超聲波陣列系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

呂耀輝，呂晨暉，余昊，楊文海，鄧周虎，李強(qiáng)

（1.西北大學(xué)，陜西西安，710127；2.西安通大思源電器有限公司，陜西西安，710054）

0 引言

隨著現(xiàn)代建筑樓層的增高，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)、地震等災(zāi)害時(shí)，高樓層居民逃生難度日益增大[1]。若在高樓層安裝智能降落傘，在逃生者使用過(guò)程中對(duì)周圍進(jìn)行障礙物探測(cè)，并智能提醒逃生者如何正確調(diào)整降落方向，將會(huì)大大減輕救災(zāi)壓力、減少傷亡人數(shù)。本文設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距[2]陣列即可用于智能降落傘對(duì)四周障礙物的探測(cè)，并在探測(cè)到需要躲避的障礙物后，在該方位發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示使用者向正確的方位降落。

1 系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)通過(guò)軟硬件組合實(shí)現(xiàn)對(duì)四個(gè)方位的障礙物循環(huán)探測(cè)。硬件部分由四個(gè)超聲波測(cè)距模塊HY-SRF05構(gòu)成探測(cè)陣列，通過(guò)肖特基二極管構(gòu)成的信號(hào)整形電路將探測(cè)陣列的探測(cè)返回信號(hào)整合，作為單片機(jī)一個(gè)I/O的輸入，單片機(jī)通過(guò)以輸入捕獲為核心的程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理，最終向指示模塊發(fā)出控制信號(hào)。系統(tǒng)供電采用5V直流便攜式電池，通過(guò)USB接口為系統(tǒng)供電[3]。

圖1為本系統(tǒng)的功能框圖。

圖1 超聲波陣列探測(cè)系統(tǒng)功能框圖

2 硬件設(shè)計(jì)與制作

■2.1 制作材料

超聲波智能探測(cè)裝置的制作材料包括：PCB板、HYSRF05超聲波模塊、金屬膜電阻器、肖特基二極管、發(fā)光二極管、導(dǎo)線等。

本裝置制作過(guò)程中使用的器材有：電烙筆、焊錫絲、剪線鉗、斜口鉗、鑷子。

本裝置的制作成本在60元左右。

■2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)方案

超聲波智能探測(cè)裝置包括：超聲波探測(cè)裝置、預(yù)警指示燈。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用超聲波探測(cè)模塊。超聲波模塊可通過(guò)電平調(diào)節(jié)探測(cè)范圍，探測(cè)精度達(dá)毫米級(jí)。

2.2.2 電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用四塊超聲波探測(cè)模塊對(duì)外界障礙進(jìn)行探測(cè)，將HY-SRF05超聲波探測(cè)模塊分別焊接于四塊獨(dú)立PCB板。通過(guò)對(duì)I/O口的配置，單片機(jī)向超聲波模塊Trig端輸入一個(gè)脈沖寬度大于10μs的正脈沖信號(hào)，作為超聲波測(cè)距模塊的使能信號(hào)。綜合考慮電子元器件的可靠性與系統(tǒng)的循環(huán)速度，本系統(tǒng)中使能信號(hào)設(shè)置為脈沖寬度為20μs的正脈沖信號(hào)。超聲波測(cè)距模塊收到使能信號(hào)后，向正前方發(fā)射8個(gè)40kHz的方波，并自動(dòng)檢測(cè)是否由信號(hào)返回。若有信號(hào)返回，超聲波模塊Echo端輸出高電平信號(hào)，該高電平信號(hào)的持續(xù)時(shí)間為從方波信號(hào)發(fā)出到接受到返回信號(hào)的時(shí)間[4]。將四個(gè)超聲波測(cè)距模塊的Echo端分別與四個(gè)二極管的正極相連，四個(gè)二極管的負(fù)極并聯(lián)后連接在單片機(jī)的一個(gè)I/O上[5]。系統(tǒng)對(duì)四個(gè)方向循環(huán)探測(cè)，因此對(duì)二極管的開關(guān)頻率要求極高，故信號(hào)整形電路采用多子器件肖特基二極管[6]。將接受到的信號(hào)通過(guò)軟件智能處理，在計(jì)算出障礙物的距離后，判斷障礙物是否處在需要躲避的范圍內(nèi)，當(dāng)判定某方向的障礙物與使用者間的距離小于系統(tǒng)預(yù)設(shè)的距離時(shí)，單片機(jī)通過(guò)I/O口驅(qū)動(dòng)，使該方向預(yù)警指示裝置示警。

在示警裝置中，前、左、右方的示警裝置為發(fā)光二極管，但使用者無(wú)法觀察到身后的發(fā)光二極管是否工作，因此后方的示警裝置使用蜂鳴器。

2.2.3 原理圖設(shè)計(jì)

超聲波智能探測(cè)裝置使用Altium Designer軟件進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 超聲波智能探測(cè)裝置原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

