摘 要: 本文运用超声波发生器向轮船四周发射超声波,测量船体周围障碍物离船的距离,通过LED显示.对轮船的安全进港提供了技术保障. 文章从硬件电路和软件系统两方面分析了该装置的工作原理，针对超声波受温度影响较大的弱点进行了温度补偿。对于在视线不良的情况下使轮船安全进港，有着重要的研究意义。

　　关键词: 超声波，传感器，单片机，轮船安全进港

Key Word ultrasonic, sensor, singlechip, safety of ship putting in 1 引 言轮船进港是驾驶中技术中要求比较高的部分。由于港口附近障碍物较多，给轮船能够安全快速地停靠岸边带来了困难。以往我们采用的大多是人工寻呼的方式。即港口工作人员目测轮船位置通过对讲机给船员指示，帮助轮船安全停靠。这种方式准确性不够，要求船员技术性强，并且需要港口工作人员的配合度较高。特别是在视线不良的情况下，仅靠船员目测，准确性就大大降低了。本文设计了一种超声波装置，它能使船只更加安全准确地进港。超声波作为一种信息载体，具有定向性好、能量集中、在传输过程中衰减较小、反射能力较强、成本较低,对人体无害等优点。利用超声波的反射回波来探测轮船与障碍物之间的距离，能够更加具体准确得帮助船员安全停靠船只。 2超声波在轮船进港中运用原理根据需要，在轮船四周装上超声波传感器,向轮船四周发射超声波, 在发射的同时开始计数，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即反射回来，超声波接受器收到反射波就立即停止计数. 超声波在空气中的传播速度为(此值与空气的温度有关)，根据记时器记录的时间，就可以计算出发射点到障碍物的距离，即。每组传感器所测量的障碍物的距离通过LED显示出来.这样,船员就能清楚的知道在船体的哪个位置离多远有障碍物。 3硬件电路 3.1 MAX7219的功能介绍MAX7219[1]是CMOS 串行接口的LED 显示驱动芯片，它仅占用GMS97C1051的3条I/O线(时钟、数据输入、数据锁定信号)即可实现数据的LED显示，并可通过软件对LED显示亮度进行控制。MAX7219特点为:10MHz串行接口;专用LED段控制器;数字和模拟亮度控制;具有16个内部寄存器;使用16位数的数据格式。MAX7219占用很少的单片机接口，显示出轮船所测出的障碍物距离。 3.2 GMS97C1051的功能特点GMS97C1051[2]是具有1K字节EPROM的高性能OTP微控制器，它与MCS-51的指令系统完全兼容，其封装为20线双列直插窄行封装，因而它是一种功能强大、体积小巧的微控制器，它为很多嵌入式控制应用提供了高度灵活的解决方案。GMS97C1051有以下特点：1K字节的EPROM;64K字节的RAM;15根I/O线;16位定时/计数器;三个向量二级的中断结构;一个精密模拟比较器;片内振荡器和时钟电路;此外它还支持二种软件可选的节电方式，掉电方式保存RAM内容。

　　GMS97C1051有两个16位定时/计数器(T0/T1)。作为定时器，每个机器周期寄存器加1，这样寄存器即可计数机器周期，由于一个机器周期有12个振荡周期，故计数频率等于振荡频率的1/12;作为计数器，该寄存器在相应的外部输入脚(T0/T1)上出现从1至0的变化，故最大的计数频率等于振荡频率的1/24，通过对外部中断INT0/INT1编程，便可测量脉冲宽度。充分利用GMS97C1051的内部资源即可实现轮船测量障碍物的全部功能。 3.3 硬件电路设计硬件电路的原理图如图1所示：

　　超声波是由4011构成的振荡器产生振荡，经升压变换推动超声波换能器而发射的，振荡器是由GMS97C1051控制，P15为高时，振荡器起振，停止发射超声波。超声波接收换能器将接收到的反射回波变换为电信号，经放大器放大，采用高增益、低噪声的OP07运算放大器，对放大后的信号进行整形，送到GMS97C1051的P14。由GMS97C1051测得从超声波发射到接收到其反射回波的时间间隔，计算出离障碍物的距离。

