超聲波測(cè)距傳感器在高速公路自動(dòng)發(fā)卡機(jī)中的應(yīng)用

0   引言

高速公路運(yùn)營(yíng)單位為節(jié)省人力成本達(dá)到降本增效的目的，在收費(fèi)站入口安裝自動(dòng)發(fā)卡機(jī)代替人工發(fā)放通行卡的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。自動(dòng)發(fā)卡機(jī)在使用過(guò)程中的一些缺點(diǎn)也逐漸顯現(xiàn)，比如，由于司機(jī)操作不當(dāng)或發(fā)卡機(jī)安裝位置不當(dāng)?shù)仍?，?dāng)車(chē)輛完全停下后距發(fā)卡機(jī)距離較遠(yuǎn)，司機(jī)伸手無(wú)法順利取卡。為解決該問(wèn)題，在自動(dòng)發(fā)卡機(jī)上增加滑動(dòng)平臺(tái)，利用超聲波測(cè)距功能檢測(cè)車(chē)輛離發(fā)卡機(jī)的距離，自動(dòng)伸縮平移，縮短車(chē)輛與發(fā)卡機(jī)的距離，避免司機(jī)下車(chē)取卡，實(shí)現(xiàn)安全、方便、快捷取卡通行，節(jié)省取卡時(shí)間，增加通行效率。

作者簡(jiǎn)介：黃濤（1983—），男，南昌人，工程師，主要研究方向?yàn)楦咚俟窓C(jī)電設(shè)備的研發(fā)。郵箱：120524324@qq.com。

1   超聲波測(cè)距傳感器原理

物體振動(dòng)時(shí)都會(huì)發(fā)出聲響。在物理學(xué)上，頻率的定義為物體每一秒振動(dòng)的次數(shù)，單位為赫茲。超聲波是高于兩萬(wàn)赫茲的聲波^[1]。超聲波測(cè)距傳感器包括超聲波發(fā)射器和超聲波接收器，通過(guò)發(fā)射器向某一方向發(fā)射一定頻率的超聲波（頻率一般大于20 kHz），在發(fā)射超聲波的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播碰到障礙物立刻反射回來(lái)，超聲波接收器收到反射回來(lái)的超聲波后立即停止計(jì)時(shí)。超聲波測(cè)距傳感器就是利用超聲波在空氣中傳播，碰到障礙物往返時(shí)間，再乘以超聲波傳輸速度，即可求得距離障礙物的距離，原理示意圖如圖1 所示。

假定S 為被測(cè)障礙物到測(cè)距儀的距離，超聲波往返時(shí)間為 t，超聲波傳播速度為 v，則被測(cè)距離S = vt / 2。

2   系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高速公路自動(dòng)發(fā)卡機(jī)包括上工位和下工位發(fā)卡箱體，分別用于大型車(chē)輛和小型車(chē)輛發(fā)卡，主要硬件控制電路包括以STM32 單片機(jī)為主控制芯片的控制電路、上工位測(cè)距儀、上工位箱體移動(dòng)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路、上工位箱體剎車(chē)機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路、下工位測(cè)距儀、下工位箱體移動(dòng)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路、下工位箱體剎車(chē)機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路、車(chē)檢器和車(chē)型識(shí)別器，系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。

當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入收費(fèi)車(chē)道時(shí)，車(chē)型識(shí)別器自動(dòng)識(shí)別車(chē)輛類型，并將車(chē)型數(shù)據(jù)通過(guò)RS-485 串口發(fā)送至發(fā)卡機(jī)。隨后，車(chē)輛行駛至取卡位置，車(chē)檢器檢測(cè)到車(chē)輛，發(fā)卡機(jī)根據(jù)車(chē)輛類型判斷上工位還是下工位發(fā)卡，大型車(chē)輛為上工位發(fā)卡，小型車(chē)輛為下工位發(fā)卡。根據(jù)超聲波測(cè)距傳感器測(cè)量到的發(fā)卡機(jī)箱體距離車(chē)輛的距離，發(fā)卡機(jī)箱體滑動(dòng)裝置自動(dòng)調(diào)節(jié)箱體移出距離。

3   超聲波測(cè)距傳感器數(shù)據(jù)接口

超聲波測(cè)距傳感器采用成熟穩(wěn)定可靠的超聲波雷達(dá)技術(shù)，測(cè)距范圍廣，可準(zhǔn)確探測(cè)到0~3 m 以內(nèi)的障礙物距離，測(cè)距精度可以達(dá)到1 cm，結(jié)合滑動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)伸出合適距離，保證通過(guò)自動(dòng)發(fā)卡車(chē)道的車(chē)輛駕駛?cè)藛T能方便安全地取到通行卡，同時(shí)避免發(fā)卡機(jī)碰撞到車(chē)輛。超聲波測(cè)距傳感器通信電氣接口為單線UART 方式，高電平（+5 V）為邏輯1，低電平（0 V）為邏輯0，空閑時(shí)為高電平。整個(gè)通信協(xié)議由5 個(gè)有順序的信息碼組成，分別是P0、P1、P2、P3、P4，其中P0 固定為0xC4，P1、P2、P3、P4 分別對(duì)應(yīng)4 個(gè)測(cè)距探頭（本項(xiàng)目采用的超聲波測(cè)距傳感器有4 個(gè)探頭）的測(cè)距數(shù)據(jù)，信息碼的波形時(shí)序圖如圖3 所示。

