用于测量冰层厚度的智能检测系统开发

戴含秀,董 建,司 源,张佩哲

(天津职业技术师范大学 天津市信息传感与智能控制重点实验室,天津 300222)

0 引言

气候变化已经使自然界中的冰层厚度持续减少,冬季的风景区或冰上竞技项目的体育场馆等也会对冰层的厚度进行实时监测。因此,开发一种可靠、高效的测量冰层厚度的智能检测系统具有较大的现实意义。随着单片机技术的发展和超声波测厚技术的完善,检测系统也逐步趋于智能化、微型化、网络化,用于测量冰层厚度的智能检测系统应运而生,使得测量冰层厚度的任务由原来耗时耗力、环节繁杂、危险系数高的物理凿冰法,向着简单快捷的自动化、智能化检测方向发展。根据调查研究发现,目前可实现测量冰厚的装置多为功能单一的较大型装置,不适用于居民日常生活使用。为了提升器械的便携性,研究了一种服务于日常生活使用的基于单片机的超声波冰厚检测系统。

1 设计需求分析

气候的变化使得两极的冰川减少,各国的科考队员正在对南北极冰河的冰面厚度进行细致监测,因此冰面厚度检测是科考活动中一个重要环节。河面结冰是我国北方地区常见的自然现象,其厚度的监测对居民冰上活动的安全性具有重要意义。同时,随着冰上体育竞技项目的增多,对竞技冰场的细致监测和处理的需求也越来越多。传统的冰层厚度测量方法主要是通过人工观测或者钻孔测量,这种方法不仅费时费力,而且存在一定的安全隐患。因此,研究一种智能化冰层厚度检测系统具有重要的现实意义。

2 设计理念

2.1 应用原理

本款智能检测系统主要特点是将超声波传感器与单片机进行融合使其协同工作。超声波传感器是一种使用超声波来测量距离的传感器,通过发射超声波脉冲并接收反射波来测量与目标物体之间的距离[1]。单片机是一种常用的微控制器,具有较强的数据处理和控制能力。本系统用单片机接收和处理超声波传感器反馈的数据,并进行相应的控制操作[2]。

智能检测系统的工作过程描述如下。系统先通过单片机控制超声波传感器发射超声波脉冲,超声波脉冲在冰层上传播,并在冰层与水面交界处发生反射。传感器接收到反射波后,将数据传输给单片机。单片机通过反射波的时间延迟来计算冰层的厚度,并将结果显示在相关的输出设备上。超声波在冰层中的传播速度为 3 230 m/s,根据计时器记录的时间t,可以计算出发射点距交界面的距离s,即:s=3 230t/2。因此,可以在冰面放置一个超声波的发射探头和一个接收探头,当发射端发射信号后,超声波在冰层内部传播,当到达另一面时,有一部分超声波会反射回来并被接收端接收,通过计算时间差可得到冰层厚度值[3-4]。

2.2 系统的优点

单片机小巧灵活、成本低、控制能力强,在各行业中有着非常广泛的应用,并且操作简单、携带方便,本智能检测系统首选单片机作为主要控制器件。而超声波具有测量误差小、可靠性高、稳定性好、操作简便等特点,因此智能检测系统将二者统筹融合,充分发挥了各自的优点。

智能检测系统体积小重量轻,使用方便易于携带。而且,超声波测量频率高且波长短,相较于其他的测量方式稳定性更高,产生的误差更低。此外,系统器件维护成本低,易于维护和后期改进,同时能实现实时测量,监测员能在较短时间内得到冰层厚度,从而判断冰面的安全性,减少破冰危险,提高安全系数,为相关冰雪活动的安全提供参考。

3 系统设计

3.1 系统总体设计

冰层测厚仪包括硬件电路和软件程序2部分。硬件电路采用单片机,包含单片机的发射接收电路、显示电路等;软件程序利用C语言程序进行编译,采用模块化设计,具有检测冰层厚度、实现数据储存和显示的功能。

将冰层测厚仪置于冰面,打开开关,发射电路向冰面发射超声波,超声波经过冰水交接反射,接收电路检测到后进行数据收集和传输反馈,反馈至处理程序进行处理,最后由显示电路将冰层厚度等信息显示给人们。该系统构成如图1所示。

图1 系统构成

3.2 系统功能流程设计

系统的实际运行步骤:超声波测厚仪开机通电后,首先进行系统初始化,计数器清零和液晶显示清零;当按下“确认”键后,整个系统开始工作,发射电路开始运行,产生超声波,同时计数器开始工作;之后发射电路停止工作,等待盲区时间过后,接收电路启动,等待接收反射波;当接收探头检测到超声波的反射波时,停止计数,并进入中断程序;在中断程序中,将计数值转换成厚度值并在液晶显示屏显示结果,并将计数器清零。重复上述动作,实现实时检测厚度的要求,在检测过程中,若按下“记录”按键,则将测厚仪当前显示的厚度值以及测厚信息记录下来并在液晶屏上显示,不影响实时检测功能。测厚功能流程如图2所示。

图2 测厚功能流程

3.3 系统硬件设计

本研究的超声波测厚仪选用单片机处理器作为控制核心,它控制整个电路系统的工作运行。发射超声波的驱动电路和接收超声波的接收电路是整个电路系统中的关键部分,因为超声波的反射波信号属于微弱信号,要经过放大处理后才能使用,同时还不能对外界的干扰信号进行放大。按键部分是实现人机交互的关键部分,必须能够准确地对系统进行操作。液晶显示部分作为整个测厚系统的最终输出端,是测厚仪不可缺少的一部分。

在单片机的选型上,常见使用的是STM32C8T6单片机,这款单片机具有较高的性价比和稳定性。在超声波传感器的选型上,可使用的超声波传感器有HC-SR04、JSN-SR04 T等,这些型号具有较高的测量精度和稳定性,适合用于测量冰的厚度。电源电路可以采用稳压芯片或者稳压模块来实现,为系统提供稳定的电源。同时添加一些其他功能的电路,如放大电路、滤波电路等,以提高系统的性能。最后根据需要,选择合适的显示模块,如数码管、液晶显示屏等,用于显示测量结果。器件之间采用杜邦线和焊接线路进行连接。

4 结语

本文提出了一种用于冰层厚度检测的精确测量系统,运用单片机控制原理和超声波测厚原理来实现冰层厚度的测量功能。系统实现了检测冰层厚度的便捷化、自动化和智能化,对科学勘测、体育赛事中冰上项目的顺利举行、冬春季居民的冰上活动安全等都具有较重要的意义。