汪燕

摘 要：为解决师生上下讲台时容易发生摔倒或讲课时失足崴脚等问题，设计了一种基于超声波的讲台探测器。该探测器由主控板和探测子板组成。每个探测子板具有对应的探测区域，探测区域靠近讲台的边沿放置，用来向对应的探测区域发射探测信号，以获取探测区域内人体距离的变化信息。主控板与每个探测子板通过RS485总线联网，主控板根据收到的距离信息判断人体是否到达讲台边沿，给予及时提醒。测试表明该设计能够适时对讲台边沿的人体活动进行探测，预防失足事故发生。

关键词：讲台； 探测； 单片机； 超声波传感器

Abstract： When teachers and students walk up and down to the platform， it is easy to fall down. To prevent such accidents， a kind of platform detector is designed on the base of ultrasonic wave sensor， which includes the main control boards and detector boards. Each detector subboard deals with the corresponding detection area near the platform edge. It can emit ultrasonic waves constantly to obtain the varying distance information when the human body walks up to the platform edge. The main control board is connected to each detector subboard via the bus of RS485. The main control board is used to determine whether a human body reaches the edge of the platform according to the distance information， and send out a warning. The test shows that the design can detect the human activity of the platform edge in time so as to avoid the occurrence of the accident.

Key words： platform； detector； SCM； ultrasonic wave sensor

引言

教室或会场的讲台一般都会有一级以上的台阶，上下讲台摔倒或讲课时失足崴脚的事故屡见不鲜。尤其是教师，讲台是他们的主阵地，目前一般在台阶边沿贴置彩带，能够起到提醒作用，从而在一定程度上减少事故的发生[1]。然而由于脚下区域为教师正常授课时视线的盲区，上述贴置彩带的方式所起到的提醒效果并不显著。本文设计了一种基于超声波智能提醒装置，当人员走到讲台边沿时，通过发声或振动给予提示，避免意外的发生。针对本文设计的讲台失足提醒装置，鲜有国内外类似的专利或文献描述。

1 总体设计

该智能提醒装置由4个超声波探头、连接导线和控制器等部分组成。4个超声波探头安装在黑板两边和讲台上方的天花板上，分别用来探测讲台两侧和前面的边沿。考虑到超声波传感器有波束角，黑板两侧的超声波探头安装时可适当向两侧倾斜[2]。超声波传感器安装效果如图1所示。

系统由主控板和探测子板组成，二者之间利用RS485总线通信[3]，采用一主多从、半双工模式工作。主控板轮流给各探测子板发送测量命令。系统的技术架构如图2所示。图中仅画出2个探测子板，可根据需要增加2个探测前沿的子板。2个120欧姆的电阻起着消除干扰作用，线长小于100米时，2个电阻可省略[4]。主控板以单片机为基础，收发信息可通过SPI、UART等进行，探测子板基于单片机扩展超声波测距模块构成，为提高探测精度，超声波传感器的波束角越小越好。采用US-100超声波测距模块[5]，其波束角不大于15°，工作在串口模式下。主控板每隔50 ms发送一次采集命令，然后轮流采集各控制子板的测距结果。

假设上次测量的距离是dn，下一次测量的距离是dn+1，2次测量的距离之差为Δd。

Δd=dn - dn+1（1）

如果Δd≥30 cm，单片机驱动蜂鸣器发声一次，或驱动振动电机旋转10 ms，提醒注意脚下安全。主控板工作方式有如下配置项：配置传感器是2或4个；关闭或打开提醒；提醒方式发声或振动，共采用4位DIP开关。控制子板提供子板地址配置项，序号分别为0，1，2，3，采用两位DIP开关。

US-100超声波测距模块探测距离为2 cm至4.5 m，工作模式可选择GPIO和UART模式，UART模式下波特率为9600bps。UART模式下，主控板通过RS485总线给US-100超声波测距模块发送0x55，即启动一次测量，工作时序如图3所示。图中虚线框中的操作是US-100自動进行的，无需程序控制。25ms后主控板通过串口读取带温度校准的2个字节的距离值。

2 详细设计

2.1 电路原理

超声波模块的通信接口有多种类型，本设计选择的US-100超声波测距模块设定工作在UART模式下。要求单片机带有2个UART串口和12个GPIO空闲引脚，选用STC12C5A60S2型号单片机作为主控板和探测子板的控制芯片，STC12C5A60S2属于增强型8051单片机。防失足讲台探测器系统原理如图4所示。主控板和探测子板在1张图上，虚线框内是STC125A60S2的最小系统[6]。超声波距离探测器采用US-100模块。提醒器件采用振动马达M1与蜂鸣器BUZ1，分别通过P3.6与P3.7控制。D2为续流二极管。发光二极管D1的功能为通电指示，K1为电源总开关，电源座J2用于连接电路板的5 V电源[7]。

