時間：2023-04-03 09:47:18
導(dǎo)語：在檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文的撰寫旅程中，學(xué)習(xí)并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優(yōu)秀范文，愿這些內(nèi)容能夠啟發(fā)您的創(chuàng)作靈感，引領(lǐng)您探索更多的創(chuàng)作可能。
運(yùn)動目標(biāo)檢測是將運(yùn)動的目標(biāo)(如車輛、人等)從視頻圖像序列中提取出來，是視頻的后續(xù)處理，如日標(biāo)分類、目標(biāo)跟蹤以及行為理解等機(jī)路視覺的高級應(yīng)用的纂礎(chǔ)。本文采用的運(yùn)動目標(biāo)槍測算法結(jié)合了混合高斯建模和幀間差分算法，以及形態(tài)學(xué)的閉運(yùn)算.為后續(xù)處理提供1個連通的、去噪的運(yùn)動目標(biāo)二值圖?；旌细咚菇是通過使用K(一般取3一S)個高斯概率密度函數(shù)來精確地量化圖像中每個像索的值。K個高斯分布按照優(yōu)先級進(jìn)行排序，然后與像素伍進(jìn)行匹配判斷，若匹配，則用該像素值對高斯模型進(jìn)行均值、方籌的更新:若像素值與K個分布都不匹配，則新增加一個高斯分布，均值為當(dāng)前的像素俏.方差初始化為一個較大的值:對十未匹配的高斯分布，其均值和方差保持不變。排匹配完一個像素，需修改所有的高斯分布的權(quán)重系數(shù)，對于匹配的分布模型.則增大其權(quán)重;對于不匹配的分布模型，則降低其權(quán)重。因此，K個高斯分布表征的是圖像序列中最頻繁出現(xiàn)的像素值的模型，即背景模型，只要選取一個合適的閡放.就可把這些高斯模型合成一幅背景圖像，進(jìn)而得到運(yùn)動的前景圖。混合高斯建模能夠動態(tài)地維護(hù)和更新背景，對環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，尤其是解決了背景環(huán)境受頻繁擾動，如下雨、樹葉擾動、水波紋等情況一下.難以提取的問題。幀間差分w}的原理是對視頻圖像序列中相鄰兩幀或者足多幀作差分運(yùn)算.利用兩幀圖像之間的差異來提取運(yùn)動目標(biāo)。幀間差分算法簡單，運(yùn)算速度快.對環(huán)境有較強(qiáng)的的適應(yīng)性，但是，幀圖2顯示的是運(yùn)動前景提取的效果?？梢钥闯觯瑘D(b)是高斯背景建模算法提取的前景圖.圖中右上角有一輛車運(yùn)動速度慢，且顯示的顏色大部分是相同的黃色，且高斯背景更新地比較慢，因此，該車大面積被判定為背景，檢測的效果不佳。圖(c)是幀間差分算法提取的前景圖，圖中檢測的汽車內(nèi)部存在空洞部分圖(d)是結(jié)合兩種算法得到的運(yùn)動二值圖.由圖可知，本文提出的弊法規(guī)避I單獨(dú)使用高斯背景建模和幀間差分算法的缺陷，融合r兩種算法的優(yōu)勢，得到一個更準(zhǔn)確的前景圖。圖(e)是經(jīng)過閉囚運(yùn)算輸出的連通、消噪的二位圖。
2.車輛識別算法
車輛識別的主要內(nèi)容是通過分析交通視頻圖像，從中獲取車輛的特征，用于從運(yùn)動物體'R”提取出汽車。本文車輛的識別是通過對汽車輪廓的再分析，提取出輪廓內(nèi)連通區(qū)域的面積和包括汽車輪廓的最小四邊形的長寬比值作為汽車的特征量，進(jìn)行汽車的識別。輪廓提取算法輸入的是一幅運(yùn)動二值圖，目的是對連通的圖像進(jìn)行邊界跟蹤，從而得到一個有序的、壓縮的、表征目標(biāo)輪廓的邊界點(diǎn)集。本文的輪廓提取算法采用的是八領(lǐng)域的邊界跟蹤算法。圖中“P”代表當(dāng)前像素點(diǎn)，其周圍8個像素點(diǎn)為點(diǎn)P的八鄰域，八鄰域的方向碼如圖3所示。八領(lǐng)域邊界跟蹤算法c5},}i先，系統(tǒng)從左到右，土到下對二值圖像進(jìn)行掃描。如果點(diǎn)P(i.J一”為0o”且點(diǎn)P(i.J>為‘'t'，則記點(diǎn)P(i.,l)為邊界跟蹤的起始點(diǎn)PO，同時，設(shè)八領(lǐng)域的搜索方向碼dir的初值為70其次，按逆時針方向依次判斷當(dāng)前點(diǎn)尸的八鄰域像素值是否為“I"。若當(dāng)前搜索的像素r}不為.t.，則d介十主，繼續(xù)搜索，直到找到下一個邊界點(diǎn)，記為湯.同時記下該像素對應(yīng)的坐標(biāo)值和力‘向碼。母一個新邊界點(diǎn)的搜索，都要設(shè)置d行起始方向，dir的設(shè)置由公式1給出。不斷重復(fù)這個步驟，直到pn=p0。，邊界搜索結(jié)束，得到一個閉合的目標(biāo)輪廓。dir=(dlr+7)mod6,diro為偶數(shù)(dir+6)mod氏dir為奇數(shù)(I)本文的設(shè)計(jì)中，搜索的足連通域最外層的邊界，即物體的輪廓。輪廓數(shù)據(jù)的壓縮.采用的是壓縮同一方向的點(diǎn)集，只用直線的兩端點(diǎn)來表示的方法。得到了物體的輪廓后，進(jìn)而計(jì)算該輪廓內(nèi)連通區(qū)域面積的大小以及包圍輪廓的最小四邊形的長寬比值，用十從眾多的運(yùn)動物體中篩選出汽車。圖9所示是汽車的識別結(jié)果，輸入的二值圖像(a)中，包含了行人和自行車以及大片的噪聲，利用本文提出的汽車識別算法，有效地在這些物體中提取出了汽車，如圖(h)所示。
3.車輛跟蹤算法
目標(biāo)跟蹤算法需要具備實(shí)時性以及穩(wěn)定性，用于跟蹤的目標(biāo)特征ipk不僅滿要具備尺度變化、旋轉(zhuǎn)不變性，還要求數(shù)據(jù)最小，具備獨(dú)特性。目前存在的跟蹤算法如粒子濾波算法、Camshift}0}算法，[1標(biāo)特征量如灰度直方l婦、角點(diǎn)、紋理等信息都不適宜路面車輛的跟蹤。本文提出了質(zhì)心跟蹤算法。2i#輛汽車都有自己獨(dú)一無幾的行}i}1軌跡，同一時刻不Il的汽車其質(zhì)心位置相差比較大，日_同一輛汽車在前后兩ipr;i的質(zhì)心位置變化較小。此外，可以采用前后兩幀物體質(zhì)心的距離來進(jìn)行汽車的匹配和跟蹤。質(zhì)心是包圍物體輪廓的最小四邊形的中心。運(yùn)動物體以前后兩幀質(zhì)心的歐式距離作為匹配和跟蹤的依據(jù)，通過設(shè)置一較小的距離閩值n，對該趾離進(jìn)行判斷。在距離閡值范圍內(nèi)的認(rèn)為是同一物體。質(zhì)心匹配是通過兩個雙鏈表的查詢和比較來實(shí)現(xiàn)的。兩個鏈表.一個是.}y前鏈表，一個是歷史鏈表，分別用于保存當(dāng)前幀和前一幀所有物體輪廓對應(yīng)的信息。要匹配前后兩l隨對應(yīng)的物體，就要在歷史鏈表中找到與當(dāng)前鏈表一一對應(yīng)的物體，并用當(dāng)前鏈表的數(shù)據(jù)對歷史鏈表中對應(yīng)物體節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行更新。因此，歷史鏈表隨時問更新，動態(tài)地保存著運(yùn)動物體的信息。匹配算法的關(guān)鍵在于維護(hù)和更新歷史鏈表。歷史鏈表的更新操作分為3種悄況.一是對于新出現(xiàn)的物體，則應(yīng)在歷史鏈表中添加該物體對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)信息:二是對于消失的物體，則應(yīng)該在鏈表中刪除對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)信息:二是對于找到匹配的物體，則應(yīng)用當(dāng)前鏈表中物體的信息對歷史鏈表中對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行更新:因此.歷史鏈表的更新午要完成保持對原有物體跟蹤的同時，動態(tài)地添加新物體和刪除消失的物體。圖4是質(zhì)心跟蹤算法的效果圖。圖中顯示的是連續(xù)4幀的汽車跟蹤畫而，跟蹤到的汽車以不同的數(shù)字編碼表示。圖巾，同一輛汽車的標(biāo)號始終未變.說明，路面車輛這4幀圖像中得到了準(zhǔn)確地匹配和跟蹤。因此，本文提出的質(zhì)心跟蹤算法實(shí)時、有效、且準(zhǔn)確無誤。
