关于机械智能制造中单片机的应用分析

2019-05-08邓毅

中国科技纵横 2019年6期

关键词：警报

邓毅

摘要：本文选取ARV328单片机作为核心控制器，开发了基于ARV328的超声波测距系统。依据系统开发需求，合理选取硬件器件，分別给出了系统硬件和系统软件设计方案。测试结果表明，本系统可以准确测量设备与作业人员距离，精度达到了98.89%，距离安全判断准确，通过蜂鸣器发出警报。

关键词：ARV328单片机;超声波测距;警报

中图分类号：TP242.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）06-0042-02

近年来，我国变电站工作人员作业安全事故发生频率越来越高，出现此情况的主要原因为在作业过程中设备与作业人员距离控制不佳，引发多起安全事故。随着科学技术的不断发展，开发了距离测量仪器，根据安全作业距离设置安全范围，超出此范围，系统自动发出警报[1]。目前，开发距离测试系统测量精度较低，本文将利用超声波测距技术，选取ARV328单片机作为核心控制器，开发一套基于ARV328的超声波测距系统。

1 超声波测距原理

超声波能量衰减速度较慢，传输距离较长，具有较强的抗干扰性，在工业领域中应用较多[2]。例如，管道长度探测、设备位置监控、机器人行走控制等[3]。与激光技术相比，该项技术不仅开发成本较低，而且测量方法简单，数据计算量较小，是距离探测研究的首要选择工具。

目前，应用比较多超声波测距方法有3种方法，即声波幅值检测法、相位检测法、往返时间检测法[4]。其中，往返时间检测方法比较简单，并且测量精度较高。所以，本文选取此方法作为距离检测法。其测量距离的原理如下：

确定超声波发射方向后，利用超声波发射器发射超声波，以发射时间记为发射时刻。在传播过程中，如果遇到障碍物将立即返回，接收到返回的超声波停止计时[5]。依据空气温度、记录时间，可以推算当前位置与障碍物之间的距离。其中，超声波传播速度和空气温度之间的关系如表1所示，往返时间检测原理如图1所示。

假设L为障碍物和测量目标之间的距离，记录时间为t，v为超声波在空气介质中的传播速度，空气温度为C，各项参数计算公式如下：

（1）

本文采用超声波测距方法，测量故障点与目标之间的距离。在ATmega328核心控制器的作用下，驱动超声波发射器，沿着设定的传播方向传播，遇到障碍物后返回，由接收器负责接收超声波信号，进过滤波、放大、整形处理，得到精度较高的超声波信号，通过显示器得以查看。

2 基于ARV328的超声波测距系统设计

2.1 硬件的选取

本文设计的超声波测距系统主要由超声波传感器、ATmega328微处理器、LCD显示器、蜂鸣器等硬件设备构成。本文主要对前三种硬件设备的选取进行简要介绍。

（1）超声波传感器的选取。目前，应用比较多的超声波传感器有两种类型，其中一种类型为机械传播方式传感器，另外一种类型为电气传播方式传感器。在实际应用中，超声波传感器利用能量转换器，对位于发射端的电能进行转换处理，生成声波能。而接收端是将接受到的声波能经过转换处理，形成机械能或者电能。本文研究选取压电式超声波传感器发射和接收超声波信号，通过压电晶体谐振处理，达到距离检测目的。

（2）AVR微处理器的选取。AVR处理器从8系列、128系列研发到328系列。与以往研发的AVR系列微处理器相比，AVR328系列微处理性能优势更大一些。

ATmega328微处理器是一款8位控制器，自身带有32KB编程FLASH存储器，运行效率较高[6]。具体特性如下：

功耗较低、性能较高，采用RISC结构打造;支持131条控制命令下达，以单个时钟周期作为执行时间;8位通用工作寄存器有32个，其工作状态属于全静态;通常情况下工作频率为20MHz，最高工作频率可达20MIPS，只需要两个时钟周期便可以运行。在外设方面，具有独立运行的比较器、分频器;8路10位ADC，支持串行USART;可编程I/O接口有23个，工作电压范围：1.8～5.5V;工作温度范围-40℃～85℃。

（3）LCD显示器的选取。为了便于操控，降低功耗，本文选取点阵式LCD显示器作为系统显示装置。该装置体积较小、功耗低，可以根据开发者需求编写程序，得到不同显示方式。该装置信息显示方式有很多种，主要包括字符、数字、图片、图形等。根据查看需求，触屏操控或者按键操控均可设置。

2.2 系统硬件设计

本系统硬件主要由AVR328单片机最小系统、LCD显示器、超声波探测3个模块构成。

（1）AVR328单片机最小系统。该模块为系统的核心，用于驱动超声波传感器，对传感器采集到的信号进行处理，通过信号判断，下达蜂鸣器报警命令。该模块由78L05稳压器、JATG仿真接口、EEPROM存储芯片、RTC温度传感器、加速度传感器、轮速传感器、蜂鸣器、超声波发送与接收电路组成。

（2）LCD显示器。该部分是系统的显示部分，通过与单片机接口建立连接，实现信号访问。其中，信号访问是通过I/O总线直接访问，为用户显示数据信息。

（3）超声波探测。该模块由微控制器、超声波信号发射端、超声波信号接收端3部分组成。其中，微处理器用来下达超声波探测装置运行状态控制命令;超声波信号发射端用于产生超声波，以高压电源供电;信号接收端由信号采集和信号整理电路组成，主要是对信号进行滤波、放大等处理，从而为预警命令下达提供判断依据。

2.3 系统软件开发

为了避免设备与作业人员距离控制不当造成安全事故，本文在开发系统软件时，设置超声波信号发送时间间隔为2s。如图2所示为系统软件开发流程。

第一步：系统初始化;

第二步：通过超声波探头采集信号，并计算前后距离;

第三步：计算前碰撞时间，记为TC1;

第四步：计算后碰撞时间，记为TC2;