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超声波是指振动频率大于20KHz以上的,人在自然环境下无法听到和感受到的声波。超声波的波长比一般声波要短,具有较好的方向性,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常用于距离的测量。本文超声波测距系统选用了600系列智能传感器——615088超声波传感器,温度传感器——DS18B20,微处理器采用了ATMEL公司的AT89C52。本文对此超声波测距系统进行了分析与介绍。
1、超声波测距原理
超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知,测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间,根据发射和接收的时间计算出发射点到障碍物的实际距离。测距的公式表示为“L=C×T”,公式中L为测量的距离长度;C为超声波在空气中的传播速度;T为测量距离传播的时间差（T为发射到接收时间数值的一半）。
2、超声波测距误差分析
从测距公式L=C×T中看出超声波测距的误差由超声波的传送速度和超声波的传送时间引起的。在空气中的传送速度随着温度的上升而加快,超声波在空气中传播速度与温度的变化关系公式表示为“C＝C0＋0.607T”,C的单位是m/s;C0是指零度时的声波速度331.4m/s;T是指实际温度值,单位是℃。在超声波传播速度准确的前提下,测量距离的传播时间差只要达到微秒级,就能保证测距误差小于1mm。使用AT89C52单片机外接晶振频率为12M时,AT89C52单片机的计数器可以方便的计数到1微妙的精度,这样就能保证时间误差在1mm内。通过分析超声波测距误差产生的原因,提高测量时间差到微秒级,以及用DS18B20温度传感器进行超声波传播速度的补偿后,设计的高精度超声波测距系统就能达到毫米级的测量精度。
3、超声波传感器
615088超声波传感器是基于超灵敏的6500测距模块板的增强型600系列50KHz静电传感器,波束角度15°,测距范围15cm～10.7m,该传感器是集发送与接收为一体的超声波传感器,设计紧凑,最小的外部结构以方便连接。615088超声波传感器的简图见图1。
图1 615088传感器简图
图1中J1配线信息:
Pin1——VCC:供电电压＋6V～30VDC,具有100mA电流能力的控制电源,传输过程中具有2A的短脉冲串能力。
Pin2——公共端
Pin3——Echo输出:当接收到回波信号时改变状态。
Pin4——Qsc输出:内部49.4KHz晶振器输出。
注意:只有当INIT信号（Pin5）是高电平时该脚输出。
Pin5——INIT输入:当从低到高的变化时初始化一个传输、接收周期。目标探测期间信号必须保持高电平。
Pin6——BINH输入:高电平时可进行多目标探测。
Pin7——BLNK输入:当发出一个信号后,输入信号为高电平时重置接收器的阀门,这样可进行多回波探测,正常情况下与Pin2脚可连接也可不连接。
可编程跳线——跳线安装后内部5Hz重复率,消除外部INIT输入。
615088超声波传感器里面有一个圆形的薄片,在其背后有一个铝制的后板,两者构成了一个电容器,当给薄片加上为49.9KHz、电压为300AVC pk-pk的方波电压时,薄片以同样频率震动,从而产生49.9KHz频率的超声波。当接收回波时,传感器内有一调谐电路,使得只有频率接近49.9KHz的信号才能被接收,而其它频率的信号被滤掉。超声波传感器加电后,INIT信号由低电平变高电平前必须至少经过5毫秒,在此期间,所有内部电路被重置、内部振荡器稳定。当INIT输入低电平变为高电平后启动传感器发出一串超声波束,只有待发射结束后才能接收被检测物反射回的回波。超声波存在固有的阻尼振荡（振幅逐渐变小的振荡）,也就是说传感器发射结束后还留有一定余震,同样可以产生振荡信号,扰乱了系统接收返回信号的工作。如果要减少阻尼振荡时间,那么要在INIT启动传感器发射超声波波束后2.38毫秒再将BINH输入低电平变为高电平,这样启动系统进行回波的接收就不会受到影响。INIT变成高电平和Echo输出变成高电平之间的时间同传感器与测量目标之间的距离成比例的。如果需要,当准备下一次重新发射一串超声波的时候可以返回一个低电平的INIT然后再使它变为高电平,这样就可以使周期重复。
4、温度传感器
为了提高测距的精度,考虑到超声波在空气中的传播速度与温度的变化关系,设计采用DS18B20数字温度传感器对温度进行补偿。DS18B20是单线接口,仅需一根信号线与CPU进行通讯;传送串行数据,不需要外部器件;可以直接以9位的数字量读出;温度数字量转换时间200ms（典型值）;测量温度范围从－55℃～＋125℃,精度±5℃。DS18B20温度传感器的引脚排列见图2。
引脚说明:
GND——公共端口,接地。
DO——数据端口I/O
VDD——电源端口,接＋5V
图2 DS18B20引脚排列图
5、AT89C52单片机
本系统采用AT89C52对615088超声波传感器、DS18B20温度传感器的控制来实现测距模块系统。超声波测距模块电路见图3。
图3 超声波测距模块电路图
通过对石英晶振分频产生172.8KHz的计数脉冲。AT89C52单片机通过引脚P1.0来控制超声波的发送,然后单片机不停检测INT0引脚,当INT0引脚由高电平变为低电平时认为超声波已经返回。计数器停止计数,计数器的所计的数据就是超声波所经历的时间;DS18B20温度传感器检测出实际温度值,通过换算就可以得到传输之间的距离。
6、系统软件设计
系统程序流程由主程序、定时中断子程序和外部中断子程序构成,具体流程如下:
(1)主程序:
(2)定时中断服务子程序:
定时器中断入口定时器初始化发射超声波启动计数器,开始计数延迟2.38ms开启外部中断返回
(3)外部中断子程序:
外部中断入口关外部中断,关闭计数器读取计数器数值温度补偿计算距离开外部中断返回
工作时,AT89C52单片机把P1.0由低电平置成高电平,启动超声波传感器发射超声波,同时启动内部定时器T0开始计时。本系统采用的615088超声波传感器是收发一体的,在发射完一串超声波后还存在阻尼振荡,因此在启动发射信号后延迟2.38ms才可以检测返回信号,这样就可以避免余震的干扰。超声波信号接触到被测物时信号立即返回,微处理器不停的扫描INT0引脚,如果INT0接收的信号由低电平变为高电平,则表明超声波传感器接收到了返回波,微处理器进入中断关闭计数器,读取计数器的数值。通过温度传感器采集实际数据对超声波传播速度的补偿,同计数器中数值一起经过换算就可以得出超声波传感器与被测物之间的距离。
7、结语
由于超声波易于定向发射、强度可控、与被测量物无需直接接触的优点,是作为测量距离的理想手段。本文介绍的采用AT89C52单片机微处理器、615088超声波传感器测距和DS18B20数字温度传感器温度补偿进行距离的测量硬件电路简单,电路制作方便、可靠,成本经济,测得的数据精度高,误差小。
参考文献
超声波是一种弹性波，它具有X射线以及光波和磁波等诸多波线所不具有的功能特点，正是基于超声波的应用灵活性与技术要求性高等特点，人们将其制成超声波传感器进行工业实践与应用。