4.功能模塊設(shè)計(jì)
該模塊主要實(shí)現(xiàn)交通監(jiān)控中常用的功能。如車流量的統(tǒng)計(jì)、車輛行駛方向的判斷、車輛行駛速度的分析:記錄車輛的違章行為，如逆向行駛、違章停車、越線等?；谲囕v的匹配和跟蹤功能的實(shí)現(xiàn)，結(jié)合其他圖像分析的技術(shù)，還能便捷地實(shí)現(xiàn)其它路面車輛分析技術(shù)中所用到的功能。圖5顯示了一個簡單的車輛監(jiān)測系統(tǒng)的界面，畫面中包含了3個信息、:跟蹤到的汽車鑲-輛汽車以其質(zhì)心處的數(shù)字標(biāo)號表示):汽車的行駛方向(以矩形框不同的顏色區(qū)分，黑表示向右行駛，白色表示向左行駛):不同行駛方向下的車流量(畫面的左上角和右上角以對應(yīng)的顏色表示出車流量的統(tǒng)計(jì)情況)。
5.結(jié)束語
論文摘要:本文圍繞區(qū)域創(chuàng)新體系建設(shè)理論，結(jié)合云南省曲靖市區(qū)域創(chuàng)新等方面的成功實(shí)踐，進(jìn)行深入分析研究，構(gòu)建了曲靖市區(qū)域創(chuàng)新系統(tǒng)的總體模型，并進(jìn)一步提出了構(gòu)建四大集成創(chuàng)新子系統(tǒng)(區(qū)域宏微觀科技管理集成子系統(tǒng);區(qū)域農(nóng)業(yè)創(chuàng)新集成子系統(tǒng);區(qū)域民營企業(yè)創(chuàng)新集成子系統(tǒng);工業(yè)創(chuàng)新集成子系統(tǒng))是建立區(qū)域創(chuàng)新系統(tǒng)的重要支撐。然后通過理論歸納，將支撐區(qū)域創(chuàng)新系統(tǒng)建設(shè)的四大創(chuàng)新集成體系進(jìn)行了邏輯化、系統(tǒng)化、模式化的提升，并提出了一系列保障各集成體系運(yùn)行的對策措施，使該體系的建設(shè)具指導(dǎo)性和可操作性。
0引言
當(dāng)代經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)的信息化、知識化、全球化和區(qū)域化等特征，使區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨著新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。在此新的時代背景中，區(qū)域創(chuàng)新能力正日益成為區(qū)域經(jīng)濟(jì)獲取國際競爭優(yōu)勢的決定性因素和區(qū)域經(jīng)濟(jì)參與競爭優(yōu)勢的重要標(biāo)志，而構(gòu)建區(qū)域創(chuàng)新系統(tǒng)已經(jīng)成為各區(qū)域?qū)崿F(xiàn)新世紀(jì)快速發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。因此，深入研究和認(rèn)識區(qū)域創(chuàng)新系統(tǒng)理論，對于加速我國區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和指導(dǎo)地方技術(shù)創(chuàng)新工作有著重要意義。本文擬以云南省曲靖市為考察對象，對區(qū)域創(chuàng)新體系建設(shè)理論作一探討。
1．曲靖市區(qū)域創(chuàng)新系統(tǒng)建設(shè)中存在的問題
1.1高校數(shù)量小，科技實(shí)力不足，創(chuàng)新人才資源少曲靖市基本，全日制學(xué)校中有師范學(xué)院1所、職業(yè)技術(shù)學(xué)院1所、中專7所、高完中52所、初級中學(xué)203所、完全小學(xué)1887所、中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校12所、特殊教育學(xué)校4所、幼兒園328所、教師進(jìn)修學(xué)校9所。與其他省份相比，科教實(shí)力不足，這嚴(yán)重制約了曲靖市知識創(chuàng)新能力的進(jìn)一步提高。區(qū)域創(chuàng)新系統(tǒng)需要的創(chuàng)新人才總量不足。另外，人才結(jié)構(gòu)也不盡合理，不能適應(yīng)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的科技創(chuàng)新能力的進(jìn)一步提高，這主要表現(xiàn)在信息技術(shù)、新材料技術(shù)、環(huán)保產(chǎn)業(yè)、新能源技術(shù)等高技術(shù)領(lǐng)域的人才緊缺，企業(yè)專業(yè)技術(shù)人員和復(fù)合型人才缺乏。同時，人才結(jié)構(gòu)不合理也影響了專利類創(chuàng)新成果產(chǎn)出指標(biāo)的提高，許多科研成果是科技人員為職稱評定而作，完全脫離市場需求。
1．2曲靖市區(qū)域創(chuàng)新系統(tǒng)的創(chuàng)新環(huán)境不完善區(qū)域創(chuàng)新系統(tǒng)的構(gòu)建離不開創(chuàng)新環(huán)境的支持，目前曲靖市創(chuàng)新環(huán)境的建設(shè)還不完善，具體表現(xiàn)為:①區(qū)域創(chuàng)新的文化環(huán)境和氛圍還不濃厚，近年來，曲靖市大力發(fā)展區(qū)域創(chuàng)新體系，但曲靖區(qū)域創(chuàng)新文化氛圍還不夠濃厚，容忍失敗、鼓勵創(chuàng)新的精神尚未被普遍接受，創(chuàng)新要素各方未能在合作創(chuàng)新上達(dá)成共識。②區(qū)域創(chuàng)新系統(tǒng)的政策支持還有待進(jìn)一步提高。由于政府科技管理的‘’部門分割”還存在，全市科技資源配置分散、重復(fù)和浪費(fèi)，不能形成科技合力，難以開展科技攻關(guān)。科技局和其他承擔(dān)科技管理的相關(guān)部門之間缺乏有機(jī)的聯(lián)系，在創(chuàng)新活動組織、創(chuàng)新資源配置和創(chuàng)新制度建設(shè)等方面缺乏有效的宏觀調(diào)控和協(xié)同機(jī)制，難以達(dá)到綜合集成的效果。政府對科技創(chuàng)新管理的職能定位不夠明確，計(jì)劃管理痕跡較重，行政直接管理、控制、千預(yù)過多，政府與市場的良性互動關(guān)系尚未建立。
1.3企業(yè)自主創(chuàng)新能力不高，創(chuàng)新主體地位未完全確立企業(yè)作為區(qū)域創(chuàng)新系統(tǒng)中的“執(zhí)行主體”，是科技成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力的主導(dǎo)力量，在區(qū)域創(chuàng)新中具有舉足輕重的地位。然而，一些大中型企業(yè)對創(chuàng)新的動力不強(qiáng)，一些規(guī)模較大的私企或者出于發(fā)展時期，或者由于所有者或經(jīng)營者缺乏相應(yīng)的素質(zhì)和長遠(yuǎn)的眼光而沒有意識到創(chuàng)新的重要性，從而失去對創(chuàng)新的動力。企業(yè)在創(chuàng)新投入方面沒有起到主導(dǎo)作用。這些企業(yè)多數(shù)還沒有建立起研究與開發(fā)機(jī)構(gòu)，企業(yè)的科技人員素質(zhì)不高，即使是已建立的研究與開發(fā)機(jī)構(gòu)其整體開發(fā)能力與專業(yè)化的科研院所相比，還有較大差距，其中仍有部門不能有效進(jìn)行技術(shù)開發(fā)，重要靠從國外引進(jìn)技術(shù)，自主創(chuàng)新能力差，對引進(jìn)技術(shù)的消化、吸收、再開發(fā)不夠。由于企業(yè)的知識基礎(chǔ)與技術(shù)能力有限，阻礙企業(yè)轉(zhuǎn)型和技術(shù)升級，導(dǎo)致一些企業(yè)深陷夕陽產(chǎn)業(yè)而無法自拔，失去持續(xù)發(fā)展能力。
2曲靖市區(qū)域創(chuàng)新系統(tǒng)建設(shè)的對策建議
