温度、声音、距离检测模块的检测系统设计

2018-08-08，，

单片机与嵌入式系统应用 2018年8期

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(吉林大学仪器科学与电气工程学院，长春 130022)

引言

红外传感器、超声波传感器和声音检测模块具有体积小、灵敏度高的特点，STM32微处理器具有高性能、低成本、低功耗等优点，无线传输模块可以在一定程度上忽略地形的影响，由传感器和微处理器组成的温度、声音、距离检测装置易于携带、成本低、性能好，而且随着未来技术的发展，传感器性能势必会越来越好，其精度、探测距离都会有较大的提升，处理器的处理能力也会有很大的进步，无线传输模块的信息传输距离、稳定性能够得到加强。所以说此装置在未来会有很大的改进空间，设计思路值得借鉴。

1 实验方法和实验方案

实验利用STM32F系列微处理器作为主控制器处理由红外温度传感器、超声波传感器和声音检测模块采集到的检测信息，通过 ZigBee模块以无线方式传输到上位机，利用C#编写的GUI界面实时显示数据，向检测人员提供直观的信息，便于分析。方案框图如图1所示。

图1 实验方案框图

2 模块选择及原理

2.1 超声波测距原理及模块选择

超声波测距是借助于超声脉冲回波渡越时间法来实现的。设超声波脉冲由传感器发出到接收所经历的时间为t，超声波在空气中的传播速度为c，则从传感器到目标物体的距离D可由下式求出：

D=ct/2

此部分传感器选用HC-SRO4超声测距模块，HC-SR04超声波测距模块可提供 2～400 cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达3 mm，模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。

HC-SRO4超声测距模块基本工作原理：采用I/O接口TRIG触发测距，给最少10 μs的高电平信呈；模块自动发送8个40 kHz的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过I/O接口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间×声速)/2。超声波时序图如图2所示。

图2 超声波时序图

以上时序图表明只需要提供一个10 μs以上的脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40 kHz 周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号，回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比，由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。(公式：μs/58=cm或者μs/148=inch，或者：距离=高电平时间×声速(340 m/s)/2，建议测量周期为60 ms 以上，以防止发射信号对回响信号的影响)

超声波测距模块原理图如图3所示,实物图如图4所示。超声波测距模块电气参数如表1所列。

表1 HCSR04超声波测距模块电气参数

图3 HC-SR04超声波测距模块原理图

图4 超声波测距模块实物图

2.2 红外测温原理及模块选择

物体红外辐射能量的大小和波长的分布与其表面温度关系密切。因此，通过对物体自身红外辐射的测量能准确地确定其表面温度，红外测温就是利用这一原理测量温度的。红外测温器由光学系统、光电探测器、信号放大器和信号处理及输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号，该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。

此部分选用GY-906红外测温模块，以MLX90614非接触式测温传感器为核心。Melexis公司生产的MLX90614系列测温模块是应用非常方便的红外测温装置，其所有的模块都在出厂前进行了校验，并且可以直接输出线性或准线性信号，具有很好的互换性，免去了复杂的校正过程。该模块以81101热电元件作为红外感应部分，输出是被测物体温度(To)与传感器自身温度(Ta)共同作用的结果，理想情况下热电元件的输出电压为：Vir=A(To4-Tα4)，其中温度单位均为Kelvin，A为元件的灵敏度常数。目标温度和环境温度由81101内置的热电偶测定测量，从81101中输出的两路温度信号分别经内部MLX90302 器件上高性能、低噪声的斩波稳态放大器放大，再经一个17位的模/数转换器(ADC)和强大的数字信号处理(DSP)单元后输出。

