付承彪， 田安红， 于 龙， 马 美

(曲靖师范学院a.信息工程学院;b.城市学院;c.生物资源与食品工程学院，云南曲靖655011)

0 引言

随着人工智能技术的飞速发展，我国煤矿数字化的进程也在不断地推进［1-2］，在煤矿的开采和传输过程中，皮带检测系统至关重要。然而，由于皮带长时间工作易造成软化和磨损，出现皮带跑偏现象是煤矿中常见的故障，皮带跑偏重则引发火灾，严重威胁煤矿的生命安全。传统采用接触式的方法检测皮带跑偏，且需专职人员维护［3］，在恶劣的煤矿井下环境中，存在大量的粉尘和油泥，传统检测存在漏报等弊端，因此开发一个非接触式的皮带检测系统，实时预测皮带跑偏很有现实意义。然而，专业的测距仪器存在价格昂贵和体积庞大等问题，超声波是基于非接触式的测距原理［4-5］，与红外测距和激光测距技术相比较，不容易受到粉尘、光照强度［6］、电磁波干扰信号等环境因素的影响，其纵向分辨率高，且超声波传感器体积小、信息处理简单［7］等，可应用于煤矿井下的恶劣环境中。因此本文以单片机AT89C51为核心所设计的简单、低成本［8］、高精度的测距系统，具有一定的推广意义。

本文以煤矿井下生产环境为背景，设计了一个基于超声波测距的皮带检测系统，通过系统硬件设计、软件设计和仿真测试［9-10］，在单片机AT89C51、液晶显示模块、HC-SR04超声模块，温度传感器模块和蜂鸣器的控制下，实时检测皮带跑偏系统。首先，在Proteus 7 Professional软件中设计超声波测距仪系统电路;然后，在Keil μVision4软件中用C语言编写实时检测皮带系统的程序;最后，通过上述两个软件的联合测试，当被测物体的距离值小于限定的距离值时，单片机会驱动蜂鸣器进行报警提示。从而实时地检测皮带跑偏现象，确保煤矿生产环境的工作安全。

1 基本原理和设计思路

1.1 基本原理

当物体振动的频率在0.02～20 kHz时，人耳可听到该范围的声音，如果频率超过20 kHz，称为超声波［11-13］，其波长非常短，传播具有方向性，且呈现束状直线传播，可用于测距探测。常用渡越时间法(Timeof-Flight，TOF)进行测距，其工作原理:首先，借助强电脉冲信号方式，使得超声波发射器向物体发射超声波，并启动计时器;其次，发射的超声波遇到被测试的物体之后，会形成反射的回波信号;然后，接收器接收到回波信号，并停止计时器;最后，通过计算出发射器和接收器的时间［14］差值t，和超声波的传播速度c，可以求解出测试点与被测障碍物间的距离:

超声波的传播速度c和温度密切相关，因在大气中传播时，c随周围环境温度升高而加快，当温度变化显著时［15］，需进行温度补偿，近似公式为:

式中，331.4 m/s表示零度状态下超声波的传播速度大小;T表示周围环境的实际温度(°C)。

1.2 设计思路

超声波测距仪的系统结构如图1所示，从图可以看出，本系统包含5个模块，即单片机AT89C51模块，液晶显示模块LCD1602，HC-SR04超声模块，温度传感器模块DS18B20，声音播报模块蜂鸣器。其中采用单片机AT89C51作为控制核心，超声波测距模块采用HC-SR04超声模块，用于测量相邻物体的距离范围，经过温度传感器进行温度补偿后，距离取值在液晶显示器上显示，如果距离值超过指定的距离值时，可以利用蜂鸣器进行报警提示。从而检测皮带跑偏，确保生产线的安全。

图1 超声波测距仪的系统结构

2 系统硬件设计

2.1 超声波测距模块

HC-SR04模块实物如图2所示，HC-SR04模块的工作时序如图3所示，它的测量精度可以达到0.3 cm，测量范围一般为2～450 cm。基本工作原理:当单片机至少提供10 μs的高电平给HC-SR04模块的触发控制信号输入引脚TRIG时，HC-SR04会自动发送方波信号8个，且为40 kHz，同时，HC-SR04会自动进行检测信号的返回情况;当有信号返回时，通过ECHO回响信号输出引脚端来输出一个高电平，通过记录高电平的持续时间的长短，可判断出超声波从发射开始到结束返回来的时间，从而通过测试距离公式