2.1完善創(chuàng)新環(huán)境，為區(qū)域創(chuàng)新提供有力保障一個地區(qū)的創(chuàng)新能力不僅來自于企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)內(nèi)在活力的增加，更來自于良好的創(chuàng)新環(huán)境，包括科研、科研活動、科技產(chǎn)業(yè)化保障等基礎(chǔ)設(shè)施的硬環(huán)境，也包括制度、社會文化、法規(guī)政策環(huán)境等方面的軟環(huán)境，以及有利于高新技術(shù)企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的社會環(huán)境。培育和建設(shè)完善的創(chuàng)新環(huán)境，要以市場為導(dǎo)向，充分發(fā)揮地方政府的引導(dǎo)和調(diào)控作用，把地區(qū)有限的人力、物力、財力集中起來，形成一個局部優(yōu)化的產(chǎn)業(yè)化環(huán)境。
【關(guān)鍵詞】雙CCD；脫絨棉種；線陣CCD；光電檢測系統(tǒng)
1.引言
色選機(jī)是指利用物料的光學(xué)信息將劣物料剔除的集光、電、氣、機(jī)于一體的高科技設(shè)備，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、食品業(yè)、工業(yè)、礦業(yè)等，可以提高物料的品質(zhì)，增加附加值，保障食用、使用時的安全性[1][3][4]。在棉種分選方面，傳統(tǒng)的分選技術(shù)：種子風(fēng)篩選、幾何特征篩選、密度重力選種、介電式分選、顏色分選法、機(jī)器視覺分選[1][3][4][7]。雖然這些方法均有各自的優(yōu)點(diǎn)，但沒有同時判斷顏色、破損棉種、或者是算法高深、采集靜態(tài)圖片信息等缺點(diǎn)。本文在顏色分選基礎(chǔ)上利用雙CCD加入破損判別，能夠區(qū)分脫絨成熟棉種（黑褐色）、未熟棉種（紅棕色）、破損棉種和雜質(zhì)[3][4]。
2.總體結(jié)構(gòu)
基于雙CCD的脫絨棉種色選機(jī)光電檢測系統(tǒng)是色選機(jī)的關(guān)鍵部分，其作用主要是對物料（脫絨棉種）進(jìn)行檢測，采集物料特征信息。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，主要包括光學(xué)系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)。
圖1 總體框圖
3.功能簡介
物料進(jìn)入光電檢測系統(tǒng)之前，要經(jīng)供料系統(tǒng)相關(guān)處理后才能精確地在光電檢測系統(tǒng)和分選系統(tǒng)區(qū)內(nèi)。供料系統(tǒng)主要包括進(jìn)料斗、振動喂料器、滑槽等。在處不詳細(xì)簡紹供料系統(tǒng)具體工作過程，主要簡紹光學(xué)系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)相關(guān)功能。
（1）光學(xué)系統(tǒng)
光學(xué)系統(tǒng)主要是有光源、背景板、光電傳感器、成像系統(tǒng)等相關(guān)部分組成[4]。光學(xué)系統(tǒng)主要作用是通過光路設(shè)計(jì)使CCD能夠覆蓋每組棉種流的視場區(qū)域，使得所有目標(biāo)圖像都能夠被CCD捕獲。光學(xué)系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)、檢測方式、光電傳感器種類等，將直接影響色選機(jī)的質(zhì)量與效率[3]。
（2）信號采集系統(tǒng)
信號采集系統(tǒng)采用TCD2566BFG和TCD1209作為光電傳感器，對物料進(jìn)行實(shí)時采集。CCD常用驅(qū)動方式有EPROM驅(qū)動法、IC驅(qū)動法、單片機(jī)驅(qū)動法以及可編程邏輯器件驅(qū)動法[5]。本文是基于FPGA設(shè)計(jì)的可再編程驅(qū)動電路，該方法優(yōu)點(diǎn)是集成度高、速度快、可靠性好。需改變驅(qū)動電路的時序、增減功能時，僅需對器件重新編程，無需更改硬件條件[5]。
（3）處理系統(tǒng)
處理系統(tǒng)是以ALTERA公司cyclone III系列EP3C16Q240C8作為驅(qū)動實(shí)現(xiàn)以及后期處理的主要芯片。主要設(shè)計(jì)思想是：EP3C16Q240C8生成CCD工作所需的驅(qū)動時序，由于FPGA輸出電壓與CCD驅(qū)動電壓之間差異，故驅(qū)動時序需反相升壓器件處理，物料棉種采集信號經(jīng)放大濾波電路輸出，輸出信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換以后輸入FPGA進(jìn)行后續(xù)處理[2][6]。
4.采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
（1）硬件設(shè)計(jì)
硬件電路設(shè)計(jì)如下圖2所示。利用光學(xué)采集系統(tǒng)原理，將TCD2566BFG作為彩色信號采集板A，TCD1209作為黑白信號采集板B。因兩個CCD工作電壓不同，采用LM2731X典型電路設(shè)計(jì)10V和12V，利用計(jì)算方法可以實(shí)現(xiàn)。至于處理板電源是利用LD1085D2M50、LD1085D2M33、AMS1117-2.5、AMS1117-1.2等電源轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)電路所需的5V、3.3V、2.5V、1.2V等工作電壓。在解決完電路工作所需電源之后，對于CCD驅(qū)動電路、采集信號放大濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路以及EP3C16Q240C8芯片工作電路均按照技術(shù)手冊等信息進(jìn)行設(shè)計(jì)，在此不再贅述。
圖2 硬件電路框圖
（2）軟件設(shè)計(jì)
該部分是在硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，能夠使CCD正常工作的關(guān)鍵部分。設(shè)計(jì)思想主要是利用TCD2566BFG和TCD1209的工作原理以及工作模式來設(shè)計(jì)工作時序。TCD2566BFG選擇彩色模式下TDI=ON模式工作，工作需要時鐘脈沖、、、、，復(fù)位脈沖RS、緩沖控制脈沖CP，轉(zhuǎn)移脈沖SH、存儲清晰脈沖SCG、開關(guān)脈沖SW1、SW2，另需48個虛設(shè)單元輸出（dummy outputs）信號。TCD1209工作需時鐘脈沖、、，復(fù)位脈沖RS、緩沖控制脈沖CP，轉(zhuǎn)移脈沖SH，另需40虛設(shè)單元輸出信號。因此，軟件編寫時需要注意虛設(shè)單元輸出信號。
軟件編碼：TCD1209和TCD2566BFG關(guān)鍵代碼
parameter TAGH=16，TAGL=2117，TAGHF=21，TAGLF=2112；
parameter SCGBA=0，SCGEA=30，SHBA=40，SHEA=70，TGFBA=80，TGFEA=5468，SCGBB=5478；
通過Verilog VHDL編程生成模塊如圖3所示，其中clk_sys系統(tǒng)時鐘64MHZ，通過PLL（鎖相環(huán)）和分頻電路生產(chǎn)工作所需時鐘信號，其中ad_in[11：0]為TCD1209經(jīng)濾波放大電路及A/D轉(zhuǎn)換后的采集輸入信號，clk_out_0[5：0]為TCD1209工作所需的驅(qū)動頻率以及A/D轉(zhuǎn)換芯片時鐘頻率，ad_out[11：0]是經(jīng)過處理后的棉種采集破損信息；ad_r_in[11：0]、ad_b_in[11：0]、ad_g_in[11：0]為TCD2566BFG經(jīng)濾波放大電路以及A/D轉(zhuǎn)換后的采集RBG信號，clk_out[11：0]和sw[1：0]為TCD2566BFG工作驅(qū)動頻率、A/D轉(zhuǎn)換芯片時鐘頻率及模式選擇信號，ad_r_out[11：0]、ad_b_out[11：0]、ad_g_out[11：0]是經(jīng)處理后棉種采集顏色信息。
圖3 軟件生成模塊
（3）設(shè)計(jì)與仿真檢測