一、超声波传感器概况
1.1超声波及其原理
物体机械振动状态的传播形式就是声波，而超声波主要是指声波频率在20000Hz以上的声波形式。由于这种声波每秒钟的振动频率较高，因此大大超出了人耳所能承受的听觉范围。超声波按照其在机械振荡过程中的不同表现形式，可将其分为纵向与横向两种振荡波[1]。而在我国现阶段的工业实践中，主要应用的是纵向振荡波，与可听声波相比，超声波具有独特的传播特征，其衍射能力较强，而且在均匀的传播介质中可以进行直线传播。一般情况下，在同等强度条件下，声波的频率与功率具有正相关性，声波频率越大，其传波的功率就越大。因为超声波要比一般声波频率更大，所以其在运行传播时的功率也较大。由于超声波具有诸多优点，因此在不同环境下得到了广泛应用与实践。
1.2超声波传感器的特点
超声波传感器是利用超声波的上述优点研制而成的一种数字传感器，以超声技术为核心、超声传感装置为载体，进行超声波传输与接收。通常情况下，超声波传感器又称为超声换能器及超声探头。超声波探头主要由压电晶片构成，其不但可以接收超声波，而且可以发射超声波。因此在超声探头中，核心运作组件就是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。这种压电晶片通过具有磁致伸缩作用的镍铁铝合金材料与具有电致伸缩作用的压电晶片材料制成。采用压电晶体材料构成的超声波传感器是具有可逆功能的一种数字化传感器，在其运行过程中可将机械设备的电能转化为机械能，从而在不同能量转化过程中产生超声波。与此同时，超声波传感器可接收超声波，从而将机械能转化为电能[2]。因此，按照超声波传感器的实际工作运行原理，可将其分为超声波接收器与超声波传输器。
二、超声波传感器的具体应用分析
首先，超声波传感器可在远距离传输过程中得到运用。通过上述分析可知，超声波传感器主要由处理单元模块及超声换能单元模块、输出单元模块所组成。在具体应用过程中，处理单元模块可对超声换能器进行电压激励，从而使经过激励后的电压以脉冲形式发出电磁波。随之，超声换能器转入接收状态，处理单元模块对接收到的超声波脉冲进行科学分析，以此判断其接收到的信号是否是超声波的回声[3]。如果经过核实，其所接收到的信号是超声波回声，则对超声波的声波传输时间进行测量分析，按照行程测算结果，对反超声波的行程时间进行测算分析。在具体应用过程中，可将超声波传感装置安装于适当位置，并对被测物体变化方向发射的超声波进行分析，就可测量物体表面与超声波传感器之间的实际距离。
其次，超声波传感器可在医学领域进行广泛应用。目前，超声波在医学领域中的实践应用，主要体现在患者临床疾病诊断方面。随着这项技术不断成熟，超声波传感器诊断已成为我国现阶段医学领域中的一种重要诊断方式。在实际运用过程中，利用超声波进行疾病诊断的主要优点是受检者无明显的疾病痛苦，而且实践操作过程非常简单、无损害、无创伤，诊断过程中有较为清晰的显像，尤其是诊断精确率较高。
另外，超声传感器在测量液位中具有重要作用。在液位测量过程中，超声波的使用原理是，通过超声波探头发出超声脉冲信号，其在空气中进行广泛传播。当传播过程中遇到空气与液面之后，就会被被测液体的液面反射回来，此时技术测量人员可根据反射回的信号测算时间与距离，从而得到液面实际高度。在液面测量中，超声波传感器测量技术属于非接触式测量，因此测量过程中电磁干扰小、不易受到刺激性液体腐蚀，且测量结果稳定，设备使用寿命较长。
除此之外，超声波传感器可在测距系统中得到应用实践。采用超声波传感器进行距离测算，不但可以科学测量设备输出脉冲的宽度，而且可以测量脉冲波的具体运行时间。因此，测量精度较高，并可对测量结果与测量过程进行修正。
结束语：综上所述，超声波传播方向性较好，因此能够集中进行传播；同时，超声波的传播适应能力较强，其能够在不同传播媒介中进行科学传播，而且能够实现远距离传播；再者，超声波与传声媒介的相互作用适中，而且在传波过程中容易携带有关传声媒介状态的信息。因此，基于上述应用优点，其在我国诸多技术领域已得到广泛应用与实践。
参 考 文 献
伴随着我国烟草制造行业的不断发展进步，卷烟产品的品牌竞争不断加剧，卷烟产品的包装也随之不断创新。好的烟草包装不仅能表现出烟草品牌的内涵与文化，也为烟草品牌的扩张发展提供了支持。国内外学者相关研究表明了当前卷烟厂商同卷烟消费者二者之间沟通交流的渠道呈现出越来越少的趋势，在厂商消费者缺乏足够沟通交流的情况下卷烟包装对于塑造烟草品牌的重要性就不言而喻了，特别是对于新兴烟草厂商来说大力推行商标战略，为企业的烟草产品设计并包装上品位高端的外包装更是动摇老牌烟草企业霸主地位的利器。而老牌烟草企业在烟草包装的竞争中也没有示弱，老牌烟草厂家业不断开展烟草产品包装的设计研究，同时不断增加包装机设备的维修、改造与更新投入。客观上来说，我国烟草产品从技术主导走向品牌、商标、包装主导是烟草行业总体营销水平进步的表现，也是烟草产品企业迈进品牌主导市场阶段的必经之路。
一、我国烟草包装机应用的现状
我国的烟草包装工业起步于20世纪中期，自改革开放以后更得到了快速发展，逐步建立并形成了包括烟草包装材料、烟草包装工艺和烟草包装机械一系列生产环节在内的完整而独立的烟草包装工业体系。据相关行业调查分析表明，包装机械的使用最为广泛的行业依次为食品产业、饮料产业、家庭用品与化妆品产业、医疗用品和烟草业。具体来说，烟草产业作为我国包装机械的最大使用行业之一，几乎所有的包装机机型、机种均在烟草产品的包装中得到了使用。正是由于我国烟草产业每年推出成千上万种新型产品，从而加快了包装机械的更新换代，因此我国烟草厂商所需要的烟草包装机械需求速度始终处于领先位置。烟草产品包装工业日新月异的发展环境迫使烟草厂商不断加大烟草产品包装的新陈代谢，也让厂商面临烟草包装机维修改造的现实问题。
二、超声波传感器在烟草包装机维修改造中的运用
烟草行业早期包装机维修改造大多采用的是电容式传感器来检测胶位，近年来随着微电子技术的发展特别是超声波传感器的问世，烟草行业包装机逐渐开始普及运用超声波传感器来检测胶位，从而大大提高了包装机维修改造效果的稳定、可靠。超声波传感器是基于超声波传导的特性而研制的传感器。超声波同一般声波相比具有更短的波长，因而具有更好的方向性，由于超声波能产生一种振动频率比声波更强的机械波，这种机械波是通过换能晶片在电压的激励下产生振动激起的，这种机械波具有高频率、短波长和产生绕射现象频率低的特性，特别是具有方向性好、能够成为射线从而定向传播的特点。更加难得的是，超声波能够透过透明不透明物质，尤其是对液体、固体穿透的本领特别大，研究表明超声波在阳光下对不透明的固体穿透实验中，超声波能够穿透达几十米的穿透深度。[1]
Baumer超声波传感器是精密传感器的代表，较同类传感器而言Baumer超声波传感器在生产的精度、可靠性、稳定性方面具有其它超声波传感器无法比拟的优势。过去由于超声波技术发展条件的限制，许多超声波技术因为无法深入的探测到物体组织的内部而受到了质疑，而Baumer超声波传感器的出现带来了技术上的革新从而改变了这种状况。在未来的超声波传感器在烟草包装机维修改造的应用实践中，超声波技术将结合信息技术和新材料技术，从而研究出更多的具有高智能化、超灵敏度特点的超声波传感器。