（1）本系統(tǒng)以STM32F103C8T6[7]作為控制模塊，控制程序設(shè)計(jì)包括：主程序設(shè)計(jì)、輸入捕獲程序設(shè)計(jì)、指示模塊I/O口配置程序設(shè)計(jì)。

（2）主程序設(shè)計(jì)：在主程序中，通過(guò)調(diào)用若干庫(kù)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)函數(shù)的初始化，其中包括：利用delay_Init進(jìn)行延時(shí)功能的初始化、設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)分組、串口初始化、利用LED_Init函數(shù)對(duì)用于示警I/O口初始化、使能時(shí)鐘并開啟輸入捕獲。完成以上初始化與相應(yīng)配置后，對(duì)為示警裝置提供控制電平的I/O口設(shè)置初值，即均設(shè)置為輸出低電平，使其處于不工作狀態(tài)，設(shè)置完成后，令程序進(jìn)入while(1)循環(huán)。在循環(huán)中，通過(guò)Read_Distance函數(shù)讀取障礙物距離，并根據(jù)其與設(shè)定值的比較結(jié)果，決定示警裝置控制電平的跳變。本系統(tǒng)的示警設(shè)定值為3.5米。

（3）輸入捕獲程序設(shè)計(jì)：本系統(tǒng)選擇時(shí)鐘通道3作為輸入捕獲的時(shí)鐘通道，根據(jù)芯片手冊(cè)，選擇PB1作為輸入捕獲I/O口。首先使能TIM3時(shí)鐘與GPIOB時(shí)鐘。然后對(duì)時(shí)鐘通道3進(jìn)行配置：設(shè)定計(jì)數(shù)器自動(dòng)重裝值、設(shè)置預(yù)分頻系數(shù)、設(shè)置時(shí)鐘分割、設(shè)置為向上計(jì)數(shù)模式、選擇輸入端IC3映射到TI1上、配置輸入分頻為不分頻、配置輸入濾波器為不濾波，因超聲波模塊每工作一次，Echo引腳電平被抬高一次，故根據(jù)可靠性原則，對(duì)輸入捕獲通道進(jìn)行配置，將其設(shè)置為上升沿捕獲。最后配置中斷：先占優(yōu)先級(jí)2級(jí)、從優(yōu)先級(jí)0級(jí)、使能IRQ通道、使能定時(shí)器3[8]。

對(duì)Echo引腳的高電平持續(xù)的時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，會(huì)存在溢出問(wèn)題，因此，將對(duì)時(shí)間的的測(cè)量轉(zhuǎn)換為對(duì)溢出次數(shù)的計(jì)數(shù)。當(dāng)對(duì)輸入捕獲的狀態(tài)進(jìn)行判斷時(shí)，若判斷為未成功捕獲，則進(jìn)入是否溢出的判斷，若判斷為發(fā)生溢出，則進(jìn)行溢出次數(shù)的累加。最后在計(jì)算障礙物距離的函數(shù)中，需加上溢出的時(shí)間總和。

（4）示警信號(hào)I/O口配置程序設(shè)計(jì)：首先將四個(gè)I/O口的時(shí)鐘使能。本系統(tǒng)中選擇PB7、PB8、PB9、PB10作為示警I/O口。將此通道的時(shí)鐘使能后，依次完成其端口配置、設(shè)置為推挽輸出、設(shè)置I/O口速度為2MHz、利用庫(kù)函數(shù)將數(shù)組內(nèi)容將I/O口初始化，并將其初值均設(shè)置為低電平。

4 測(cè)試結(jié)果

（1）當(dāng)前、后、左、右任意一方向的障礙物距離小于3.5m時(shí)，該方向的示警裝置發(fā)出警報(bào)。

（2）當(dāng)任意兩個(gè)方向同時(shí)探測(cè)的障礙物距離小于3.5m，兩個(gè)方向的示警裝置同時(shí)發(fā)出警報(bào)。

（3）當(dāng)任意三個(gè)方向同時(shí)探測(cè)的障礙物距離小于3.5m，三個(gè)方向的示警裝置同時(shí)發(fā)出警報(bào)。

（4）當(dāng)四個(gè)方向同時(shí)探測(cè)的障礙物距離小于3.5m，四個(gè)方向的示警裝置同時(shí)發(fā)出警報(bào)。

（5）任意一個(gè)方向的探測(cè)精度測(cè)試為1mm，與理論值相同。

綜上，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)四周障礙物的探測(cè)與示警。

5 結(jié)束語(yǔ)

作為智能降落傘的探測(cè)與示警系統(tǒng)，該裝置的精度高，反應(yīng)靈敏度強(qiáng)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，能夠可靠的實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，提示逃生者如何使用降落傘有效避障，能夠有效降低高層居民在災(zāi)害發(fā)生時(shí)的傷亡率。且該裝置價(jià)格低廉，具有良好的實(shí)用性。