通過Quartus II9.0中SignalTap II Logic Analyzer進(jìn)行在線仿真，得到圖4所示圖形。
圖4 FPGA在線仿真圖
通過圖4（b）、（c）所知，TCD2566BFG和TCD1209的時序與實(shí)際工作時序圖是有所差別的，主要是器件驅(qū)動電壓問題，導(dǎo)致FPGA輸出的時序要經(jīng)反相升壓器才能給CCD提供驅(qū)動時鐘，為此，F(xiàn)PGA生成時序也有相應(yīng)處理。通過圖4（d）可知CCD在不同物料時輸出的差別，這也是我們后期處理的依據(jù)。
5.結(jié)論
本論文通過雙CCD對脫絨棉種色選機(jī)光電檢測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，方案采用TCD2566BFG和TCD1209作為檢測器件，EP3C16Q240C8以及反相器TC74ACT240和SN74AHCT14N設(shè)計(jì)CCD驅(qū)動電路，OPA357設(shè)計(jì)濾波放大電路、AD9224設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換電路，同時利用光學(xué)系統(tǒng)知識構(gòu)建光學(xué)系統(tǒng)，使兩CCD能夠正常地工作，滿足脫絨棉種色選機(jī)所需要求，光電檢測系統(tǒng)穩(wěn)定正常工作。
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【關(guān)鍵詞】顏色識別；單片機(jī)；液晶顯示器；步進(jìn)電機(jī)
0 引言
RGB原理即世界上的任何物體的顏色都是自然界的三基色紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）按照不同比例構(gòu)成的。這個原理幾乎包括了人類視力所能感知的所有顏色，是目前運(yùn)用比較廣泛的顏色原理。而在自然界中，很多顏色看上去是很相近的，有的是人眼所不能識別的，這樣就很容易造成誤差與失誤，而人的眼睛與顏色長時間打交道，就會受到傷害，這時候自然就需要一套裝置設(shè)備來代替人工勞動，這樣就能一定程度上減少誤差與失誤的避免。顏色識別自動分揀這一技術(shù)在現(xiàn)代社會的各行各業(yè)都有一定的應(yīng)用：如在工廠中利用此技術(shù)進(jìn)行貨物的劃分，藥品廠進(jìn)行不同顏色的藥品的分類，生物上進(jìn)行細(xì)胞的檢測，生活上可以利用它檢測一些瓜果的成熟度等。足以說明此技術(shù)有很好的市場前景，所以我們對顏色識別自動分揀系統(tǒng)的研究是很有必要的，從而達(dá)到更深層次和更廣泛的應(yīng)用。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
整個顏色識別系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式。單片機(jī)作為系統(tǒng)控制的核心，用于連接顏色傳感器實(shí)現(xiàn)顏色的識別；驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行傳送；控制紅外傳感器的接收；控制液晶顯示器的正常顯示；連接串口通信，實(shí)現(xiàn)半雙工或全雙工。紅外傳感器部分用于檢測系統(tǒng)是否有小球存在。顏色傳感器用于實(shí)時采集系統(tǒng)小球的顏色，反饋給單片機(jī)。顯示輸出部分可以顯示系統(tǒng)的實(shí)時小球顏色和記錄采樣的顏色RGB。語音部分用于小球顏色的播報。步進(jìn)電機(jī)部分工作由單片機(jī)控制，主要是用來驅(qū)動圓盤的轉(zhuǎn)動，從何控制小球的走向，使其到達(dá)指定的位置。
1.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了STC89C52RC單片機(jī)，該芯片具有低功耗、抗靜電和抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，具有8K Flash存儲器和512字節(jié)的RAM，能能滿足程序存儲的要求，簡化系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)。
（1）檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
檢測系統(tǒng)利用紅外傳感器，工作原理是利用紅外傳感器的物理性質(zhì)來進(jìn)行測量，紅外線又稱紅外光，它具有反射、折射、吸收等性質(zhì)。在本實(shí)驗(yàn)中用于檢測是否有小球的存在。
（2）語音播報設(shè)計(jì)
語音播報由語音模塊WTV020-S組成，在系統(tǒng)采樣小球顏色時做出相應(yīng)的語音播報動作，液晶顯示器顯示小球的顏色、系統(tǒng)的工作狀態(tài)等信息，以及做出下步動作指示，可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定。
（3）驅(qū)動部分設(shè)計(jì)
驅(qū)動模塊利用的是步進(jìn)電機(jī)以及霍爾開關(guān)一起組成，在本系統(tǒng)小球做出顏色識別后，步進(jìn)電機(jī)在通電的情況下，在系統(tǒng)設(shè)定中就會去驅(qū)動圓盤的轉(zhuǎn)動，從何控制小球的走向，根據(jù)系統(tǒng)做出的小球顏色識別使其到達(dá)指定的位置。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行后，就會在霍爾開關(guān)電路的作用下恢復(fù)到初始狀態(tài)，即回到原點(diǎn)。
（4）顏色識別電路設(shè)計(jì)
顏色識別部分主要利用了顏色傳感器TCS3200，它內(nèi)部集成了可配置的硅光電二極管陣列和一個電流/頻率轉(zhuǎn)換器，可輸出頻率隨光強(qiáng)線性變化且占空比為50%的方波。通過引腳，S0、S1來選擇輸出比例因子或電源關(guān)斷式；S2、S3來選擇濾波器的類型。在工作時可通過改變TCS3200感光部位濾光器的顏色，依次讓三種原色的色光通過，根據(jù)其輸出頻率隨光強(qiáng)線性變化的特性，得到色光中的紅綠藍(lán)三原色信息。例如，當(dāng)選擇紅色濾光器時，紅色光能透射到感光部位，而藍(lán)色光則不能透過，此時即可得到紅色光在此種顏色中的含量信息。
1.3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)依據(jù)TCS3200反饋的實(shí)時小球顏色和系統(tǒng)采樣過的顏色比對決定電機(jī)怎么運(yùn)轉(zhuǎn)。目標(biāo)位置通過按鍵掃描的接口函數(shù)進(jìn)行輸入。
為了使程序簡潔明了，便于理解和查閱，整個識別系統(tǒng)的軟件編程采用模塊化編程的方法。函數(shù)主要有TCS3200初始化、寫入命令、讀取數(shù)據(jù)，LCD1602初始化、寫命令數(shù)據(jù)、顯示，按鍵掃描輸入，語音模塊播報語音，步進(jìn)電機(jī)動作等功能模塊，通過主函數(shù)調(diào)用子函數(shù)模塊，這樣降低了程序的復(fù)雜度，使程序設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)更加方便。
2 系統(tǒng)的測試與分析
為了進(jìn)一步了解系統(tǒng)的工作性能，我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，將該系統(tǒng)分別識別了紅色、藍(lán)色、白色以及黑色小球。從多次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，識別系統(tǒng)的誤差精確識別，可以滿足顏色識別系統(tǒng)的要求。
3 結(jié)語
本設(shè)計(jì)是以AT89C52單片機(jī)為基礎(chǔ)，利用TCS3200顏色傳感器模塊，LCD1602液晶顯示器模塊實(shí)現(xiàn)色彩識別系統(tǒng)的，并進(jìn)行了色彩識別的測試實(shí)驗(yàn)。其中，色彩識別的算法實(shí)現(xiàn)原理和各模塊的實(shí)現(xiàn)是本論文研究的重點(diǎn)。色彩識別的核心及難點(diǎn)是RGB三種顏色測量的算法設(shè)計(jì)，算法的優(yōu)劣程度很大程度上決定了色彩識別系統(tǒng)的優(yōu)劣。通過本設(shè)計(jì)的測試，能很好的達(dá)到顏色分揀的目的。
