呂耀輝，呂晨暉，余昊，楊文海，鄧周虎，李強

（1.西北大學，陜西西安，710127；2.西安通大思源電器有限公司，陜西西安，710054）

0 引言

隨著現(xiàn)代建筑樓層的增高，當發(fā)生火災、地震等災害時，高樓層居民逃生難度日益增大[1]。若在高樓層安裝智能降落傘，在逃生者使用過程中對周圍進行障礙物探測，并智能提醒逃生者如何正確調(diào)整降落方向，將會大大減輕救災壓力、減少傷亡人數(shù)。本文設計的超聲波測距[2]陣列即可用于智能降落傘對四周障礙物的探測，并在探測到需要躲避的障礙物后，在該方位發(fā)出報警信號，提示使用者向正確的方位降落。

1 系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)通過軟硬件組合實現(xiàn)對四個方位的障礙物循環(huán)探測。硬件部分由四個超聲波測距模塊HY-SRF05構成探測陣列，通過肖特基二極管構成的信號整形電路將探測陣列的探測返回信號整合，作為單片機一個I/O的輸入，單片機通過以輸入捕獲為核心的程序實現(xiàn)對信號的處理，最終向指示模塊發(fā)出控制信號。系統(tǒng)供電采用5V直流便攜式電池，通過USB接口為系統(tǒng)供電[3]。

圖1為本系統(tǒng)的功能框圖。

圖1 超聲波陣列探測系統(tǒng)功能框圖

2 硬件設計與制作

■2.1 制作材料

超聲波智能探測裝置的制作材料包括：PCB板、HYSRF05超聲波模塊、金屬膜電阻器、肖特基二極管、發(fā)光二極管、導線等。

本裝置制作過程中使用的器材有：電烙筆、焊錫絲、剪線鉗、斜口鉗、鑷子。

本裝置的制作成本在60元左右。

■2.2 系統(tǒng)設計

2.2.1 設計方案

超聲波智能探測裝置包括：超聲波探測裝置、預警指示燈。

系統(tǒng)設計采用超聲波探測模塊。超聲波模塊可通過電平調(diào)節(jié)探測范圍，探測精度達毫米級。

2.2.2 電路設計

本系統(tǒng)采用四塊超聲波探測模塊對外界障礙進行探測，將HY-SRF05超聲波探測模塊分別焊接于四塊獨立PCB板。通過對I/O口的配置，單片機向超聲波模塊Trig端輸入一個脈沖寬度大于10μs的正脈沖信號，作為超聲波測距模塊的使能信號。綜合考慮電子元器件的可靠性與系統(tǒng)的循環(huán)速度，本系統(tǒng)中使能信號設置為脈沖寬度為20μs的正脈沖信號。超聲波測距模塊收到使能信號后，向正前方發(fā)射8個40kHz的方波，并自動檢測是否由信號返回。若有信號返回，超聲波模塊Echo端輸出高電平信號，該高電平信號的持續(xù)時間為從方波信號發(fā)出到接受到返回信號的時間[4]。將四個超聲波測距模塊的Echo端分別與四個二極管的正極相連，四個二極管的負極并聯(lián)后連接在單片機的一個I/O上[5]。系統(tǒng)對四個方向循環(huán)探測，因此對二極管的開關頻率要求極高，故信號整形電路采用多子器件肖特基二極管[6]。將接受到的信號通過軟件智能處理，在計算出障礙物的距離后，判斷障礙物是否處在需要躲避的范圍內(nèi)，當判定某方向的障礙物與使用者間的距離小于系統(tǒng)預設的距離時，單片機通過I/O口驅動，使該方向預警指示裝置示警。