Baumer超声波物位计测量技术的检测原理：Baumer超声波物位计测量技术运用了超声波传导的声学特性，即在一定的条件下超声波在空气中传播的速度的波动是很小的，所以可以通过计算测量超声波从发射探头传播至需要检修料位表面并返回到发射探头所用的时间，来求得发射探头到需要检修的料位的距离，再用总高来减去这个测量距离就可以得到实际料位值。也即是：
上述公式中，H表示零料位到探头的距离长度；h为料位的表面到发射探头的距离长度；T表示时间；C0表示零摄氏度时超声波在空气中发射传播的速度；α则表示超声波运行速度的温度系数；t表示温度。
近年来，烟草生产厂商不断引进运用于高速包装机检测的小盒胶缸胶位检测技术，该检测采用了瑞士Baumer公司生产的UNDK 30U611.3/S14型号的超声波传感器，大大提高了烟草包装机维修改造效率，Baumer超声波传感器的控制过程是这样的：超声波传感器检测输出值通过压频转换器送给CPU，CPU通过逻辑运算把采集到的实际值与软件内部设定值进行，然后决定是否开始对胶泵注胶，以及注胶到什么位置停止，以及决定超出上下限是否自动报警停机等，同时CPU不断比较超声波当前输出值是否在“胶泵注胶上限值”和“胶泵注胶下限值”之间，否则会报警并提示“胶位读取不协调”故障。[2]
Baumer超声波传感器的设定及调整
（1）该传感器设定方式有两种：一是0～10V，二是10～0V，这里使用的是0～10V工作方式（由软件编程自动选择）。
（2）拔下Baumer传感器电源插头，重新接上电源插头以恢复出厂设置，按下Teach-in按键2秒钟，双色LED灯开始发出黄色或红色灯光时则可以释放按键。
（3）取一张盒皮正面朝下，压住弹簧以使盒皮背面最大限度接近传感器，接着按下Teach-in按键（设定为0V）。
（4） 将盒皮背面放置在胶缸的导轨上，接着按Teach-in按键（设定为10V）。
（5）当2个LED亮灯持续时间大于2秒钟，表示按下Teach-in过程结束。
（6）软件参数调试：粘胶水平理想水平可以设定为5000mV上下，粘胶水平最低临界值可以设置为5500mV上下，粘胶水平的最高临界值可以设置在4500mV上下；最佳位的变化一般设置为50～100mV；胶位偏差与涂胶器接近值一般设置为500～1000mV。
三、结论
由于过去我国烟草制造商在烟草包装机维修改造工作中缺乏科学严谨的组织体系和管理手段，往往造成烟草包装机维修改造工期过长，工程质量也无法得到保障，一定程度上对烟草制造商的经济效益产生影响。为了改变这种状况我们利用现代科学技术在卷烟包装机大修理工程中推行Baumer超声波传感器检测技术。实践表明，Baumer超声波传感器是维修工作中实施统筹和控制，缩短维修工期，使烟草包装机组能够早日投入生产，是提高企业经济效益的有效手段。同常规检测方式相比它的智能化更高，技术更先进，稳定性更好，使用方法简单易行，能带给用户极大的方便。
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1009－2374(2009)12－0032－02
一、智能型超声波传感器简介
随着科学技术的发展，超声波技术比较成熟，已广泛应用于众多领域的无损检测和无损探伤。超声波液位传感器为非接触式测量仪器，已用于石油化工、水利水电、农田灌溉、环境检测以及自来水厂、污水处理厂等众多部门的液位、水位的测量。
日前，在石油化工及建筑等域内常用的液位传感器有：旋转编码式传感器(机械式)、磁浮子接点式传感器、压电式传感器、非接触式传感器，其分辨率从毫米级到厘米级，测量范围从几十厘米到几十米。除了磁浮子接点式传感器外，其余传感器均比较适合测量范围较宽的应用场合。一般压力式和超声波传感器均带有变送器，将液位信号转变成标准的电流信号(4～20mA)。旋转编码式传感器分为机械式和光电式两种，这类传感器输出通常为并行二进制码、串行二进制码或脉冲信号。除智能型一体化传感器(压力式或超声波)外，一般没有就地显示和数字通信功能。在这些传感器中，超声波液位传感器是一种非接触式的测量仪器，在测量过程中无任何部件触及被测物质，所以无论液面是流动、波动或是有漂浮物以及有化学反应等都有应用，且与被测介质的压力、温度、密度、腐蚀性无关，适应范围广，可用于工业原料液位、河面水位等的测量。相比较各种测量方法，超声波测量方法有很多其它方法无可比拟的优点，该液位计成本低，性能稳定，测量精度高，换能器寿命长，使用方便，是非接触测量的理想仪器。
其特点如下：
1 测量精度高。
2 响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量。
3 非接触测量，性能稳定可靠，对液体的物理化学性质的适应性极强，不怕酸碱等强腐蚀性液体等。
智能型超声波液位传感器是在超声波液位传感器的基础上，使用微处理器作为控制核心而研制开发的，具有传统超声波传感器所不具有的特点：
1 测量精度高。测量精度取决于智能传感器控制芯片的计数频率，通过修改计数频率可以修改测量的精度，另外，传感器的测量精度与温度有直接的关系，该智能型超声波传感器可进行温度补偿，提高了测量的精度。
2 具有诊断功能。可以设定超声波在1秒钟接收有效回收次数，若未收到该次数的有效回波，认为接收或发送系统异常，给出异常信息。
3 具有计算、补偿功能。采用一定的算法，将各次测量的结果排序，取中间的一些数值，求其平均值，并将温度值进行补偿计算。
4 具有强大的通讯功能。液位信息为数字量，将数字量转变成4～20mA模拟量输出，模拟电流量有利于传输，抗干扰能力强；将液位信息通过异步串行通讯传给上位机；以太网数据传输，实现远距离传输液位信息。
综上所述，智能型超声波传感器是将单片机、嵌入式系统引入仪表，开发出的智能型传感器，它突破了传统传感器的单一功能，具有自动测量、高精度、功能扩展容易、与外部通讯强大的功能，完全能适应工业控制体系的网络化、集成化、智能化发展的要求。
二、智能型超声波传感器的主要结构
(一)硬件构成
智能型超声波传感器主要由液位信息采集电路、控制单元、键盘输入接口电路、LCD显示接口电路及与外部通讯接口电路五部分构成。其结构原理如图1所示：
1 液位信息采集电路包括超声波发射和接收电路、温度传感器。其中温度传感器嵌入在微处理器内。
超声波发射电路主要由微分电路和驱动电路组成。CPU发出的脉冲信号经微分电路变成标准的脉冲信号，然后通过可控硅去控制600V的高压，形成高压脉冲。高压脉冲驱动超声波探头，探头把电能转换成机械能，产生超声波。超声波脉冲信号接收电路包括接收信号的限幅、放大、比较、单稳态触发等环节，形成一个窄脉冲信号。超声波传播速度受温度的影响，精确的测量需要温度补偿。在MSP430内嵌入温度传感器，利用内部热敏二极管测量温度。MSP430温度传感器所测电压v和实际温度T的关系：
V=0.00355×T+0.986
MSP430的ADC12内核是一个12位的模数转换器，能将结果存放在存储器中。该内核使用两个可编程的参考电压(VR+和vR-)定义转换的最大值和最小值。输入模拟电压的转换结果NADC满足公式：
NADC=4096×(Vin-VR-)／(VR+-VR-)