【參考文獻(xiàn)】
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[關(guān)鍵詞]居家安全；zigbee；智能檢測
中圖分類號：TD353 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）41-0256-01
在日常生活中，有時我們會擔(dān)心電器電源是否關(guān)閉、煤氣或天然氣閥是否關(guān)好、門窗是否鎖好等，而目前相關(guān)的檢測系統(tǒng)僅用于現(xiàn)代化程度較高的公寓或工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，成本高昂，不能滿足大眾居家生活和規(guī)模較小的個體經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的需要，鑒于此，我們希望能夠設(shè)計(jì)一種簡單、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、靈活，能夠走進(jìn)大眾生活的解決方案。
1 技術(shù)實(shí)現(xiàn)
1.1 系統(tǒng)架構(gòu)
居家安全智能檢測系統(tǒng)是一款基于ZigBee組網(wǎng)的集多功能一體的檢測裝置?，F(xiàn)目前主要由一個中央處理器、GSM短信通知模塊、還有四個檢測模塊（溫度采集模塊、家用電器開關(guān)檢測模塊、可燃?xì)怏w檢測模塊、家庭意外著火檢測模塊）組成。
中央處理器采用mini2440開發(fā)板控制，這是一款低價實(shí)用的ARM9開發(fā)板。我們通過系統(tǒng)移植將Linux系統(tǒng)移植到開發(fā)板，使用QT、C++編程實(shí)現(xiàn)簡單的界面控制軟件，再移植到開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)主控顯示的功能。
1.2 方案選擇
系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)主要涉及三方面的內(nèi)容：傳感器，無線網(wǎng)絡(luò)，人機(jī)交互。
傳感器
系統(tǒng)能夠識別的內(nèi)容有：是否有電流，是否有火災(zāi)的可能，是否有可燃?xì)怏w的泄露。市面上已經(jīng)有相應(yīng)的傳感器，可以直接輸出數(shù)字信號，主控芯片可以依據(jù)廠家提供的技術(shù)手冊進(jìn)行辨別。
信號的傳送
信號的傳送主要包含兩個部分：室內(nèi)局域交互，室外遠(yuǎn)程交互。
室內(nèi)局域交互
主要包括傳感器數(shù)據(jù)的采集上傳，動作命令的下達(dá)。就功能實(shí)現(xiàn)而言，應(yīng)在室內(nèi)搭建局域網(wǎng)絡(luò)。方案設(shè)計(jì)涉及有線、無線的選擇和多種的無線技術(shù)的取舍。
（1）無線與有線
無線局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)速度與以太網(wǎng)相當(dāng)，一個 AP 最多可支持多達(dá)上百個用戶的接入，最大傳輸范圍可達(dá)到幾十公里，具有以下的鮮明特點(diǎn)：
具有高移動性，通信范圍不受環(huán)境條件的限制，拓寬了網(wǎng)絡(luò)的傳輸范圍。在有線局域網(wǎng)中，兩個站點(diǎn)的距離在使用銅纜（粗纜）時被限制在 500m ，即使采用單模光纖也只能達(dá)到 3000 m ，而無線局域網(wǎng)中兩個站點(diǎn)間的距離可達(dá)到50km 。
無線技術(shù)的取舍
目前在智能家居行業(yè)中，較為主流的無線技術(shù)一共有三種：WiFi、藍(lán)牙、和ZigBee。
（1）WiFi技術(shù)
基于WiFi技術(shù)的智能家居產(chǎn)品最為常見，其優(yōu)勢在于傳輸速率快，且產(chǎn)品成本低，生活中也最為普及，對用戶來說，基于WiFi的智能家居組合最為省事，購買設(shè)備直接組網(wǎng)即可。
凡事都存在兩面性，WiFi雖然傳輸快、普及廣，但也存在著自身的技術(shù)劣勢：其最大的問題要屬安全性非常低，無線穩(wěn)定性弱；功耗大也是其弱點(diǎn)之一，將導(dǎo)致其在家居領(lǐng)域的應(yīng)用受限，例如智能門鎖、紅外轉(zhuǎn)發(fā)控制器、各種傳感器等不適宜使用；此外，WiFi的組網(wǎng)能力也相對較低，目前WiFi網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際規(guī)模一般不超過16個設(shè)備，而實(shí)際家居環(huán)境中，僅開關(guān)、照明、家電的數(shù)量就已遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于16個，顯然發(fā)展空間受到了一定的限制。
（2）Zigbee技術(shù)
ZigBee技術(shù)的安全性很高，至今全球尚未出現(xiàn)一起破解先例。其安全性源于其系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)：采用AES加密（高級加密系統(tǒng)），嚴(yán)密程度相當(dāng)于銀行卡加密技術(shù)的12倍；其次，Zigbee采用蜂巢結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，每個設(shè)備均能通過多個方向與網(wǎng)關(guān)通信，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性高；另外，其網(wǎng)絡(luò)容量理論節(jié)點(diǎn)為65300個，足夠滿足家庭網(wǎng)絡(luò)覆蓋需求，即便是智能小區(qū)、智能樓宇等仍能全面覆蓋；最后，Zigbee具備雙向通訊的能力，不僅能發(fā)送命令到設(shè)備，同時設(shè)備也會把執(zhí)行狀態(tài)反饋回來，這對終端使用體驗(yàn)至關(guān)重要，尤其是安防設(shè)備，倘若你點(diǎn)擊了關(guān)門，卻不知道門是否真的已經(jīng)鎖上，將會帶來多大的安全隱患；此外，Zigbee采用了極低功耗設(shè)計(jì)，可以全電池供電，理論上一節(jié)電池能使用10年以上，節(jié)能環(huán)保。
（3）藍(lán)牙技術(shù)
大家對藍(lán)牙技術(shù)的熟知，恐怕要屬手機(jī)上的藍(lán)牙功能了。其功耗以及成本都介于WiFi與Zigbee兩者之間，但傳輸距離最短，屬于一種點(diǎn)對點(diǎn)、短距離的通訊方式，因在移動設(shè)備或較短距離間傳輸，故藍(lán)牙產(chǎn)品會提供一些較為私人化的使用體驗(yàn)，例如藍(lán)牙耳機(jī)、藍(lán)牙音箱、智能秤等，由于其傳輸距離較短，所以并不適合組建龐大的家庭網(wǎng)絡(luò)。
綜合考慮后，采用Zigbee技術(shù)進(jìn)行局域網(wǎng)絡(luò)的搭建。
GSM應(yīng)用
GSM模塊，是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)、是一部手機(jī)開發(fā)人員使用ARM或者單片機(jī)通過RS232串口與GSM模塊通信，使用標(biāo)準(zhǔn)的AT命令來控制GSM模塊實(shí)現(xiàn)各種無線通信功能?；贕SM模塊產(chǎn)品的開發(fā)往往都是基于ARM平臺，使用嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。有些GSM模塊具有“開放內(nèi)置平臺”功能，可以讓客戶將自己的程序嵌入到模塊內(nèi)的軟件平臺中。直接使用由正點(diǎn)原子開發(fā)的GSM模塊。該模塊以ATK-SIM900A為核心，可以直接通過串口與主控芯片進(jìn)行交互[4]。GSM模塊通過AT指令進(jìn)行通訊，本系統(tǒng)主要用到AT發(fā)短信指令“AT+CMGF=1”、“AT+CMGS=“手機(jī)號””。