作为主控板时，US-100模块不用焊接。作为探测子板时，振动马达与蜂鸣器及其驱动元件R2～R5、Q1～Q2、D2不用焊接。P0口的低4位上的RN1为上拉电阻，高4位的RN2为D3～D6的限流电阻。拨码开关SW1的功能是：

DIP4-1主控：开关/探测子板：地址选择0

DIP4-2主控：声音开关/探测子板：地址选择1

DIP4-3主控：振动开关/探测子板：未定义，保留

DIP4-4主控：探测子板个数选择/探测子板：未定义，保留

D3～D6共4个LED，分别用于指示4个探测子板的工作状态，点亮表示读不到距离值。作为探测子板时，仅需焊接D3，用于提示工作状态。芯片U3是RS485/UART转换芯片，连接端子J2用来连接主控板与探测子板双绞线作为RS485通信线[8]。

2.2 通信协议

主控板与探测子板采用半双工、一主多从通信方式。主控板为主机，探测子板为从机，每个探测子板通过DIP开关设定不同的地址。每次通信都是由主控板发起，主机发送1个字节的地址信息到RS485总线上，与之匹配的探测子板将响应本次通信，准备数据[9]。

（1）主控板与探测子板都采用115 200 bps的速率。每次通信都由主控板发起，子板只接收地址信息。1次采集过程分为2个过程：1）主机发送广播地址命令所有探测子板开始1次采集；2）主机分别发送各探测子板地址，对应子板响应后回复数据信息给主控板。

（2）主控板只发送2类地址信息给探测子板，分别是探测子板地址和广播地址0xff。探测子板如果是4个，则地址范围是0x01-0x04。探测子板收到0xff，所有子板都开始一次测距，并根据公式（1）计算出的Δd值转换成上报单字节数据，即有警报y和无警报n，对应的ASCII码值为0x79和0x6e。

（3）主控板发出广播地址延时50 m后，再分别发出探测子板地址，切换到接收模式，令多机通信控制位SM2=0，然后延时等待10ms内读取远程探测子板发来的数据。超过10ms未接收到数据，则表示接收不到远程信息，将对应的指示LED点亮，默认本次读取的值为n。接着主控板再发出下一远程子板的地址，获取其探测值，直到轮询完所有的探测子板地址后，再发出广播地址0xff进行下一轮数据的采集[10]。

2.3 探测工作流程

2.3.1 主控板操作流程

主控板工作流程包括上电置初值和探测轮询，如图5所示。图中虚线箭头为顶端方框的子操作流程。

主控板上电后需要进行一系列初始化工作，包括距离初始值、工作状态、串口波特率、状态指示灯，然后置MAX485为发送状态，准备轮询探测子板的距离值[11]。图中仅画了1个探测子板的情形，根据探测子板个数需要重复2次或4次。如果读不到距离值，则设置该点的距离值为n，同时点亮图4中的D3-D6中相应的状态二极管。一个探测子板读不到数据并不影响其它探测子板的探测效果。

2.3.2 探测子板的操作流程

探测子板的操作主要包括：上电后置本机地址初值、设置串口初始化和应答轮询，操作流程如图6所示。

图中虚线箭头为顶部方框的子操作流程。探测子板有一个工作指示LED D3，在执行控制主板发来的命令期间D3被点亮。控制子板上单片机主要任务是：设置本机工作地址，接收控制主板数据并启动US-100探测，上报距离信息和切换MAX485工作状态是发送还是接收，保证半双工收发正常进行。US-100接收操作命令0x55后，自动启动一次距离探测。CPU读取后等待控制主板读取。距离值由2个字节表示：HB和LB，HB 为高位字节，LB为低位字节。距离值为 ：（HB*256 +LB）mm，结果不需要温度校准。根据公式（1），如果Δd≥30，则本次的探测结果为‘y，否则为n。

3 结束语

[CM（20]本文详细阐述了系统的总体设计方案，给出了系统的硬件原理图、探测过程设计和通信协议。该系统将探测子板通过RS485总线进行组网，能方便用户对系统工作参数集中配置和远程管理。测试表明系统具有灵敏度高、时延小的特点，为讲台授课提供了一个贴心的安全装置。针对智能教室的安全设计要求，本系统有着不错的应用和推广前景。

参考文献

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