到0.3 cm，測(cè)量范圍一般為2～450 cm。基本工作原理:當(dāng)單片機(jī)至少提供10 μs的高電平給HC-SR04模塊的觸發(fā)控制信號(hào)輸入引腳TRIG時(shí)，HC-SR04會(huì)自動(dòng)發(fā)送方波信號(hào)8個(gè)，且為40 kHz，同時(shí)，HC-SR04會(huì)自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)信號(hào)的返回情況;當(dāng)有信號(hào)返回時(shí)，通過(guò)ECHO回響信號(hào)輸出引腳端來(lái)輸出一個(gè)高電平，通過(guò)記錄高電平的持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，可判斷出超聲波從發(fā)射開(kāi)始到結(jié)束返回來(lái)的時(shí)間，從而通過(guò)測(cè)試距離公式

計(jì)算與相鄰物體的距離大小。式中，c為聲速(c=340 m/s)。為了防止發(fā)射信號(hào)影響到回響信號(hào)，一般測(cè)試周期時(shí)間持續(xù)60 ms以上。

圖2 HC-SR04模塊實(shí)物

圖3 HC-SR04模塊的時(shí)序

2.2 溫度補(bǔ)償模塊

因?yàn)闇囟葘?duì)超聲波的傳播速度影響較大，所以在實(shí)際應(yīng)用中，需設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路來(lái)提高距離的測(cè)量精度。本系統(tǒng)采用DS18B20溫度傳感器測(cè)試環(huán)境溫度，并修正超聲波的傳播速度，減少測(cè)量誤差。基于DS18B20的溫度補(bǔ)償電路是將DQ端口連接到單片機(jī)的某個(gè)I/O端口，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易行和精度高等優(yōu)勢(shì)，所測(cè)試的溫度范圍為－55～125°C，而當(dāng)周?chē)h(huán)境的溫度在－10 ～85 °C 時(shí)，測(cè)量的精度可以達(dá)到0.5 °C［16］。

2.3 超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)電路原理

本文設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)的電路原理如圖4所示，當(dāng)ECHO回響信號(hào)輸出引腳端為高電平時(shí)，啟動(dòng)單片機(jī)的定時(shí)器，并進(jìn)行定時(shí)操作;如果ECHO回響信號(hào)輸出引腳端為低電平，則停止單片機(jī)的定時(shí)操作。通過(guò)式(3)可以計(jì)算出S，并通過(guò)LCD1602模塊顯示出距離值，同時(shí)，單片機(jī)進(jìn)行比較計(jì)算的距離值和限定的警戒距離值大小，當(dāng)計(jì)算出的物體距離值小于限定的距離值時(shí)，單片機(jī)會(huì)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警提示。

圖4 超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)電路原理

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序

超聲波測(cè)距儀的主程序流程如圖5所示，可以看出，測(cè)距儀系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，首先進(jìn)行初始化操作，初始化LCD1602模塊、DS18B20模塊和HC-SR04模塊;然后通過(guò)溫度傳感器DS18B20進(jìn)行溫度測(cè)量，通過(guò)超聲測(cè)距模塊HC-SR04進(jìn)行距離測(cè)量;最后所測(cè)得的距離值顯示在液晶顯示器上。當(dāng)測(cè)量出的物體距離值小于限定的距離值時(shí)，單片機(jī)會(huì)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警提示。

3.2 HC-SR04測(cè)距儀的流程

HC-SR04測(cè)距儀的測(cè)距流程如圖6所示。在本系統(tǒng)中，HC-SR04模塊接收到測(cè)試的回波信號(hào)后，其回響信號(hào)輸出端口Echo輸出一個(gè)高電平信號(hào)，并啟動(dòng)開(kāi)始進(jìn)行測(cè)試距離的操作，單片機(jī)AT89C51檢測(cè)到Echo端口的高電平后，開(kāi)始進(jìn)行啟動(dòng)計(jì)算器的操作，并進(jìn)行計(jì)數(shù)，如果Echo端口變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，單片機(jī)就停止計(jì)數(shù)。

3.3 測(cè)量距離代碼

依據(jù)超聲波測(cè)距的原理，在Keil μVision4軟件中通過(guò)C語(yǔ)言編寫(xiě)代碼，其中測(cè)量距離和顯示距離的代碼如下:

圖5 超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)的主程序流程

圖6 HC-SR04測(cè)距儀的測(cè)距流程

4 仿真測(cè)試與結(jié)果

當(dāng)在Keil環(huán)境中編寫(xiě)代碼并調(diào)試通過(guò)后，點(diǎn)擊Project菜單，打開(kāi) Options for Taget子菜單，并選擇Output標(biāo)簽，勾選“Create HEX File”選項(xiàng)，重新進(jìn)行編譯成功后，生成“CSBCJ.hex”的十六進(jìn)制文件。同時(shí)，在ISIS 7 Professional軟件中，雙擊AT89C51單片機(jī)，加載CSBCJ.hex，進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試通過(guò)后，即可呈現(xiàn)出仿真結(jié)果。

假設(shè)煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境當(dāng)時(shí)的溫度是73°C，則溫度傳感器DS18B20顯示73°C，仿真效果如圖7和8所示，當(dāng)HC-SR04超聲模塊探測(cè)到與被測(cè)障礙物的距離Distance＜0.01 cm時(shí)，可以聽(tīng)到蜂鳴器刺耳的叫聲。從而提醒皮帶跑偏，需引起注意確保井下環(huán)境的生產(chǎn)安全。

圖7 溫度傳感器的值

圖8 仿真結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文以單片機(jī) AT89C51為核心，在 Proteus 7 Professional中設(shè)計(jì)皮帶測(cè)距系統(tǒng)電路圖，并與Keil μVision4聯(lián)合調(diào)試，成功檢測(cè)煤礦井下的皮帶跑偏現(xiàn)象。在Proteus仿真軟件中，模擬皮帶檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試通過(guò)的電路圖，能夠直接移植到電路板上，進(jìn)行焊接電路搭建，不僅提高了生產(chǎn)效率，而且避免了在真實(shí)電路板上的反復(fù)測(cè)試驗(yàn)證，節(jié)約了人力物力財(cái)力。所設(shè)計(jì)的皮帶檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于實(shí)際生產(chǎn)中的操控，提升了煤礦的自動(dòng)化生產(chǎn)效率。同時(shí)，準(zhǔn)確地檢測(cè)了皮帶跑偏現(xiàn)象，確保了煤礦井下環(huán)境的安全生產(chǎn)。該系統(tǒng)成本低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單靈活，除了應(yīng)用于煤礦井下惡劣環(huán)境中外，還可推廣到機(jī)器人避障、液位深度和倒車(chē)?yán)走_(dá)等領(lǐng)域的測(cè)距。由此可見(jiàn)，本設(shè)計(jì)具有一定的推廣和參考價(jià)值。