2 項(xiàng)目總結(jié)
2.1 社會價值評估
（1）該系統(tǒng)的開發(fā)代表了當(dāng)下嵌入式設(shè)備的新趨勢，我們不再從零開始，而是借鑒和整合現(xiàn)有的成果。隨著社會生活的不斷發(fā)展，人們對于智能化設(shè)備的要求也越來越高，開發(fā)的難度和復(fù)雜度也越來越大。模塊式產(chǎn)品的出現(xiàn)，使嵌入式設(shè)開發(fā)人員不必糾結(jié)于每個底層的實(shí)現(xiàn)，而能夠?qū)⒕杏诜桨傅脑O(shè)計(jì)和芯片的代碼的編寫，或直接整合現(xiàn)有的版塊，開發(fā)出更復(fù)雜的產(chǎn)品。
（2）居家安全智能檢測系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于大眾生活的嘗試。我們將不同的內(nèi)容整合到一個系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)集中管理，如電流，煤氣，煙霧，進(jìn)一步的電視，電腦，微波爐，門禁等。若能夠獲得相應(yīng)的研發(fā)支持，可以在生活中產(chǎn)生良好的效益。
2.2 功能拓展
（1）加入網(wǎng)絡(luò)的版塊，實(shí)現(xiàn)當(dāng)下移動應(yīng)用的需要；
（2）可以加入門禁，警報等實(shí)現(xiàn)閉環(huán)居家控制功能；
（3）Zigbee節(jié)點(diǎn)的放置應(yīng)參照應(yīng)用系統(tǒng)環(huán)境，合理地安排布局。
3 結(jié)論
本論文提出的基于Zigbee的家居安全智能檢測系統(tǒng)，通過物物相聯(lián)實(shí)現(xiàn)即時將家里的情況快速自行處理，當(dāng)發(fā)生意外時通過短信通知房主，實(shí)現(xiàn)了智能安全的監(jiān)測和防護(hù)，為現(xiàn)代家居提供進(jìn)一步的理論支撐與技術(shù)指導(dǎo)。
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關(guān)鍵詞：包裝機(jī) PLC HMI
1.1 概述
包裝機(jī)外形如圖2-1所示，藥粒散料由存料桶，落到三級傳輸帶，再經(jīng)過十二通道后裝入藥瓶。本包裝機(jī)的在包裝過程中的要求為：
1、 包裝速度較高，每分鐘裝瓶約50～60瓶；
2、 藥粒計(jì)數(shù)精確，確保裝入藥瓶的藥粒個數(shù)為設(shè)定的規(guī)格個數(shù)；
3、 已裝藥瓶的個數(shù)實(shí)施計(jì)數(shù) ；
4、 對于不同藥粒實(shí)施包裝作業(yè)時，能夠現(xiàn)場較簡便地更改參數(shù)。
設(shè)計(jì)采取軟硬件結(jié)合，對電氣原理主電路圖設(shè)計(jì)以及PLC程序的同步設(shè)計(jì)，
2.1 包裝機(jī)整體設(shè)計(jì)
本包裝機(jī)包裝過程中，藥粒由存料桶流入電振機(jī)一帶，一帶以較低振動頻率振動，藥粒被抖動流入二帶，二帶電振機(jī)振動頻率加快，拉大藥粒間距，藥粒繼續(xù)流入三帶，三帶頻率大于二帶，拉大藥粒間距，藥粒流入十二通道，通過十二通道后，最后進(jìn)入藥瓶，原理圖如圖2-1所示
圖2-1 包裝機(jī)整體設(shè)計(jì)原理
十二通道每通道入口裝有阻擋藥粒的插板以及對射型光電傳感器（插板在上，光電傳感器緊挨其下面），此處設(shè)計(jì)在于，藥粒必須是在拉開距離的下落過程中才能實(shí)現(xiàn)檢測計(jì)數(shù)，如果光電傳感器在上，當(dāng)插板閉合時，藥粒堆積，當(dāng)再打開時，系統(tǒng)即無法實(shí)現(xiàn)檢測計(jì)數(shù)。
插板的作用是開閉十二通道，光電傳感器檢測通過的藥粒，檢測信號送入PLC處理；藥粒直接流入藥瓶，當(dāng)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的藥粒個數(shù)，十二通告關(guān)閉，藥瓶擋板打開，擋板上裝有光電檢測系統(tǒng)，可對已裝藥瓶個數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。從而消除了藥瓶計(jì)數(shù)的瑪法。
對藥瓶計(jì)數(shù)有兩種工作模式，一種是直接流水式計(jì)數(shù)，可清零重新開始計(jì)數(shù)；另一種是設(shè)定裝瓶個數(shù)，達(dá)到個數(shù)，停止運(yùn)行。系統(tǒng)工作示意圖如圖2-2所示。
2.2 硬件設(shè)計(jì)
2.2.1主要器件清單
根據(jù)2.1設(shè)計(jì)要求，所需器件列表如下表（2-1）所示
2.2.2擋板、插板動作分析
擋板、插板動作流程圖如圖2-2所示，信號的獲取來自十二個光電傳感器，信號被送入PLC進(jìn)行處理，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的個數(shù)時，PLC指令，關(guān)閉十二通道插板，間隔后打開擋板（此間隔短時間將在3、2.5作出計(jì)算），藥瓶擋板打開，打開間隔時間后關(guān)閉，系統(tǒng)如此循環(huán)運(yùn)行
2.2.3 HMI、PLC網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)
HMI、PLC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了本包裝機(jī)控制的主機(jī)，根據(jù)分裝控制工藝及對計(jì)數(shù)控制器的性能要求，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2-3所示，系統(tǒng)由輸入、輸出通道及主機(jī)三部分組成。
輸入通道由光電檢測系統(tǒng)，觸摸屏HMI組成；主機(jī)PLC進(jìn)行計(jì)數(shù)、分裝控制；輸出通道由固態(tài)繼電器、接觸器組成，固態(tài)繼電器控制電磁鐵使擋板、插板，翻板動作。
采用PLC控制使系統(tǒng)抗干擾能力提高了，并且采用的固態(tài)繼電器與電磁式繼電器相比，具有開關(guān)時間短、無火花、無噪音、電磁鐵動作準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。西門子S7-200 CPU226PLC加裝兩個拓展模塊EM232，增加四個模擬量輸出，I/O口輸入輸出24V供電已經(jīng)拓展模塊24V共供電由PLC24V傳感器電源提供，PLC220V供電由三相四線中的中性線和一跟相線提供。PLC輸入口為光電開關(guān)的接受端，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為固態(tài)繼電器和接觸器?！?/p>
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（鄭州輕工業(yè)學(xué)院，電氣信息工程學(xué)院，河南鄭州450002）
摘要：針對核酸適體電流型傳感器信號弱、噪聲高、測量難的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種可準(zhǔn)確檢測三磷酸腺苷（ATP）濃度的核酸適體傳感器檢測電路。該電路主要包括恒電位電路、I/V 轉(zhuǎn)換電路、多級放大電路、帶通濾波和鎖相放大電路。利用循環(huán)伏安法研究并分析了核酸適體傳感器的輸出電壓與被測物ATP濃度之間的關(guān)系。測試結(jié)果表明：電流型核酸適體傳感器檢測系統(tǒng)具有很高的信噪比、較好的靈敏度和線性度，線性度為0.994 0，能夠滿足現(xiàn)場快速準(zhǔn)確測試的需求。
關(guān)鍵詞 ：核酸適體傳感器；ATP濃度；微電流檢測；鎖定放大；電路測試
中圖分類號：TN98?34；TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004?373X（2015）14?0120?04
收稿日期：2015?01?25
