超声波测距传感器在高速公路自动发卡机中的应用

高速公路运营单位为节省人力成本达到降本增效的目的,在收费站入口安装自动安装位置不当等原因,当车辆完全停下后距发卡机距离较远,司机伸手无法顺利取卡。为解决该问题,在自动发卡机上增加滑动平台,利用功能检测车辆离发卡机的距离,自动伸缩平移,缩短车辆与发卡机的距离,避免司机下车取卡,实现安全、方便、快捷取卡通行,节省取卡时间,增加通行效率。

作者简介:黄涛(1983—),男,南昌人,工程师,主要研究方向为高速公路机电设备的研发。邮箱:。

物体振动时都会发出声响。在物理学上,频率的定义为物体每一秒振动的次数,单位为赫兹。超声波是高于两万赫兹的声波[1]。超声波测距传感器包括超声波发射器和超声波接收器,通过发射器向某一方向发射一定频率的超声波(频率一般大于20 kHz),在发射超声波的同时开始计时,超声波在空气中传播碰到障碍物立刻反射回来,超声波接收器收到反射回来的超声波后立即停止计时。超声波测距传感器就是利用超声波在空气中传播,碰到障碍物往返时间,再乘以超声波传输速度,即可求得距离障碍物的距离,原理示意图如图1 所示。

假定S 为被测障碍物到测距仪的距离,超声波往返时间为 t,超声波传播速度为 v,则被测距离S = vt / 2。

高速公路自动发卡机包括上工位和下工位发卡箱体,分别用于大型车辆和小型车辆发卡,主要硬件控制电路包括以STM32 单片机为主控制芯片的控制电路、上工位测距仪、上工位箱体移动电机及驱动电路、上工位箱体刹车机及驱动电路、下工位测距仪、下工位箱体移动电机及驱动电路、下工位箱体刹车机及驱动电路、车检器和车型识别器,系统示意图如图2 所示。

当车辆进入收费车道时,车型识别器自动识别车辆类型,并将车型数据通过RS-485 串口发送至发卡机。随后,车辆行驶至取卡位置,车检器检测到车辆,发卡机根据车辆类型判断上工位还是下工位发卡,大型车辆为上工位发卡,小型车辆为下工位发卡。根据超声波测距传感器测量到的发卡机箱体距离车辆的距离,发卡机箱体滑动装置自动调节箱体移出距离。

超声波测距传感器采用成熟稳定可靠的超声波雷达技术,测距范围广,可准确探测到0~3 m 以内的障碍物距离,测距精度可以达到1 cm,结合滑动平台移动伸出合适距离,保证通过自动发卡车道的车辆驾驶人员能方便安全地取到通行卡,同时避免发卡机碰撞到车辆。超声波测距传感器通信电气接口为单线UART 方式,高电平(+5 V)为逻辑1,低电平(0 V)为逻辑0,空闲时为高电平。整个通信协议由5 个有顺序的信息码组成,分别是P0、P1、P2、P3、P4,其中P0 固定为0xC4,P1、P2、P3、P4 分别对应4 个测距探头(本项目采用的超声波测距传感器有4 个探头)的测距数据,信息码的波形时序图如图3 所示。

每个信息码由“前导码(010)”、8 bit 数据码、1 个停止位组成,共12 个bits,即Pi=010+Di+1,其中i 分别为0、1、2、3、4,信息码的每个bit 时间宽度固定为80 μs。

超声波测距传感器数据码定义:P0,控制码,固定为0×C4;P1、P2、P3、P4:对应4 个测距探头的测距数据,在信息码时序图的表现为从左至右顺序,单位为2 cm,取值范围是0 ~ 150,对应的测量距离为0.0~3.0 m,例如0×10 代表32 cm。特殊值0xFF 代表无穷远,即没有探测到障碍物。

将超声波测距传感器的数据输出线接入单片机I/O端口,并设置为外部中断,下降沿触发。当传感器有测距数据输出时,单片机触发下降沿中断,延时40 μs 后,打开80 μs 的定时器中断,在定时器中断中读取5 个信息码的每一位数据。

滑动平台采用24 V直流电机控制滑动平台的伸缩,在承载100 kg 质量情况下能平稳滑动,滑动平台最大可伸缩距离能达到200 mm。车辆距离发卡机较远时,滑动平台可完全伸出200 mm,车辆距离发卡机较近时,滑动平台可滑动合适距离而不碰撞到车辆,方便司机安全取卡或刷卡。伸缩距离依据机箱外壳上所配4 个超声波测距传感器探头测量车辆距离机箱的距离而定,当距离大于设定值时,滑动平台自动水平伸出,按键取卡后,机箱自动缩回原位。

主控制板单片机程序采用C 语言编写,与汇编相比,C 语言在功能、结构性、可读性、可维护性方面有明显优势,易学易用。

主控制程序主要包括车型数据接收、车检器中断、超声波测距传感器数据接收、箱体移动和刹车等工作。车型数据采用串口中断方式接收数据包;车检器用于检测车辆是否停在取卡位置,为开关量信号,接入单片机的外部中断输入口;箱体移动包括箱体伸出和退回原位,以及加速度、恒速和减速度,由静止状态启动时为加速度移动,中间移动速度为恒速移动,在接近停止位置时为减速度移动,箱体移动流程图如图4 所示。

超声波测距传感器具有简单方便、易于实现、成本低、精度高、不易受环境影响等特点,可以探测透明物体,包括从玻璃和液体表面反射的回波,还能抵抗雾气、灰尘和污垢颗粒,可稳定地探测出复杂形状的物体,比如网格托盘、弹簧等。在3 m 测距范围内,与红外或激光等测距方式相比具有明显的优势,在日常生活中应用广泛,如倒车辅助系统、智能导盲系统、移动机器人、液位测量等。

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