超声波测距传感器在高速公路自动发卡机中的应用

0   引言  

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发卡机代替人工发放通行卡的应用越来越广泛。自动发卡机在使用过程中的一些缺点也逐渐显现，比如，由于司机操作不当或发卡机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，利用超声波测距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：120524324@qq.com。  

1   超声波测距传感器原理  

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。  

2   系统设计  

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。  

3   超声波测距传感器数据接口  

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。  

4   单片机控制程序设计  

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。    

5   结束语  

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。  

参考文献：  [1] 王瑞荣.基于单片机的超声波测距仪设计[J].电子测试,2021(5):22-23,33.