试析剪断钳控制系统设计中超声波测距的应用

2020-07-15 408 上传者：管理员

摘要：在生产生活中，剪断钳是常见的工具，常常用来剪断电线、细钢丝，是机械，建筑，电气行业一个大量使用且必不可少的工具，普通的剪断钳只能单纯的剪断，不具有测量的功能或者是简单的测量功能，不能满足现在工业与日常生活的需要，因此设计一款具有测量功能的剪断钳很有必要，可以提高生产作业效率。

关键词：
剪断钳
声学
控制芯片
超声波测距原理
超声波测距技术
加入收藏

本文探讨了超声波测距的原理与优势，并利用超声波测距技术，设计了一款具有测量功能的剪断钳控制系统。该系统主要包含了单片机AT89S52，超声波发射与接收器，温度传感器，电机控制模块，剪断装置等，重点阐述硬件电路的设置和主程序流程，并对超声波速度进行了温度修正，提高了测量精度，最终实现了量剪一体化。

在生产生活中，剪断钳是常见的工具，常常用来剪断电线、细钢丝，是机械，建筑，电气行业一个大量使用且必不可少的工具，普通的剪断钳只能单纯的剪断，不具有测量的功能或者是简单的测量功能，不能满足现在工业与日常生活的需要，因此设计一款具有测量功能的剪断钳很有必要，可以提高生产作业效率。

随着计算机、自动化等科学技术的高速发展，在测量方式方面，有极大的发展与改进，主要分为两类：传统的测量，就是接触式的测量，拿测量工具直接测量物体；现代的测量，非接触式的测量，主要测量手段有毫米波雷达测距、激光达测距、超声波测距、红外线测距等。

当声波的振动频率超过20000赫兹，称其为超声波。它和其它波一样，也具有折射和反射的性质，故超声波也可以像用于距离的测量中。相比之下，超声波测距具有以下优点：

（1）纵向分辨率高，方向性强，并可以对近距离目标进行直接测量。

（2）抗干扰性能好，不易受到烟、雾、光等其它信号的干扰。

（3）通常用于测量距离的超声波发生装置的结构都比较简单，故稳定性较好，价格便宜。

（4）超声波测距有着较为广泛的应用前景，常常应用在自动化装备中，如：工业控制、液面测量、机器人移动与避障等。

1、超声波测距原理

超声波是一种机械波，其振动频率f>20kHz。超声波测距的基本方法是TOF渡越时间检测法，如图1所示。简单地说，就是用发射出去的超声波遇到障碍物，反射到接收器所需要的时间来计算距离。假设，超声波发射装置与障碍物之间的距离为D（m），计时器启动与停止的时间差为t（s），超声波在介质中传播速度为v（m/s），如图1所示，超声波折射和反射的距离大约为被测物体长度的2倍，故被测物体的为：

当超声波在同一种介质中传播时，温度对超声波的影响是最大的，在常温环境下，声波在空气中的传播速度通常为340m/s。如果温度变化的较大的时候，为保证测量的准确性，就要对声波速度v进行修正，其温度修正公式为：

式中，T为实际温度单位为℃。

图1测距示意图

2、系统设计

2.1硬件电路设计

自动控制系统主要由AT89S52单片机、超声波发射器和接收器，电机控制电路、LCD显示模块、温度传感器、蜂鸣器等组成，系统结构框图如图2所示。

图2系统结构框图

（1）控制芯片

本文采用的单片机型号是AT89S52，控制电路如图3所示。

图3控制电路

（2）超声波测距模块

通过程序，利用单片机端口输出40000赫兹的方波脉冲信号，与此同时启动单片机内部的计时器/定时器T0，超声波发射出去的时候T0开始计时。单片机引脚功率太小不足以驱动超声波发射器，作为控制引脚使用，发射传感器UCM-T40KI需要外接电源。接收传感器探头UCM-R40KI接受回波信号的同时，测量环境可能存在多种干扰信号，需要对回波信号进行放大且滤除或抑制干扰信号。CX20106A芯片能较好的放大信号和滤波，将此款芯片处理好的的回波信号，传入单片机中；同时温度传感器温度送入单片机，修正超声波的速度。经过程序处理，将时间差转为被测物体的长度，此时LCD液晶显示测量的距离，误差3mm内。

图4超声波发射电路

图5超声波接收电路

（3）电机模块

达林顿阵列系列产品ULN2003优点是能承受较高的电压和大电流，因此采用ULN2003驱动直流电机正反转。

2.2软件设计

首先在钢丝或者电线顶端设置小型障碍物，然后通过按键模块向AT89S52单片机输入期望长度；接着单片机向超声波发射器发出控制信号，超声波发射出去与此同时启动单片机的计时器，超声波在介质中传播，一旦碰撞到障碍物后，超声波就会被障碍物反射回来；当超声波接收器接收到反射回来的信号，计时器立刻停止计时；温度传感器将检测的环境温度反馈给单片机，单片机以此来确定声波的速度；最后，通过程序处理，单片机综合时间差和声波速度，算出长度，并对比期望值，由LCD显示结果，如果没有达到期望长度，反复上述过程，当直至到达期望长度时蜂鸣器报警，此时单片机控制电机，电机带动剪断装置，剪断电线或者钢丝。

图6主程序流程图

3、结论

本文以剪断钳为研究对象，采用单片机AT89S52为控制芯片，结合超声波测距模块，温度测量模块，电机控制模块，实现剪断钳的测量功能，并且增加了超声波温度修正，提高测量准确性。

王能书,袁伟华,罗鑫鑫,王虎,贺沅玮.基于超声波测距的剪断钳控制系统设计[J].电子世界,2020(12):157-158.

基金:2017年地方高校国家级大学生创新创业训练计划项目(项目编号:201713924005).