MSP430具有ADC12内嵌温度传感器，若设置ADC12的内部参考电压为2.5V，输入模拟电压的转换结果NADC满足公式：
NADC=4096×T／2.5
2 控制单元：MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年推向市场的超低功耗的混合信号处理器。该系列单片机具有16位CPU通过总线连接到存储器和模块，直接嵌入仿真处理，具有JTAG接口，能够降低功耗，降低噪声对存储器存取的影响。MSP430系列单片机包含以下主要功能部件：
(1)CPU：MSP430系列单片机的CPU和通用微处理器基本相同，只是在设计上采用了面向控制的结构和指令系统。MSP430的内核CPU结构是按照精简指令集和高透明的宗旨设计的，使用的指令有硬件执行的内核指令和基于现有硬件结构的仿真指令。这样可以提高指令执行速度和效率，增强了MSP430的实时处理能力。
(2)存储器：存储程序、数据以及模块的运行控制信息，有程序存储器和数据存储器。对程序存储器访问是以字形式，而对数据可以用字和字节方式访问。其中MSP430系列单片机的程序存储器有ROM、OTP、EPROM和FLASH型。
(3)模块：经MAB、MDB、中断服务及请求线与CPU相连。
3 键盘输入接口电路和LCD显示接口电路构成人机交互接口电路，智能型传感器通常都有液晶显示和手动操作按钮，LCD显示器显示液位数据信息，按键输入用来选择工作模式。
4 与外部通讯接口电路主要包括三种通讯方式，即4～20mA电流环接口、异步串行通讯接口、以太网数据传输接口电路。
(1)4～20mA电流环：在要求智能传感器具有高精度的电流变送要求时，低功率、高精度的元器件的选用是研制智能传 感器不可缺少的一部分，一般情况下选用高性能数模转换器AD421。利用AD421将液位信息转变成4～20mA的模拟量。
(2)RS－232串行通讯：串行通信只需较少的端口就可以实现单片机和Pc机的通信。串行通信由两种方式：异步模式和同步模式。MSP430F44X系列都有USAHT模块来实现串行通信，使用MSP430F449的USART0模块通过RS-232串口来接收或发射数据。
(3)以太网数据传输：嵌入式以太网可以通过Ethemet将信息传输距离无限扩展，而基于底层的以太网协议是由以太网控制器来实现的。
(二)软件构成
智能型超声波液位传感器程序由三部分构成：采集液位信息程序，发射与接收超声波，测量当前温度，计算液位值；人机交互程序，包括按键处理程序和液晶显示程序；与外部通讯程序，包括异步串行通讯程序、4～20mA两线制电流变送程序和以太网数据传输程序。该软件系统设置了三种工作模式，由按键选择并引发中断，进入不同的工作模式，完成相应的功能。本系统设置3种工作模式：若按键normal按下，进入normal工作模式；若按键web按下，进入web工作模式；若按键AD eoDvert按下，进入AD eonvert模式。软件流程框图如下：
1 normal工作模式。采集液位信息，将液位值由液晶显示，采用异步串行通讯方式向上位机传送数据。
2 web工作模式。采集液位信息，将液位值由液晶显示，以太网传输数据。
3 ADconvert模式。采集液位信息，将液位值液晶显示，4～20mA电流环向上位传送信息。
主程序不是无休止的循环，通常处于休眠状态。由按键触发中断，进入中断处理程序，中断处理完毕后再次进入休眠状态。
中图分类号：TB486 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）01-0026-01
1 引言
在卷烟包装生产过程中，胶位控制系统一直是困扰生产效率提高的重要环节。目前，烟草企业的包装设备中主要机型为GD包装机，该机型胶位检测传感器设计为电容传感器，是开关量输出模式，机器在生产过程中受环境因素影响有时会出现误动作，严重影响产品质量和机器的生产效率。
2 系统原理
超声波可在不同介质中以不同的速度传播的特性，超声波具有定向性好，能量集中，在传输过程中衰减小，反射能力较强等特点。对胶位控制系统的进行新型设计，采用超声波传感器元件，超声波传感器可广泛应用于非接触式检测，不受光线，被测物颜色等的影响，它不仅能够定点和连续测胶位，这种特性对胶位检测不受生产环境因素干扰非常有益。与其他测位技术相比较，它不需要特别防护，安装维修较方便，而且结构方法都较简单，经济效益显著。胶位控制设计采用超声波液位测量技术，运用超声波脉冲回波方法，由发射传感器发出超声波脉冲，传到液面经反射后返回接收传感器，测出超声波脉冲从发射到接受所需的时间，根据媒介中的声速，就能得到从传感器到液面之间的距离，从而精确测定胶位高度。
3 胶位控制方案
3.1 系统的设计
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到使用要求。另一方面在工作中，超声波传感器有着优越的抗干扰性与工作的稳定性，故选择超声波传感器代替原设备的电容传感器进行测量物体间的距离。
在数据处理方面，本文设计采用PLC作为控制器（如图1示，系统软件设计的总框图），针对超声波传感器的测量结果进行处理，用触摸屏进行显示和设定。超声波传感器的输出信号是0―10V，接入PLC的模拟量输入模块中经处理转换为液面高度显示在人机界面上。
3.2 系统的控制
系统的控制主要完成显示液面高度、设定报警区间和注胶时间功能控制模式（如图2示，系统控制模式）。区间设定是根据实际情况设定，保证涂胶量符合生产工艺要求，通过液面高度和注胶高度的比较来判断是否注胶，液面高度情况还能反映元器件是否损坏。超声波传感器的测量结果可以实现供胶的闭环控制，随机器速度的变化控制增加与减少供胶量，胶位液面可以设定高低位报警功能，能够实现以数字的形式显示测量距离。
3.3 元件的x择
系统设计采用UNDK系列超声波传感器，这类型传感器检测范围为30―250mm，分辨率小于0.3mm，声波频率为300KHZ，响应时间小于50ms。其参数基本特点符合设计要求，能够达到控制的精度和要求。
4 结语
DOI：10.15938/j.jhust.2016.04.009
中图分类号：TP274.5
文献标志码：A
文章编号：1007-2683（2016）04-0045-05
0引言
近年来，由于超声波检测技术应用在风速测量中，相较于机械式、热式等测量方法非接触，无磨损，测量速度快精度高，维护成本低等使研究利用超声波进行风速测量成为了一个较为热门的课题现阶段国外对该技术的研究已经较为深入，而国内在研究将超声波用于风速测量方向上正处于快速发展阶段，国内对于利用超声波对一维或二维风速的理论研究成果较多，而对三维风速测量的理论研究成果较少，同时，现有的研究采用超声波测风速理论均采用时差法，由于该方法需要用间歇式脉冲来驱动超声波传感器，因此时差法避免不了超声波传感器本身存在的起振余振的问题，虽然有许多这方面的研究，但这些研究较多依赖于DSP及CPLD等高速器件，且没能从根本上解决问题，针对时差法的问题，本文研究了一种基于相位差的超声波三维风速测量方法，该方法采用连续驱动超声波传感器的方式，避免了超声波传感器本身存在起振余振的问题且电路成本较低，无需高速器件即可实现对风速快速、准确测量，