基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61002007）；河南省科技創(chuàng)新人才計(jì)劃項(xiàng)目（124100510001）
0 引言
ATP是體內(nèi)組織細(xì)胞一切生命活動所需能量的直接來源，可促使機(jī)體各種細(xì)胞的修復(fù)和再生，增強(qiáng)細(xì)胞代謝活性[1]。細(xì)胞內(nèi)ATP濃度與活細(xì)胞數(shù)量密切相關(guān)：細(xì)胞代謝受損時，ATP合成下降；細(xì)胞死亡時，在酶的作用下，ATP迅速水解消失；因此迅速而準(zhǔn)確地測定細(xì)胞內(nèi)ATP濃度在研究細(xì)胞乃至機(jī)體的生理活性和代謝過程以及臨床診斷方面都有非常重要的意義。
現(xiàn)有ATP檢測法包括定磷法、熒光素酶法、質(zhì)譜法等，但這些方法所需要的儀器價格昂貴且只能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成，無法滿足現(xiàn)場檢測要求。因此發(fā)展簡便迅速的ATP檢測系統(tǒng)意義重大。本文通過對低噪聲放大技術(shù)、鎖相放大技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)了基于核酸適體傳感器的ATP濃度檢測電路，實(shí)現(xiàn)了檢測系統(tǒng)的精確性、便攜式和智能化。測試結(jié)果表明該系統(tǒng)能快速準(zhǔn)確檢測出ATP濃度，解決了現(xiàn)場檢測的諸多不便。
1 檢測原理
用于檢測ATP濃度的核酸適體傳感器是利用微機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）加工技術(shù)、薄膜技術(shù)并結(jié)合電化學(xué)沉積技術(shù)制備的基于共面薄膜金電極的高靈敏度傳感器，本傳感器采用三電極體系如圖1 所示，即工作電極（Working Electrode，W）、對電極（Counter Electrode，
核酸適體傳感器工作電極表面的適體采用巰基固化的單鏈DNA（ssDNA）或雙鏈DNA（dsDNA）進(jìn)行修飾。由于核酸適體與ATP有高親和力和選擇性，當(dāng)引入ATP后，核酸適體與ATP相結(jié)合，工作電極表面產(chǎn)生負(fù)電荷。當(dāng)在對電極上施加激勵電壓，工作電極與對電極之間發(fā)生氧化還原反應(yīng)形成電流，該電流大小與ATP濃度有一定的關(guān)系，通過對工作電極電流信息進(jìn)行檢測分析，可知對應(yīng)的ATP濃度。
2 檢測電路設(shè)計(jì)
檢測系統(tǒng)主要由激勵信號（三角波）、恒電位電路、信號調(diào)理（I/V 轉(zhuǎn)換、多級放大、帶通濾波）和鎖相放大組成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。激勵信號電路產(chǎn)生的三角波電壓通過恒電位電路循環(huán)加在核酸適體傳感器上，I/V轉(zhuǎn)換電路將工作電極產(chǎn)生的電流轉(zhuǎn)換成電壓，再經(jīng)過多級放大和帶通濾波電路進(jìn)行信號調(diào)理，通過鎖相放大電路去除噪聲，得到ATP濃度與輸出電壓關(guān)系曲線圖。
2.1 激勵信號產(chǎn)生模塊及恒電位電路
激勵信號是由單片機(jī)配合RC低通電路所產(chǎn)生的三角波，并將信號加到恒電位電路輸入端，如圖3所示。
運(yùn)放OP1 與OP2 組成恒電位電路，恒電位電路的主要作用是將一個穩(wěn)定的工作電壓施加到傳感器上，解決電化學(xué)反應(yīng)過程中工作電位偏移的問題[2]，其工作原理如下：
由此可知：參比電極的電位與電化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的電流無關(guān)，只與輸入的激勵電壓與電阻有關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)了恒電位功能。
2.2 信號調(diào)理電路
信號調(diào)理電路由I/V 轉(zhuǎn)換電路、多級放大電路、帶通濾波電路組成。本電路將核酸適體傳感器得到的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)放大電路放大后，通過帶通濾波器保留所需頻帶信號。
2.2.1 I/V 轉(zhuǎn)換和多級放大電路
傳統(tǒng)的I/V 轉(zhuǎn)換電路由運(yùn)算放大器和反饋電阻并聯(lián)組成。受運(yùn)算放大器和反饋電阻的輸入阻抗限制，過大的反饋電阻會使阻值的精度降低、穩(wěn)定性變差、噪聲增大。圖4所示為改進(jìn)后的T型I/V 轉(zhuǎn)換電路。
核酸適體傳感器在三角波電壓激勵下工作電極產(chǎn)生電流，大小約為4×10-8A，經(jīng)I/V 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成mV級以上電壓。該電路的反饋電阻：
式中:R 表示電路總反饋電阻；R′表示上半部分電阻；R″表示下半部分電阻。接到輸出端分壓電阻上，通過并聯(lián)負(fù)反饋增大反饋電阻，構(gòu)成并聯(lián)負(fù)反饋的各電阻的阻值都不需要太大，就可以得到足夠大的總反饋電阻，從而降低電阻噪聲。
多級放大電路中第一級放大電路對總噪聲的影響最大，系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)由第一個放大電路的噪聲系數(shù)決定[3]。第一級放大電路所選用的元器件應(yīng)為低噪聲、高精度的器件。放大電路圖如圖5所示，該級放大電路采用反向輸入方式，輸入電阻R20為10 kΩ，反饋電阻R24為100 kΩ，放大倍數(shù)n = - R24 R20 = -10 。其中電容C10的作用是進(jìn)行相位補(bǔ)償，避免運(yùn)放產(chǎn)生自激振蕩。
2.2.2 帶通濾波電路
本設(shè)計(jì)采用通用芯片UAF42 設(shè)計(jì)中心頻率為10 kHz的帶通濾波器進(jìn)行信號處理，濾除被測信號頻率以外的其他頻率信號，提高檢測系統(tǒng)的信噪比。UAF42芯片具有自帶的filter 仿真設(shè)計(jì)軟件和不同品質(zhì)因數(shù)、不同類型的濾波器連接圖[4]。UAF42 設(shè)計(jì)帶通濾波器時只需外接三個電阻，電路簡單且容易實(shí)現(xiàn)。
基于上述優(yōu)點(diǎn)本設(shè)計(jì)采用UAF42 通用芯片設(shè)計(jì)了中心頻率為10 kHz的帶通濾波器，設(shè)計(jì)參數(shù)圖、設(shè)計(jì)電路圖分別如圖6、圖7所示。
2.3 鎖相放大電路
鎖相放大過程是利用調(diào)制器將待測微弱直流或緩變信號變換成高頻交流信號，對其放大后再解調(diào)恢復(fù)出原始信號。該過程濾除了原信號中的低頻噪聲（1 f 噪聲），同時避免了直流放大器的直流漂移偏差。鎖相放大器的基本結(jié)構(gòu)如圖8所示，包括信號通道、參考通道、相敏檢測器（PSD）和低通濾波器（LPF）等[5]。
本電路的輸入信號為10 kHz正弦波與前端低頻信號調(diào)制后的信號，參考信號為10 kHz的正弦信號。在信號通道內(nèi)對調(diào)制信號進(jìn)行交流放大，再由帶通濾波器濾除其他頻率信號干擾，同時對信號進(jìn)行放大處理以滿足相敏檢測的工作電壓，相敏解調(diào)后的信號再通過低通濾波器恢復(fù)出待測低頻信號，從而實(shí)現(xiàn)頻帶的搬移和消除低頻噪聲。采用相敏解調(diào)芯片AD630搭建的相敏檢測電路如圖9所示。
式中：右邊的第1項(xiàng)為調(diào)制信號與參考信號的差頻項(xiàng)；第2項(xiàng)為調(diào)制信號與參考信號的和頻項(xiàng)；第3項(xiàng)為噪聲信號與參考信號的和頻項(xiàng)；第4項(xiàng)為噪聲信號與參考信號的差頻項(xiàng)。經(jīng)過低通濾波器后輸出為第1 項(xiàng)0.5VsVr cos(ω0 t + θ)和第4項(xiàng)中|ωn | - ω0 < BL（LPF的等效噪聲帶寬）的噪聲，只要LPF的等效噪聲帶寬足夠窄，就可以得到滿意的信噪比[6]。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了研究核酸適體傳感器檢測ATP濃度與輸出電壓的關(guān)系，對標(biāo)定不同濃度的ATP溶液分別進(jìn)行檢測，得出對應(yīng)的輸出電壓值如表1所示。