　　该设计方案为传感器测得在20米内有障碍物时，数码管显示出距离。所以在设计时，以20米超声波返回而被接收到的时间决定超声波发射的间隔。

　　C=345米/秒，则T=2*20/345=0.12秒

由于传感器是同时发射超声波，为了避免发生混淆的现象，所以必须区分每个换能器发射的超声，在这里脉冲信号采用调幅信号，固定载波的频率，而采用不同的调制信号，与目标物接触后，被反射，反射超声脉冲被检测传感器接收。其中，载波的频率有换能器来确定，即载波频率就是换能器的固有频率。由于船体的不规则，发射的传感器信号可能被另一个传感器接收，这样，只要解调出调制信号，就可以判断出是哪个传感器发射的。 图1 轮船安全进港设计原理图

　　Fig.1 The principle of the design

　　3.4 声速校正模块超声波在空气中传播的速度会受到温度、湿度，大气压力等因素的影响[3]，在这些因素中，温度对其速度的影响更大一些，超声波在理想气体条件下空气中传播速度可以表示为：

　　式中，M-气体的分子量，r -气体的定压比热与定容比热之比，R-摩尔气体常量，T-热力学温度。根据一般条件下的温度变化情况，考虑到程序中实现的方便，利用查表法来做声速校正。实验中所用到的温度(oC)与空气中对应速度值(m/s)如表1所示。在实际应用时可根据精度要求，划分更多的采样点。

　　表1超声波在不同温度下的传播速度

Tab.1 The speed of ultrasonic under different temprature 温度 -10 0 10 20 30 速度 325.5 331.5 337.5 343.5 349.5 在系统设计中采用了美国DALLAS公司最新推出的一种可组网数字式温度传感器DS18B20[4]，它体积小，电压适用范围宽(3V~5V)，用户还可以通过编程实现9~12位的温度读数，即具有可调的温度分辨率。DS18B20只有一个数据输入/输出口，属于单总线专用芯片之一，大大提高了系统的抗干扰能力。其内部采用在线温度测量专利技术，测量范围为-55℃~+125℃，在-10°C~+85℃时，精度为±0.5°C。实际工作时根据现场环境，设定声速校正的取样点，达到克服环境温度对声速的影响，提高测量精度。 4系统软件设计轮船安全进港系统的软件采用模块化设计，由主程序、测距子程序、显示子程序等模块组成。如图2、图3所示。主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制。测距子程序主要完成时间值的读取、距离计算、进行时间监测。

　　当轮船将要进入港口时启动该系统，船身四周的换能器开始测距。整个系统实用方便。 5几种发射信号的比较此设计的发射信号除了可以用超声波信号之外，理论上还可以用激光、微波、红外线等其他信号。下面我们对这几种发射信号的可行性作个比较。

　　(1) 激光信号

　　激光测距的测量和定向精度极高，可以测量很远的距离(多达若干公里)，对电磁干扰不敏感，但是为了保护人眼，国家对激光测距的工作波长和功率有一定的限制，而且价格比超声波测距昂贵许多，一般在数千美圆左右，另外，激光测距在污物，泥水飞溅的环境里适应能力差，需要定期清洁保养。一般用在高端的军事武器上较多。

　　(2)微波信号

　　微波测距用多普勒效应测量距离以及物体运动速度，对尘埃和泥水不敏感，抗雾能力强，成本不如激光测距高，相当常用。但是抗电磁干扰的能力稍差，系统构件比较复杂，需要在设计时认真考虑。

　　(3)红外线信号

　　红外线测距的精度比较高，但是测量距离很小，一般多用在照相技术中。

　　(4)超声波信号

　　超声波测距的范围一般在10—30米左右，受温度的影响较大，需要进行温度补偿。但是抗电磁干扰能力强，由于声波的传播速度不快，一般不用来测量正在高速运动的物体，但是测量一般运动的物体结果仍比较理想。

　　综上比较，此设计的发射信号选择超声波信号比较合适。 6结束语超声波信号受外界影响较小, 测量的距离精确，能满足轮船安全准确进港的要求。同时用单片机设计的测距系统具有硬件结构简单、工作可靠、测量误差小，成本低等特点。经过反复现场实验，整个设计工作稳定，可靠，实用性强。所以该设计的应用前景非常广阔。特别是在轮船进港视线不良的情况下，有着重要的研究意义。

　　参考文献

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