1.相位差超声波三维风速测量基本
原理
超声波三维风速测量技术基于向量空间投影分析法，采用此技术的重点是准确获得声波上承载的流体信息以及向量的空间分解与合成，超声波时差法测风速基本原理是通过测量同等声程下超声波脉冲顺风和逆风传播时间差来反映风速，如图1所示，由超声波发射探头发射一组超声波脉冲，从发射激励脉冲到接收到第一个脉冲的超声波传播时间为f，则t=L（V0±v）式中三为传感器之间的距离，V0为无风时超声波的传播速度，v为风速，根据该公式可以求出风速v，这便是时差法原理，
然而，驱动脉冲发射过程中，超声波换能器晶片将经历受迫振动、平衡振动和衰减振动3个状态，并且接收超声波过程中，由于压电晶体具有一定的振动惯量，接收到超声波后，振幅是按照指数曲线增加的，要经历几个周期才能饱和，而且当发射信号结束时，晶片还要保持几个或十几个周期的余振，因此很难准确判断超声波到达以及结束的时刻，而本文的相位差测量方法则将时间差转换为相位差，运用该方法超声波传感器一直处于连续的工作过程中不存在间歇式的脉冲驱动，因此相位差法避免了超声波传感器起振余振的问题，相对于时差法相位差法具有电路成本低（不依赖高速器件）、软硬件易于实现等优点，本文超声波三维风速测量传感器配置形式设计为正四面体结构，其中四个收发一体的超声波传感器分别位于正四面体的四个顶点，配置形式如图2所示，
某一时刻，假设风秽沿某一角度吹到传感器结构上（如图2），根据三维空间向量投影关系，只要求得v在正四面体任意两个面上的投影向量，根据该投影向量写出投影面方程，联立投影面方程便可求出风速v。
2.任意面风矢量合成算法
风矢量（面分量）可以由如下步骤计算：由硬件电路控制四个收发一体的超声波探头轮流收发一个周期，这时可以获得风矢量在每个面三角形上的分量在各面三角形边上的分量大小，根据各边上的分量进行合成，便可求出风矢量在每个面三角形上的分量。
【中图分类号】G 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2017）03C-0189-02
随着汽车的普及以及汽车价格的平民化，汽车已经成为很多家庭的标配，然而伴随着出行方便的同时，停车问题却变得严峻起来。汽车数量的增多使得停车空间越来越小，在狭小的空间停车常常令有车一族无所适从，即使是经验丰富的司机也难免会在倒车时因为视线盲区等各种原因发生刮蹭。因此，辅助倒车系统成了很多品牌车型必备配置，也是许多车主必选的一项加装设备。
一、倒车防撞预警系统工作原理
倒车防撞预警系统也称为泊车辅助装置，俗称倒车雷达，是汽车在倒车或者泊车时的安全辅助设备，可以通过声音、数字、图片、影像等方式告知驾驶员汽车四周围障碍物的情况，帮助驾驶员解决倒车、泊车时障碍物可能引起的干扰，扫除视线模糊和视野死角的缺陷。
现有的倒车防撞预警系统多采用波型信号探测距离实现。发射一种波型或信号，当该波型或信号遇到障碍物时会反射回来，由此得知是否有障碍物及障碍物与车的距离。超声波是一种能量消耗缓慢、传播距离远的波，它可以在不同天气状况下使用，不易受外界条件如光线、烟雾、电磁等的影响，并且原理简单、易于实现，可靠性好，成本低廉，因而广泛应用于各种倒车雷达中。
系统发出超声波，超声波遇障碍物后反射回来，若超声波的传播速度为v，系统发出超声波和收到超声波的回波的时间间隔为t，则根据公式可计算出障碍物与汽车之间的距离。在空气中传播时，声波的鞑ニ俣然崾艿绞度、温度、气压等因素的影响，其中温度对声波速度的影响最大，若要进行温度补偿，其关系为。一般情况下，倒车防撞预警系统不需要精确到毫米级别，故可不进行温度补偿。
二、现有倒车防撞预警系统的缺陷
目前国内做倒车雷达的厂家很多，但是性能都不是很理想，主要表现在盲区较大和精确度不高。
（一）探测盲区过大。倒车防撞预警系统工作时，是由超声波传感器发出超声波的，它发出超声波时能量并不是均匀分布，垂直于传感器表面中轴线位置的声射线能量最强，中轴线左右两侧等其他方向上的声波能量逐渐减弱。自发射源到照射目地的展开面积大小的参数我们用波束角来表示，它指能量密度达到峰值能量密度一半处的锥形宽度。在这个锥形宽度内的障碍物能够比较有效的探测到，而在这个锥形宽度之外波能量过于分散，无法产生有效的回波，也就无法较准确的探测出障碍物。一般的超声波传感器采用波束角。
为了解决这一问题，倒车雷达都采用了增加传感器数量的方式来实现。传感器数量的增多的确可以减少部分盲区，如图1分别为用2个传感器和用4个传感器的探测范围，白色部分代表盲区。现有倒车雷达多采用4个传感器来探测，但仍然有较大盲区，而一味地增加传感器数量容易造成传感器相互间的干扰，也会增加成本，故通过增加传感器数量的方法并不是解决盲区过大的最佳方法。
（二）探测指向性不强。通过上图可以看出，只要是在超声波探测范围内出现的障碍物都可以被检测到，但这个障碍物具体在哪个位置却检测不出。根据超声波测距原理可知，超声波遇到障碍物后反射回来，我们可以知道障碍物与汽车的距离，但这个测得的距离并不一定是传感器正前方的障碍物的距离，以这个距离为半径，以传感器为圆心的范围内均有可能出现障碍物，故这个距离没有明确的指向性。增大波束角可以减小盲区，但波束角越大指向性越不明确。
三、高精度倒车防撞预警系统的设计
为了解决现有倒车防撞预警系统的缺陷，本设计对现有倒车雷达系统做了一些改进。
（一）系统结构及工作原理。本设计包括以下模块：超声波发射模块；超声波接收模块；用于控制发出、接收及处理超声波数据信号的单片机；用于数码距离显示和障碍物方位显示的显示模块以及用于提醒驾驶员的报警模块，如图2所示。单片机的输出口分别与超声波发射模块、显示模块、报警模块连接，单片机的输入口与超声波接收模块连接。超声波发射模块包括超声波发射传感器和三级放大器，单片机的输出口与三级放大器连接，三级放大器与超声波发射传感器连接。单片机采用C8051F330，内部自带有温度传感器、内置AD、DA和比较器。超声波接收模块为PVDF超声波接收器。显示模块为LCD液晶显示屏。报警模块为语音报警器，当障碍物与汽车距离小于设定的安全距离时，发出报警。
其工作原理为：倒车过程中若遇到障碍物，单片机产生的脉冲经过三级放大器后传递给超声波发射传感器，超声波传感器利用压电特性，间断以频率40 KHz的电压激发压电片，该压电片将电能转换成机械能并发射出去。遇到障碍物后返回，PVDF超声波接收器将所接收到的微弱声波振动信号转化成为电信号，传送到单片机计算出汽车与障碍物的距离并通过显示LCD液晶显示屏显示出来，报警模块根据设定的距离提供不同的语音报警。
（二）采用小波束动态扫描。要解决探测盲区过大和探测指向性不强的问题，达到高精度判断障碍物位置，关键要改进的是超声波传感器的扫描方式。要减小盲区，需要使用大波束角进行扫描；而要指向性明确，却需要小波束角进行扫描，可见波束角的选择在减少盲区和指向性明确这两个目的上不能很好地统一。本系统在设计时为了使波束角的选择既能够兼顾指向性，又不增大盲区，选择小波束角结合动态扫描的方式进行障碍物的探测。