MLX90614是由内部状态机控制物体温度和环境温度的测量和计算，进行温度后处理，并将结果通过PWM或是SMBus模式输出，ASSP支持两个IR传感器(MLX90614xAx只有一个IR传感器)。IR传感器的输出通过增益可编程的低噪声低失调电压放大器放大，经过Sigma Delta调制器转换为单一比特流并反馈给DSP做后续的处理。信号通过可编程的(用EEPROM实现)FIR和IIR低通滤波器以进一步降低输入信号的带宽，从而达到所需的噪声特性和刷新率。IIR滤波器的输出为测量结果并存于内部RAM中，其中三个单元可被用到：一个是片内温度传感器(片上PTAT或PTC)，其余两个为IR传感器。基于以上测量结果，计算出对应的环境温度Ta和物体温度To，两个温度分辨率都为0.01 ℃。Ta和To可通过两种方式读取：通过两线接口读取RAM单元(0.02 ℃分辨率，固定范围)或者通过PWM数字模式输出(10位分辨率，范围可配置)。

测量周期的最后一步为：测量所得Ta和To被重新调节为PWM所需的输出分辨率，并且该数据存储在PWM状态机的寄存器中，状态机可以产生固定频率和一定占空比来表示测量的数据。MLX90614的引脚分布及实物图如图5所示。引脚功能如表2所列。

图5 MLX90614的引脚分布及实物图

表2 MLX90614的功能引脚表

MLX90614的PWM/SDA引脚可以作为PWM模式输出，取决于EEPROM的设置。如果设为PWM使能，在上电复位(POR)之后，PWM/SDA引脚被直接配置为PWM输出。在采用PWM为输出方式的条件下，计算所得的环境温度和物体温度存在RAM中，其分辨率为0.01 ℃ (16位)。PWM输出格式为10-位数值，所以要传送的温度需要重新调节以适用所需的范围。为此，EEPROM中的2个单元用于存取To的范围(Tomin和Tomax)，一个单元用于Ta (Tarange：8MSB存放Tamax，8LSB用于Tamin) 。因此To输出范围的变化精度为0.01 ℃，对应的Ta输出范围的变化精度为0.64 ℃。测量、计算和线性化处理是通过内核控制的，内核执行ROM里的程序。在POR后，芯片被存于EEPROM里的校准数值初始化，在该阶段，芯片选择IR传感器号码决定用哪个传感器，测量、补偿以及线性化程序运行在闭环的流程里。

2.3 声音检测原理及模块选择

图6 YL-56声音检测模块实物图

声音传感器内置一个对声音敏感的电容式驻极体话筒，声波使话筒内的驻极体薄膜振动，导致电容的变化而产生与之对应变化，根据电压便能够检测声音的有无和大小电压。此部分选用YL-56声音检测模块，该模块工作方式为可以检测周围环境的声音强度。使用时需注意：此传感器只能识别声音的有无(根据震动原理)，不能识别声音的大小或者特定频率的声音，灵敏度可调，工作电压为3.3～5 V输出形式为数字开关量输出(0 和1 高低电平)。YL-56声音检测模块实物图如图6所示，传感器原理图如图7所示。

图7 YL56传感器原理图

2.4 无线发射模块选择

此部分选用以ZigBee技术为核心的通信模块。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(Bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(Zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本，主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的、低功耗的近距离无线组网通信技术。

3 硬件系统搭建

本文选用STM32单片机，相对于51单片机来说，该单片机的处理能力更强。该项目将多个传感器的数据进行采集处理，然后通过无线传输到电脑上进行显示。由于各个模块具有较完整的功能，所以把每一个部分都与STM32单片机进行对接，再给单片机加上无线传输部分进行数据发送。相应的，给PC端加上无线接收部分，接收单片机采集处理过的温度、声音、距离信息。无线传输部分采用ZigBee，和单片机、PC的接口均为USB，十分方便。温度采集模块、声音采集模块、距离采集模块、STM32单片机、无线传输部分和PC端一起构成了该项目的硬件部分。

4 软件系统编写

软件方面做了单片机和PC端的程序编写，单片机主要采用C语言。由于单片机对多个传感器信号的读取是采用扫描式的方法，顺序而循环地读取各个传感器的数据。对单片机中设定的各个对应的回路读取的信号进行独立运算，最后的结果采用扫描方法，顺序而循环地送到各个输出点。单片机的各个输入/输出点可以是相互独立的，也可以是共用一个，只是检测信号传送的方式不同。如果是模拟量信号，各输入/输出点必须相互独立，所以本文采取了前者。PC端程序是对人机交互界面的编写，采用C#在Visual Studio上编写。