每個(gè)信息碼由“前導(dǎo)碼（010）”、8 bit 數(shù)據(jù)碼、1 個(gè)停止位組成，共12 個(gè)bits，即Pi=010+Di+1，其中i 分別為0、1、2、3、4，信息碼的每個(gè)bit 時(shí)間寬度固定為80 μs。

超聲波測(cè)距傳感器數(shù)據(jù)碼定義：P0，控制碼，固定為0×C4；P1、P2、P3、P4：對(duì)應(yīng)4 個(gè)測(cè)距探頭的測(cè)距數(shù)據(jù)，在信息碼時(shí)序圖的表現(xiàn)為從左至右順序，單位為2 cm，取值范圍是0 ～ 150，對(duì)應(yīng)的測(cè)量距離為0.0~3.0 m，例如0×10 代表32 cm。特殊值0xFF 代表無(wú)窮遠(yuǎn)，即沒(méi)有探測(cè)到障礙物。

將超聲波測(cè)距傳感器的數(shù)據(jù)輸出線接入單片機(jī)I/O端口，并設(shè)置為外部中斷，下降沿觸發(fā)。當(dāng)傳感器有測(cè)距數(shù)據(jù)輸出時(shí)，單片機(jī)觸發(fā)下降沿中斷，延時(shí)40 μs 后，打開(kāi)80 μs 的定時(shí)器中斷，在定時(shí)器中斷中讀取5 個(gè)信息碼的每一位數(shù)據(jù)。

4   單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

滑動(dòng)平臺(tái)采用24 V直流電機(jī)控制滑動(dòng)平臺(tái)的伸縮，在承載100 kg 質(zhì)量情況下能平穩(wěn)滑動(dòng)，滑動(dòng)平臺(tái)最大可伸縮距離能達(dá)到200 mm。車(chē)輛距離發(fā)卡機(jī)較遠(yuǎn)時(shí)，滑動(dòng)平臺(tái)可完全伸出200 mm，車(chē)輛距離發(fā)卡機(jī)較近時(shí)，滑動(dòng)平臺(tái)可滑動(dòng)合適距離而不碰撞到車(chē)輛，方便司機(jī)安全取卡或刷卡。伸縮距離依據(jù)機(jī)箱外殼上所配4 個(gè)超聲波測(cè)距傳感器探頭測(cè)量車(chē)輛距離機(jī)箱的距離而定，當(dāng)距離大于設(shè)定值時(shí)，滑動(dòng)平臺(tái)自動(dòng)水平伸出，按鍵取卡后，機(jī)箱自動(dòng)縮回原位。

主控制板單片機(jī)程序采用C 語(yǔ)言編寫(xiě)，與匯編相比，C 語(yǔ)言在功能、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性方面有明顯優(yōu)勢(shì)，易學(xué)易用。

主控制程序主要包括車(chē)型數(shù)據(jù)接收、車(chē)檢器中斷、超聲波測(cè)距傳感器數(shù)據(jù)接收、箱體移動(dòng)和剎車(chē)等工作。車(chē)型數(shù)據(jù)采用串口中斷方式接收數(shù)據(jù)包；車(chē)檢器用于檢測(cè)車(chē)輛是否停在取卡位置，為開(kāi)關(guān)量信號(hào)，接入單片機(jī)的外部中斷輸入口；箱體移動(dòng)包括箱體伸出和退回原位，以及加速度、恒速和減速度，由靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)時(shí)為加速度移動(dòng)，中間移動(dòng)速度為恒速移動(dòng)，在接近停止位置時(shí)為減速度移動(dòng)，箱體移動(dòng)流程圖如圖4 所示。

5   結(jié)束語(yǔ)

超聲波測(cè)距傳感器具有簡(jiǎn)單方便、易于實(shí)現(xiàn)、成本低、精度高、不易受環(huán)境影響等特點(diǎn)，可以探測(cè)透明物體，包括從玻璃和液體表面反射的回波，還能抵抗霧氣、灰塵和污垢顆粒，可穩(wěn)定地探測(cè)出復(fù)雜形狀的物體，比如網(wǎng)格托盤(pán)、彈簧等。在3 m 測(cè)距范圍內(nèi)，與紅外或激光等測(cè)距方式相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在日常生活中應(yīng)用廣泛，如倒車(chē)輔助系統(tǒng)、智能導(dǎo)盲系統(tǒng)、移動(dòng)機(jī)器人、液位測(cè)量等。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王瑞榮.基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試,2021(5):22-23,33.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年7月期）