在设计中选择波束角为5°的小角度波束角，目的是为了使探测能有指向性。波束角减小以后传感器探测到的范围大大减小，当探测到障碍物时不但可以知道它与汽车的距离，还可以知道它的方位。若只是用小波束角进行扫描，必定会因扫描范围过小而产生很大的盲区，故本系统设计将小波束角扫描与动态扫描相结合来进行扫描，也就是让超声波传感器在不同的方向上动起来。实现方式是让超声波传感器用步距角为7.5°的步进电动机来驱动，每个周期共驱动20次，这样每个周期传感器的探测角度总共为150°，能够实现数量较多的小波柬角传感器密集阵列，可以极大减小盲区。
其工作情况如下：在每个扫描周期中，超声波传感器在初始位置处完成一个5°的扫描，步进电动机转动7.5°，然后传感器完成第二个5°的扫描，步进电动机再次转动7.5°，如次反复转动20次，超声波传感器一共会在21个不同的方向上进行探测，可以得到21个连续的探测信息，有效探测范围总共为150°。如图3所示。因为探测范围被细分成了21个方位，所以当发现障碍物得知其距离时，结合当前的扫描角度就能够得知障碍物较为精确的方位，提高了探测精度。步进电动机在每次转动时，传感器有两个方向上的探测，故传感器的探测角度为5°×2=10°，这个角度大于步进电动机的转动角度7.5°，所以每次的转动并不会产生未被扫描到的遗漏区域。
（三）系统响应时间。小波束角结合动态扫描的方式很好地解决了以往倒车防撞预警系统盲区大和指向性不明的缺陷，但因为这种扫描方式在每个周期中要扫描21次，总共花费的时间比以往要长一些。为了使系统的响应时间快，本设计同时采用了30°波束角单次扫描与5°小波束角动态扫描两种超声波传感器。汽车尾部的4个超声波传感器，有两个采用30°波束角单次扫描方式来探测，有两个采用5°小波束角动态扫描方式来探测。汽车后视镜可以辅助看到一些倒车情况，故汽车尾部两侧的超声波传感器采用30°波束角单次扫描，汽车尾部中间的超声波传感器采用5°小波束角动态扫描来减小盲^，两种扫描方式相互协调相互补充。除了硬件设计方面，软件编程上也对系统处理时间进行了优化。
总之，本设计采用了传统单次扫描与小波束角动态扫描相结合来完成障碍物探测，提出的小波束角动态扫描有效地减少了盲区，同时能够探测出障碍物的大致方位，极大地增强了探测精确度，能够对倒车防撞起到很好的辅助作用。
【参考文献】
[1]宋伟，潘仲明，孔雅琼，等.小波束角超声测距仪的研制[J].计算机测量与控制，2008（4）
[2]刘海峰.汽车倒车雷达系统全接触[J].汽车电器，2007（12）
[3]肖炎根.基于单片机超声波倒车雷达系统的设计[J].电子元器件应用2008（7）
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）35-0238-02
当今社会测距是很普遍也很重要的问题，许多场合下需要准确、迅速、实时的测距。例如盲人在行走的过程中，需要一个装置来检测前方有无障碍物，在距离障碍物距离过近的时候必须可以报警；又如汽车倒车的时候也需要检测车尾与车库的距离，在危险距离的时候可以报警，使车主可以及时刹车，避免发生事故；再如一些的门口也需要测距的装置，当有人靠近的时候，会发出警报，使该区域的安全性得到保障。目前，测距的方法很多，如红外检测具有造价低、安全性能好、制作简单等优点；缺点是检测精度低、实用性低。由于超声测距是一种非接触式检测，其抗干扰能力较强，如光源、气候对超声的干扰都比较小，相比于其他的技术更精确，更安全。同时，超声测距具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。基于这一现状，本设计选用超声波来检测距离。
1 系统的整体设计
针对上述问题，本出如下的设计：先由超声波传感器向正前方发射超声波，与此同时开始计时，超声波沿着前进的方向传播，由于超声波能感应到障碍物，因此传播过程中碰到障碍物就会立即朝反方向回传，这样超声波接收器就可以接收到因障碍物而回传的超声波，同时，计时停止。超声波在空气中的传播速度v，设传播时间为t，那么单程传播的为t/2，由距离（s）=速度（v）时间（t）/2，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s）。同时一方面将距离（s）由显示屏显示出来，让使用者能对前方有无障碍物一目了然，并且还能掌握障碍物与其的具体距离；另一方面，设置一个距离最小值，也成阈值，当障碍物的距离小于这个阈值的时候，单片机会给报警器发出报警信号，使报警器报警，让使用者能够迅速准确的做出应对措施。超声波测距原理如图1所示。
2 系统的硬件设计
2.1 硬件器件的x型
本设计的传感器选取的是非接触式的HC-SR04超声波测距模块，HC-SR04超声波测距模块使用成本低、抗干扰能力强并且准确性能好。单片机选取ARM系列最新、最先进构架的Cortex-M3内核的STM32，STM32不仅性能优越，而且价格便宜，所以本设计选取它作为主处理器。由于本设计的显示屏只需要显示距离信号，所以选取易于控制、成本低的1602显示屏。
2.2 硬件设计
硬件的组成可以分为两个部分：第一部分由超声波传感器以及STM32处理器组成，为检测部分，具体作用为：首先由STM32控制超声波发射器发射超声波，与此同时STM32控制定时器开始计时，由于超声波是沿着直线传播，当在前方遇见障碍物时，超声波会立即反射回来，当超声波传感器接收到超声波的时候STM32控制计时结束；第二部分由1602显示屏、报警电路组成，STM32检测计算出来的距离会由1602显示屏显示出来，当距离小于预先给STM32设定的阈值时，STM32会立即给报警电路发出报警信号，使蜂鸣器报警。报警部分由蜂鸣器和报警电路组成，报警电路如图3所示。
3 系统的软件设计
软件的设计主要是对STM32的编程，首先初始化串口和定时器，并且预先设置好阈值。接着给连接超声波传感器的IO口发出指令，开始发射超声波，并且由STM32控制定时器开始计数；接着实时监测超声波接收器有无信号的读取，若有，则说明前方有障碍物，定时器停止计数。取定时器的计数差值，由定时器计数的差值可以计算出共同的时间，而单向路程所需的时间为共同时间的一半，就可以计算出障碍物与超声波传感器的距离。同时还要将这个距离与预先设置好的阈值进行比较，若距离值小于阈值，则STM32会给报警电路发出报警信号，达到报警效果。
4 实验结果分析
随机选取不同的距离、不同材质的障碍物进行检测十次，每当达到检测范围的时候，显示屏每次都能准确的显示出障碍物的距离，并且当过度靠近障碍物的时候，蜂鸣器每次都会发出报警。结果表明本文设计的超声波测距系统能够准确的实现测距和报警的目的，满足当前市场的要求，同时制作简易，具有很好的发展和使用前景。
参考文献：
1超声波无损检测现状及原理
现状：超声波无损检测技术是国内外应用最广泛、使用频率最高且发展较快的无损检测技术，主要体现在改进产品质量、产品设计、加工制造、成品检测及设备服役的各个阶段保证设备的可靠性和安全性。在现代无损检测技术中，超声成像技术是一种令人瞩目的新技术，超声图像可以提供直观和大量的信息，对检测物品中存在的缺陷可以减少人为干扰，有效提高无损检测的可靠性，是定量无损检测的重要工具。
原理：超声波无损检测主要是基于超声波在试件中的传播特性，声源产生超声波，采用一定的方式使超声波进入试件后；超声波在试件中传播并与试件材料以及其中的缺陷相互作用，使其传播方向或特征被改变；改变后的超声波通过检测设备被接受，并可对其进行处理和分析，根据接受超声波的特征，评估试件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特性。
