超聲波測距傳感器在高速公路自動發(fā)卡機中的應用

0   引言

高速公路運營單位為節(jié)省人力成本達到降本增效的目的，在收費站入口安裝自動發(fā)卡機代替人工發(fā)放通行卡的應用越來越廣泛。自動發(fā)卡機在使用過程中的一些缺點也逐漸顯現(xiàn)，比如，由于司機操作不當或發(fā)卡機安裝位置不當?shù)仍?，當車輛完全停下后距發(fā)卡機距離較遠，司機伸手無法順利取卡。為解決該問題，在自動發(fā)卡機上增加滑動平臺，利用超聲波測距功能檢測車輛離發(fā)卡機的距離，自動伸縮平移，縮短車輛與發(fā)卡機的距離，避免司機下車取卡，實現(xiàn)安全、方便、快捷取卡通行，節(jié)省取卡時間，增加通行效率。

作者簡介：黃濤（1983—），男，南昌人，工程師，主要研究方向為高速公路機電設備的研發(fā)。郵箱：120524324@qq.com。

1   超聲波測距傳感器原理

物體振動時都會發(fā)出聲響。在物理學上，頻率的定義為物體每一秒振動的次數(shù)，單位為赫茲。超聲波是高于兩萬赫茲的聲波^[1]。超聲波測距傳感器包括超聲波發(fā)射器和超聲波接收器，通過發(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)射超聲波的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播碰到障礙物立刻反射回來，超聲波接收器收到反射回來的超聲波后立即停止計時。超聲波測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 為被測障礙物到測距儀的距離，超聲波往返時間為 t，超聲波傳播速度為 v，則被測距離S = vt / 2。

2   系統(tǒng)設計

高速公路自動發(fā)卡機包括上工位和下工位發(fā)卡箱體，分別用于大型車輛和小型車輛發(fā)卡，主要硬件控制電路包括以STM32 單片機為主控制芯片的控制電路、上工位測距儀、上工位箱體移動電機及驅動電路、上工位箱體剎車機及驅動電路、下工位測距儀、下工位箱體移動電機及驅動電路、下工位箱體剎車機及驅動電路、車檢器和車型識別器，系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。

當車輛進入收費車道時，車型識別器自動識別車輛類型，并將車型數(shù)據通過RS-485 串口發(fā)送至發(fā)卡機。隨后，車輛行駛至取卡位置，車檢器檢測到車輛，發(fā)卡機根據車輛類型判斷上工位還是下工位發(fā)卡，大型車輛為上工位發(fā)卡，小型車輛為下工位發(fā)卡。根據超聲波測距傳感器測量到的發(fā)卡機箱體距離車輛的距離，發(fā)卡機箱體滑動裝置自動調節(jié)箱體移出距離。

3   超聲波測距傳感器數(shù)據接口

超聲波測距傳感器采用成熟穩(wěn)定可靠的超聲波雷達技術，測距范圍廣，可準確探測到0~3 m 以內的障礙物距離，測距精度可以達到1 cm，結合滑動平臺移動伸出合適距離，保證通過自動發(fā)卡車道的車輛駕駛人員能方便安全地取到通行卡，同時避免發(fā)卡機碰撞到車輛。超聲波測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，空閑時為高電平。整個通信協(xié)議由5 個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 分別對應4 個測距探頭（本項目采用的超聲波測距傳感器有4 個探頭）的測距數(shù)據，信息碼的波形時序圖如圖3 所示。

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

超聲波測距傳感器數(shù)據碼定義：P0，控制碼，固定為0×C4；P1、P2、P3、P4：對應4 個測距探頭的測距數(shù)據，在信息碼時序圖的表現(xiàn)為從左至右順序，單位為2 cm，取值范圍是0 ～ 150，對應的測量距離為0.0~3.0 m，例如0×10 代表32 cm。特殊值0xFF 代表無窮遠，即沒有探測到障礙物。

將超聲波測距傳感器的數(shù)據輸出線接入單片機I/O端口，并設置為外部中斷，下降沿觸發(fā)。當傳感器有測距數(shù)據輸出時，單片機觸發(fā)下降沿中斷，延時40 μs 后，打開80 μs 的定時器中斷，在定時器中斷中讀取5 個信息碼的每一位數(shù)據。

4   單片機控制程序設計

滑動平臺采用24 V直流電機控制滑動平臺的伸縮，在承載100 kg 質量情況下能平穩(wěn)滑動，滑動平臺最大可伸縮距離能達到200 mm。車輛距離發(fā)卡機較遠時，滑動平臺可完全伸出200 mm，車輛距離發(fā)卡機較近時，滑動平臺可滑動合適距離而不碰撞到車輛，方便司機安全取卡或刷卡。伸縮距離依據機箱外殼上所配4 個超聲波測距傳感器探頭測量車輛距離機箱的距離而定，當距離大于設定值時，滑動平臺自動水平伸出，按鍵取卡后，機箱自動縮回原位。

主控制板單片機程序采用C 語言編寫，與匯編相比，C 語言在功能、結構性、可讀性、可維護性方面有明顯優(yōu)勢，易學易用。

主控制程序主要包括車型數(shù)據接收、車檢器中斷、超聲波測距傳感器數(shù)據接收、箱體移動和剎車等工作。車型數(shù)據采用串口中斷方式接收數(shù)據包；車檢器用于檢測車輛是否停在取卡位置，為開關量信號，接入單片機的外部中斷輸入口；箱體移動包括箱體伸出和退回原位，以及加速度、恒速和減速度，由靜止狀態(tài)啟動時為加速度移動，中間移動速度為恒速移動，在接近停止位置時為減速度移動，箱體移動流程圖如圖4 所示。

5   結束語

超聲波測距傳感器具有簡單方便、易于實現(xiàn)、成本低、精度高、不易受環(huán)境影響等特點，可以探測透明物體，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)定地探測出復雜形狀的物體，比如網格托盤、彈簧等。在3 m 測距范圍內，與紅外或激光等測距方式相比具有明顯的優(yōu)勢，在日常生活中應用廣泛，如倒車輔助系統(tǒng)、智能導盲系統(tǒng)、移動機器人、液位測量等。

參考文獻：

[1] 王瑞榮.基于單片機的超聲波測距儀設計[J].電子測試,2021(5):22-23,33.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年7月期）