基于红外传感技术的身高测量方法研究

2018-08-24王鹏杰王阿茹娜黄国勇

吉林大学学报(信息科学版) 2018年4期

王鹏杰, 葛瑶, 王阿茹娜, 黄国勇

(吉林大学通信工程学院, 长春 130012)

0 引言

人们常用体重的增减作为评定健康的客观标准。其实, 用身高的增减评定生长发育和衰老程度等健康标准则更准确。儿童青少年时期, 身高增长正常, 说明生长发育良好；中老年人经常测量身高, 在一定程度上可评定衰老程度；一些从事特殊行业的人群, 而精确测量身高的方法则尤为重要。

虽然市面上已有基于超声波的非接触式身高测量仪[1], 但成本高, 造价昂贵, 且体积庞大。因为是从头顶发出超声波信号, 所以对测量高度有一定的局限性, 想要增加测量高度, 成本还需增加。笔者设计的基于红外、电机驱动以及单片机技术相结合的非接触式身高测量仪, 成本较低, 红外从人体前方发射并接收信号, 可有效避免这些局限性。为克服红外测量有35°测量角的影响及皮带的阻尼运动与形变, 进行多次实验测量对比, 求出误差因子并在软件中进行校准。

1 基本工作原理

1.1 红外测量原理

红外传感器具有一对红外信号发射与接收光敏二极管[2]。发射管发射特定频率的红外信号, 接收管顶面受光, 接收这种频率的红外信号。当检测方向遇到障碍物时, 反射信号被接收管接收, 此时输出端口输出低电平; 当无障碍物时, 输出端口输出高电平, 单片机根据接收电平值判断有无障碍物。红外测量原理图如图1所示。

1.2 电机工作原理

将电机与红外传感器配合使用进行人体身高测量。单片机供电后, 红外传感器的发射二极管发出红外信号, 若测量者高于传感器所在基准处(150 cm)则会反射信号, 将输出低电平给单片机(由于红外收发模块有余晖效应, 所以单片机需要不断地对电平值判断, 消除毛刺影响)。单片机收到低电平信号后控制电机正向转动, 电机带动皮带运动, 因红外传感器固定在皮带上, 从而随皮带一起向上匀速移动。当红外传感器随皮带移动到约与被测人头顶平齐时, 则接收不到红外反射信号, 此时传感器输出信号从低电平跳变成高电平, 单片机控制电机停止工作, 并使数码管显示数据[3]。

同理, 若测量者低于红外所在基准处则没有反射信号, 红外将输出高电平给单片机, 单片机控制电机反向转动, 从而使红外传感器随皮带向下匀速移动, 当移动到约与被测人头顶平齐时, 接收到红外反射信号, 传感器输出信号从高电平跳变成低电平, 单片机控制电机停止工作, 并使数码管显示数据。设计原理图如图2所示。

图1 红外测量原理图图2 电机&红外设计原理图 Fig.1 Illustrative diagram of infra-red measurement Fig.2 Motor and infra-red circuit design

2 系统硬件结构及设计

2.1 总体设计

红外测量身高设计方案选用单片机为中央处理器, 集中处理由红外发射与接收电路传送的信号[4], 从而完成控制电机、数码管显示等工作。具体过程如下。

当被测人站在红外测量模块前时, 给单片机供电, 使之驱动电机转动, 同时启动计数程序。根据被测人身高与设定的基准线的上下位置关系, 红外模块会输出相应的高低电平, 促使电机发生正、反转, 此时连接在电机齿轮上的皮带紧随其匀速运动。单片机不断确定红外电路传送的信号, 并且进行除抖判断。一旦检测出高电平, 电机停止转动, 此时数码管电路显示出人体身高测量值, 如图3所示。

2.2 红外电路设计

红外电路设计具有一对红外发射与接收管[5], 发射管发射出一定频率的红外线, 当检测方向遇到障碍物(反射面)时, 红外线反射信号被接收管接收, 经过比较器电路处理后, 绿色指示灯亮起, 同时信号输出接口输出数字信号(一个低电平信号), 可通过电位器旋钮调节检测距离, 有效距离范围为2～30 cm, 工作电压为3.3～5 V。其探测距离可以通过电位器调节、具有干扰小、对环境光线适应能力强、使用方便等特点。红外电路连接图如图4所示。

图3 测量系统结构框图图4 红外电路连接图 Fig.3 Structure diagram of measurement system Fig.4 Infra-red circuit connection graph

2.3 电机连接电路

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。每输入一个电脉冲, 电动机转动一个角度前进一步。步进电机连接步进电机驱动器, 驱动器连接单片机, 单片机控制驱动器, 进而控制电机工作。驱动器与单片机、电机、电源以共阳接法接线, 如图5所示。

根据电机转动原理, 建立了合理的理想匀速运动数学模型, 得到测量者的身高计算公式如下

r=0.4

(3)

p=3.141 59×2r

(4)

x=200

(5)

其中h为身高(cm),n为脉冲个数,r为电机轴半径(cm),x为电机细分,p为电机轴周长(cm)。式(1)为测量者身高大于150 cm情况, 式(2)为测量者身高小于150 cm情况。

图5 电机与驱动器连接图Fig.5 Connection graph of motor and driver

3 软件设计

系统软件包括初始化程序、红外收发程序、电机控制程序和显示程序等。系统流程图如图6所示。

表1为利用该方法测量10位学生的身高测量数据比照表[6-11]。从身高差值一栏发现实测值和测量值均差5 cm左右, 由实际情况分析, 可能由两方面原因导致： 1) 电机转动轴离底板有一定高度； 2) 红外有35°测量角的影响, 可能提前测到电平值改变。分析多次实验结果, 得出误差因子为5 cm, 因此编写程序时在测量值基础上加5 cm做为输出值。在修正误差因子的情况下, 又针对某位测量者(实际身高为160.5 cm)进行10次测量, 测量结果如表2所示。