2超声波无损检测方法应用
2.1超声波传感器在无损检测中的应用
可闻声波是人们能听到的声音，由物体震动产生，它的频率在20Hz～20kHz范围内。于20Hz称为次声波，人耳虽然听不到但与人体器官发生共振，频率超过20kHz称为超声波，检测中常用的超声波频率范围为几十kHz到几十MHz，超声波是一种在弹性介质中的机械震荡波，它的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等三种，超声波具有以下基本特性：传播速度与介质的密度，弹性特性和环境条件有关，通过两种不同介质时，会产生反射和折射现象，随着介质中传播距离的增加，介质吸收能量，使超声波的强度有所衰减，超声波传感器利用晶体的压电效应和电致伸缩效应，将电和能相互转换，实现对各种参量的测量，超声波传感器配上不同电路制成各种超声波仪器和装置，广泛应用于工业生产等许多领域。超声波无损探伤具有应用方便、适用性强、准确率高，易自动化等许多优点。
2.2超声波传感器的主要作用和结构
超声波传感器是一种可逆换能器，超声波换能器又称超声波探头，超声波换能器的主要工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等。在检测技术中主要采用压电式。超声波探头的主要作用是：一个电声换能器，并能将反射回来的声波转换成电脉冲；控制超声波的传播方向和能量集中的程度，当改变探头的入射角或改变超声波的扩散角时，可使声波的主要能量按不同的角度射入介质内部或改变声波的指向性，提高分辨率；实现波型转换，控制工作频率，适用于不同的工作条件，超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头等。
超声波探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减。为此并需将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利的入射到被测介质中，在工业中，经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有水、机油、甘油等。
超声波探伤是目前应用十分广泛的无损探伤技术中的一种主要检测手段，它既可以检测材料表面缺陷，又可以检测内部几米深的缺陷。但缺点是对工作表面要求平滑，要求富有经验的检测人员才能辨别缺陷种类，超声波探伤适用于厚度较大的零件检验。
3超声波无损探伤的方法
到目前为止，已经应用的利用超声波探伤进行无损检测的方法主要有以下几种：
超声波探伤的方法很多，最常用的是脉冲反射法。一般在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续，这种不连续往往又造成声阻抗的不一致，由反射定理可知，超声波在两种不同声阻抗的介质的交界面上将会发生反射，反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。脉冲反射式超声波探伤仪就是根据这个原理设计的。脉冲反射法根据超声波波形的不同又分为纵波探伤、横波探伤和表面波探伤。
目前便携式的脉冲反射式超声波探伤仪大部分是A扫描方式的，所谓A扫描显示方式即显示器的横坐标是超声波在被检测材料中的传播时间或者传播距离，纵坐标是超声波反射波的幅值。譬如，在一个钢工件中存在一个缺陷，由于这个缺陷的存在，造成了缺陷在钢材料之间形成了一个不同介质之间的交界面，交界面之间的声阻抗不用，当发射的超声波遇到这个界面之后，就会发生发射，反射回来的能量又被探头接受到，在显示屏幕中横坐标的一定的位置就会显示出来一个反射波的波形，横坐标的这个位置就是缺陷在被检测材料中的深度。这个反射波的长度和形状因不同的缺陷而不同，反应了缺陷的性质。
4结论
超声波无损检测技术有其不同与其他无损检测技术的优点，其灵敏度高，应用范围广，穿透能力强，灵活性好，对缺陷的定位准确。由于超声波无损检测的设备简单轻便，能更好的应用于户外检测，随着超声波检测技术的不断研发创新，在不久的将来，超声波无损检测技术因其独特的特性必将有更加广泛的前景。
在通常的工业生产工程中，液位测量的目是通过液面高度的测量来确定容器里的原材料、半成品或者产品的，用以保证生产过长的各个环节物料平衡以及给进行经济核算提供可靠的依据。同时，在连续的生产过程中，为了维持正常生产、保证产品的质量和产量，以及保证安全生产。所以，液位的监测在工业生产过程中是相当重要的。测量液位的仪表主要分为接触式液位仪表与非接触式液位仪表两部分。而超声波液位仪表，由于其结构简单、造价地低廉，在近些年里得到了广泛的应用。
1 设计简述
所谓的超声波是指人类听不到的声波，一般人的听觉范围是20Hz～20kHz，超出这个范围的声波正常人是听不到的。通过声波在碰到液面后反弹回来的时间来计算当时液面具超声波传感器的距离，则液位公式为：
L为液面距超声波传感器的距离，c为超声波在空气中传播的速度，T为从声波发出到接收到回波的时间。
1.1 超声波液位仪系统结构
如图1-1所示，该超声波液位仪包括输入部分、输出部分以及控制部。
1.2 超声波液位仪系统工作原理
将该超声波传感器安装于待测容器的顶部，垂直于被测液面，当发出的超声波碰到被刺液体后回弹。这时一体化超声波传感器处于接受状态，等待接受反弹回来的超声波，通过超声波的发送到接收的时间来计算液面距容器顶端的距离。
1.2.1 液位测量与计算
系统工作时，单片机的定时器开始计时，同时通过单片机的I/O口发送一串频率为40kHz的信号，信号经过升压中周发放大后通过一体化超声波传感器发送出去。当单片机检测的回波信号时，停止定时器，并将定时器中的数值读出，根据系统的机器周期计算出超声波传播的时间T。
1.2.2 余波的处理
超声波探头将超声波脉冲发送完毕后，并不是立即停止的，而是逐渐衰减，这一段衰减过程中所发送的波被称作余波。
使用软件手段屏蔽掉了余波的干扰。通常收发一体化超声波传感器的余波衰减时间为2ms，因此，在程序中发送完40kHz波后，我们利用循环延时2ms，之后再开始让微处理器等待接收回波信号。而在延时的2ms内返回的超声波将被忽略，这样一来，我们将无法检测较近的距离，而这段无法被检测的距离就是本液位仪的工作盲区。
2 硬件电路设计
2.1 控制部分
控制部分利用STC89C52RC单片机作为主控制芯片，负责超声波输出控制、超声波回波信号接收处理、计算液面距超声波探头的距离、设置阀值输出报警以及控制显示部分输出相关信息。
2.2 I/O口分配
P3.0和P3.1可用于串口通信、程序烧写；而P1口则可以扩展外接其他拓展模块。
P3.6和P3.7口分别接CSBIN（超声波信号输入），用来接收回波通过处理后的有效电平信号；CSBOUT（超声波信号输出），用来输出脉冲信号，是超声波传感器发出40kHz波。
P0口连接LCD1602（液晶显示器）的数据口，P2.0～P2.2接LCD1602的三个控制口，P2.3接LCD1602的背光控制。