计算与相邻物体的距离大小。式中，c为声速(c=340 m/s)。为了防止发射信号影响到回响信号，一般测试周期时间持续60 ms以上。

图2 HC-SR04模块实物

图3 HC-SR04模块的时序

2.2 温度补偿模块

因为温度对超声波的传播速度影响较大，所以在实际应用中，需设计温度补偿电路来提高距离的测量精度。本系统采用DS18B20温度传感器测试环境温度，并修正超声波的传播速度，减少测量误差。基于DS18B20的温度补偿电路是将DQ端口连接到单片机的某个I/O端口，具有电路结构简单易行和精度高等优势，所测试的温度范围为－55～125°C，而当周围环境的温度在－10 ～85 °C 时，测量的精度可以达到0.5 °C［16］。

2.3 超声波测距仪系统电路原理

本文设计的超声波测距仪系统的电路原理如图4所示，当ECHO回响信号输出引脚端为高电平时，启动单片机的定时器，并进行定时操作;如果ECHO回响信号输出引脚端为低电平，则停止单片机的定时操作。通过式(3)可以计算出S，并通过LCD1602模块显示出距离值，同时，单片机进行比较计算的距离值和限定的警戒距离值大小，当计算出的物体距离值小于限定的距离值时，单片机会驱动蜂鸣器报警提示。

图4 超声波测距仪系统电路原理

3 系统软件设计

3.1 主程序

超声波测距仪的主程序流程如图5所示，可以看出，测距仪系统上电启动后，首先进行初始化操作，初始化LCD1602模块、DS18B20模块和HC-SR04模块;然后通过温度传感器DS18B20进行温度测量，通过超声测距模块HC-SR04进行距离测量;最后所测得的距离值显示在液晶显示器上。当测量出的物体距离值小于限定的距离值时，单片机会驱动蜂鸣器进行报警提示。

3.2 HC-SR04测距仪的流程

HC-SR04测距仪的测距流程如图6所示。在本系统中，HC-SR04模块接收到测试的回波信号后，其回响信号输出端口Echo输出一个高电平信号，并启动开始进行测试距离的操作，单片机AT89C51检测到Echo端口的高电平后，开始进行启动计算器的操作，并进行计数，如果Echo端口变为低电平时，单片机就停止计数。

3.3 测量距离代码

依据超声波测距的原理，在Keil μVision4软件中通过C语言编写代码，其中测量距离和显示距离的代码如下:

图5 超声波测距仪系统的主程序流程

图6 HC-SR04测距仪的测距流程

4 仿真测试与结果

当在Keil环境中编写代码并调试通过后，点击Project菜单，打开 Options for Taget子菜单，并选择Output标签，勾选“Create HEX File”选项，重新进行编译成功后，生成“CSBCJ.hex”的十六进制文件。同时，在ISIS 7 Professional软件中，双击AT89C51单片机，加载CSBCJ.hex，进行联合调试通过后，即可呈现出仿真结果。

假设煤矿井下生产环境当时的温度是73°C，则温度传感器DS18B20显示73°C，仿真效果如图7和8所示，当HC-SR04超声模块探测到与被测障碍物的距离Distance＜0.01 cm时，可以听到蜂鸣器刺耳的叫声。从而提醒皮带跑偏，需引起注意确保井下环境的生产安全。

图7 温度传感器的值

图8 仿真结果

5 结语

本文以单片机 AT89C51为核心，在 Proteus 7 Professional中设计皮带测距系统电路图，并与Keil μVision4联合调试，成功检测煤矿井下的皮带跑偏现象。在Proteus仿真软件中，模拟皮带检测系统测试通过的电路图，能够直接移植到电路板上，进行焊接电路搭建，不仅提高了生产效率，而且避免了在真实电路板上的反复测试验证，节约了人力物力财力。所设计的皮带检测系统结构简单，便于实际生产中的操控，提升了煤矿的自动化生产效率。同时，准确地检测了皮带跑偏现象，确保了煤矿井下环境的安全生产。该系统成本低、设计简单灵活，除了应用于煤矿井下恶劣环境中外，还可推广到机器人避障、液位深度和倒车雷达等领域的测距。由此可见，本设计具有一定的推广和参考价值。