在示警裝置中，前、左、右方的示警裝置為發(fā)光二極管，但使用者無法觀察到身后的發(fā)光二極管是否工作，因此后方的示警裝置使用蜂鳴器。

2.2.3 原理圖設計

超聲波智能探測裝置使用Altium Designer軟件進行原理圖設計，如圖2所示。

圖2 超聲波智能探測裝置原理圖

3 軟件設計

（1）本系統(tǒng)以STM32F103C8T6[7]作為控制模塊，控制程序設計包括：主程序設計、輸入捕獲程序設計、指示模塊I/O口配置程序設計。

（2）主程序設計：在主程序中，通過調(diào)用若干庫函數(shù)來實現(xiàn)相應函數(shù)的初始化，其中包括：利用delay_Init進行延時功能的初始化、設置中斷優(yōu)先級分組、串口初始化、利用LED_Init函數(shù)對用于示警I/O口初始化、使能時鐘并開啟輸入捕獲。完成以上初始化與相應配置后，對為示警裝置提供控制電平的I/O口設置初值，即均設置為輸出低電平，使其處于不工作狀態(tài)，設置完成后，令程序進入while(1)循環(huán)。在循環(huán)中，通過Read_Distance函數(shù)讀取障礙物距離，并根據(jù)其與設定值的比較結果，決定示警裝置控制電平的跳變。本系統(tǒng)的示警設定值為3.5米。

（3）輸入捕獲程序設計：本系統(tǒng)選擇時鐘通道3作為輸入捕獲的時鐘通道，根據(jù)芯片手冊，選擇PB1作為輸入捕獲I/O口。首先使能TIM3時鐘與GPIOB時鐘。然后對時鐘通道3進行配置：設定計數(shù)器自動重裝值、設置預分頻系數(shù)、設置時鐘分割、設置為向上計數(shù)模式、選擇輸入端IC3映射到TI1上、配置輸入分頻為不分頻、配置輸入濾波器為不濾波，因超聲波模塊每工作一次，Echo引腳電平被抬高一次，故根據(jù)可靠性原則，對輸入捕獲通道進行配置，將其設置為上升沿捕獲。最后配置中斷：先占優(yōu)先級2級、從優(yōu)先級0級、使能IRQ通道、使能定時器3[8]。

對Echo引腳的高電平持續(xù)的時間進行計時，會存在溢出問題，因此，將對時間的的測量轉換為對溢出次數(shù)的計數(shù)。當對輸入捕獲的狀態(tài)進行判斷時，若判斷為未成功捕獲，則進入是否溢出的判斷，若判斷為發(fā)生溢出，則進行溢出次數(shù)的累加。最后在計算障礙物距離的函數(shù)中，需加上溢出的時間總和。

（4）示警信號I/O口配置程序設計：首先將四個I/O口的時鐘使能。本系統(tǒng)中選擇PB7、PB8、PB9、PB10作為示警I/O口。將此通道的時鐘使能后，依次完成其端口配置、設置為推挽輸出、設置I/O口速度為2MHz、利用庫函數(shù)將數(shù)組內(nèi)容將I/O口初始化，并將其初值均設置為低電平。

4 測試結果

（1）當前、后、左、右任意一方向的障礙物距離小于3.5m時，該方向的示警裝置發(fā)出警報。

（2）當任意兩個方向同時探測的障礙物距離小于3.5m，兩個方向的示警裝置同時發(fā)出警報。

（3）當任意三個方向同時探測的障礙物距離小于3.5m，三個方向的示警裝置同時發(fā)出警報。

（4）當四個方向同時探測的障礙物距離小于3.5m，四個方向的示警裝置同時發(fā)出警報。

（5）任意一個方向的探測精度測試為1mm，與理論值相同。

綜上，本系統(tǒng)實現(xiàn)了對四周障礙物的探測與示警。

5 結束語

作為智能降落傘的探測與示警系統(tǒng)，該裝置的精度高，反應靈敏度強，經(jīng)過實驗，能夠可靠的實現(xiàn)預期功能，提示逃生者如何使用降落傘有效避障，能夠有效降低高層居民在災害發(fā)生時的傷亡率。且該裝置價格低廉，具有良好的實用性。