P2.4～P2.6口分别接三个按键输入；P2.7口作为控制继电器的信号输出口，用于控制继电器的开、闭。
2.3 按键与继电器控制电路
按键、继电器控制电路，独立按键的按下将低电平引入单片机I/O口。而当KA为“0”时，PNP管导通，继电器线圈得电，触点动作。
这里选用PNP型三极管是因为单片机复位后，I/O口为高电平，如果使用NPN型三极管则会照成系统上电后继电器会闭合一下，这样对设备有害同时可能照成安全事故。
在继电器线圈的两端并入二极管DK1（1N4007）起到了对继电器的保护作用。
2.4 超声波信号发送及接收部分
发送部分电路主要用到了超声波专用中周变压器将单片机I/O口发出的激励脉冲升压后供给超声波探头，使其发送出与激励脉冲相同频率的超声波。接受部分的电路中用了NE5532高性能低噪声双运算放大器。由于NE5532的工作电压至少为6V时，才能稳定的工作，由于超声波是一个交流信号，D5的作用就是将负半周期的信号通过GND消除，只保留正信号。信号通过BG2放大后进入NE5532，又经过滤波放大、比例微分后输出。
3 软件设计
首先由单片机发出 50KHz 的脉冲串，每八个脉冲为一组，脉冲串通过超声波发射电路驱动超声波换能器发出超声波，单片机在发送脉冲的同时开始计时；超声波遇到障碍物后的回波经过放大、转化等处理传回单片机，这样就得到了超声波在空气中的传输时间，然后在中断程序中根据测出的时间计算出距离。完成后发出下一组脉冲。利用定时器计算出采样时间，通过前后两次液位差值与前后两次检测的时间，可以算出液位增长的速度。
从实际产品的角度来看，本文设计的超声波测距仪还有需要进一步完善和改进的地方，主要表现在以下几个方面：
（1）由于温度对超声波的传播有一定的影响，所以如果加入温度传感器，测得储蓄罐内的温度，在通过所得的温度对超声波进行温度补偿，这样能提高仪表的精确度。
（2）为了使超声波液位计能够检测到从较远处反射回来的超声波，需要进一步完善修改硬件电路，提高硬件电路的抗干扰能力和对微弱信号的放大倍数，提高超声波液位计的测量范围和测量的精度。
中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2011) 22-0000-01
Hardware System Design Based on Multi-Sensor Intelligent Wheelchair
Hao Minchai
(Shijiazhuang Vocational College,Shijiazhuang 050081,China)
Abstract:High-performance low-cost intelligent wheelchair can greatly improve today's elderly and disabled users of the quality of life,safe and convenient to use people to their destination,during operation,the smart wheelchair can accept user issued the directive,according to the designated routes,so the design of intelligent wheelchair in the perception of the environment is an integral part of this paper,the context-aware intelligent wheelchair part of the multi-sensor system architecture,component design analysis and interpretation.
Keywords:Intelligent wheelchair;Sensor;System;Positioning
一、传感器系统总体结构设计
能够实现智能轮椅的总功能主要有：定位系统，环境感知系统、控制系统、驱动系统和人机交互界面等功能。因此该系统的硬件结构如图1所示。其中传感器模块主要有内部状态感知和外部环境感知两部分构成，对于姿态传感器主要用来调整轮椅自身的位姿信息；编码器传感器是位移速度和距离获得自定位的信息采集源；视觉、超声波和接近开关主要负责持续获得周围环境和轮椅位于障碍物的距离等的信息。驱动控制模块我们采用电机控制后轮驱动的方式，在控制器的操作去控制电动轮椅的前进、后退和转向。
图1：智能轮椅硬件系统结构图
二、多传感器数据采集与处理
该智能轮椅有2个相对独立的驱动轮并各自配有电机码盘。电机码盘实时进行数据检测构成了里程计式相对定位传感器，并安装有倾角传感器和陀螺仪传感器来测量轮椅在运动过程的姿态。超声波传感器和接近开关用于感知周围环境信息。为能够实现远距离的障碍物信息，还配备了超声波传感器。还配备了CCD图像传感器用于判断前方行进路程中的深度信息。
三、姿态传感器
该智能轮椅设计采用了一个倾角传感器和一个陀螺仪的组合来构成姿态传感器检测车体平台的运行姿态。倾角传感器用来测量轮椅偏离竖直方向的角度，陀螺仪用来测量角速度。
以TMS320LF2407A为控制核心的运动控制器，根据编码器和姿态传感器检测到的平台运行的位移和姿态信号，通过一定的控制策略计算出控制量，再经脉宽调制控制及驱动器放大后驱动直流电动机运转，随时调整车体平台的运行速度，从而使车体平台始终保持平衡状态。控制电路原理图如图2所示。控制板采集来自倾角和角速度传感器的信号并对信号进行调理（滤波、整形、偏移），然后将信号传送到控制板中，经过DSP的运算处理（控制算法由电动车系统的数学模型推导而出），通过DSP的两路脉宽调制将控制信号发出，再经过电机驱动模块驱动电机运转，控制轮椅保持平衡状态。
图2：控制电路原理图
四、多路超声波测距模块
本智能轮椅自主避障系统采用超声波传感器测量障碍物的距离，工作时，由单片机通过三路信号线选通多路模拟开关，由多路模拟开关负责每一路超声波传感器的通断。每一路超声波传感器工作时，都由单片机的I/O口发射出频率为40kHz，幅值为5V的矩形脉冲信号，经过信号放大电路，变成稳定的12V矩形脉冲信号，由超声波发射换能器发射出超声波。超声波遇到障碍物返回，由超声波接收换能器接收，经过信号滤波放大集成电路，触发单片机中断。由单片机计算渡越时间，从而计算出障碍物的距离。
五、编码器
编码器是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺．接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“1”还是“0”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“1”还是“0”，通过“1”和“0”的二进制编码来将采集来的物理信号转换为机器码可读取的电信号用以通讯、传输和储存。
产生的时钟频率是每个输入序列的4倍，且把这个时钟作为通用定时器2的输入时钟。图4给出了正交编码脉冲、增减计数方向及时钟的波形。
图4：编码器输出脉冲图