由表1 可知，隨著ATP 濃度的不斷增大，輸出電壓值也隨著增大。為了進(jìn)一步研究ATP濃度輸出電壓值進(jìn)行作圖，如圖10所示?？梢钥闯觯怂徇m體與ATP結(jié)合后，在ATP濃度為5~100 nmoL/L時，輸出電壓與ATP濃度表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2 = 0.994 0 。
4 結(jié)語
本文設(shè)計(jì)的核酸適體傳感器檢測系統(tǒng)具有成本低、精度高、便攜式的特點(diǎn)，電路具有較強(qiáng)的擴(kuò)展能力，通過調(diào)整濾波器參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)更寬頻帶信號的測量。同時，多次進(jìn)行的測試證明了該核酸適體傳感器檢測電路性能穩(wěn)定、抗噪能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)1×109 A電流檢測放大，完全能夠滿足ATP濃度檢測范圍的要求。
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作者簡介：姜利英（1981—），女，河南鄭州人，副教授，博士。主要研究方向生物傳感器及其檢測系統(tǒng)。
岳保磊（1987—），男，河南駐馬店人，碩士研究生。主要研究方向傳感器及其檢測系統(tǒng)。
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【關(guān)鍵詞】水下航行器；舵機(jī)；分布式控制；角度檢測
一、引言
水下航行器作為一種軍民兩用的水下運(yùn)載器，近年來取得了長足的發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景和重大的經(jīng)濟(jì)價值。舵機(jī)是水下航行器中重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它根據(jù)控制器的輸出指令來操縱航行器的舵面，從而改變航行器的航行姿態(tài)或航行軌跡，它的性能好壞直接決定著水下航行器的運(yùn)動控制性能。舵機(jī)是一個典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，主要包括控制電路、小型直流電動機(jī)、減速齒輪組。減速齒輪組由電動機(jī)驅(qū)動，其輸出端帶動一個實(shí)現(xiàn)舵機(jī)角度檢測的傳感器裝置。通常的檢測方法是使用光電編碼器和電位器，而對于舵機(jī)這樣一個頻繁正反轉(zhuǎn)、長時間工作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，光電編碼器存在抗沖擊振動性差，電位器易受干擾，精度低等問題。
旋轉(zhuǎn)變壓器是一種精密角度、位置、速度檢測裝置，適用于所有使用旋轉(zhuǎn)編碼器的場合，特別是高溫、嚴(yán)寒、潮濕、高速、高震動等旋轉(zhuǎn)編碼器無法正常工作的場合。由于旋轉(zhuǎn)變壓器的以上特點(diǎn)，可完全替代光電編碼器等傳感器，被廣泛應(yīng)用在各種領(lǐng)域的角度、位置檢測系統(tǒng)中。
本文采用旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)現(xiàn)舵角度檢測。該舵機(jī)角度檢測系統(tǒng)以dsPIC30F6014A作為控制器核心，通過CAN總線與上級控制器進(jìn)行通信，接收上級控制器的舵機(jī)角度指令，并將舵機(jī)當(dāng)前實(shí)際角度和故障等信息返回給上級控制器，實(shí)現(xiàn)分布式控制。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明舵機(jī)角度檢測性能完全滿足控制系統(tǒng)指標(biāo)要求。
二、旋轉(zhuǎn)變壓器的原理
旋轉(zhuǎn)變壓器是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)子角度變化的信號元件。當(dāng)勵磁繞組以一定頻率的交流電壓勵磁時，輸出繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦、余弦函數(shù)關(guān)系，在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系。如圖1所示，旋轉(zhuǎn)變壓器的初級勵磁繞組Np1，Np2和二相正交的次級感應(yīng)繞組Ns1和Ns3，Ns2和Ns4同在定子側(cè)，轉(zhuǎn)子側(cè)是與初級繞組和次級繞組磁通耦合的磁阻轉(zhuǎn)子。
當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子隨電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)，Np1，Np2外加交流勵磁電壓ENp2，Np1后，次級兩輸出繞組中便產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其大小為勵磁與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角的正、余弦值的乘積，其輸入輸出關(guān)系為：
式中：——勵磁最大幅值；——勵磁角頻率；——旋轉(zhuǎn)變壓器變比；——轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度。
由旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理可知，通過給旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊加上正弦激勵信號，可在其副邊得到同相位的兩路幅值為空間正交的正弦信號。通過監(jiān)測它的幅值變化，即可測出旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子的空間角度的變化。
本文選用日本多摩川公司研究出的旋轉(zhuǎn)變壓器TS2142N1E63，該旋轉(zhuǎn)變壓器采用無刷設(shè)計(jì)，具有高可靠性、長壽命、高速旋轉(zhuǎn)、絕對位置檢測，能用在惡劣的環(huán)境中工作等特點(diǎn)。
三、舵機(jī)角度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
旋轉(zhuǎn)變壓器是一種模擬型機(jī)電元件，輸出的是模擬信號，不能滿足數(shù)字化的要求，就需要將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的交流信號直接變換成數(shù)字信號的器件，即旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（RDC）器件。Smartcoder-AU6802N1是一款高速、數(shù)字跟蹤、全角度檢測芯片，將它與旋轉(zhuǎn)變壓器相結(jié)合，可以將與機(jī)械轉(zhuǎn)動角相應(yīng)的電信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并傳輸出來，便于計(jì)算機(jī)對電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行處理。AU6802N1芯片將旋轉(zhuǎn)變壓器的激勵電路和數(shù)字轉(zhuǎn)換電路集成在同一個芯片上，保證了旋轉(zhuǎn)變壓器激勵輸入的頻率和相位與數(shù)字轉(zhuǎn)換電路輸入信號的頻率和相位盡可能地保持一致。
提供給旋轉(zhuǎn)變壓器的勵磁信號由芯片內(nèi)部產(chǎn)生并通過RSO口輸出，為了給旋轉(zhuǎn)變壓器的勵磁繞組提供滿足要求的高品質(zhì)正弦波勵磁信號，需要加入相應(yīng)的信號處理電路，如圖2所示，同時該勵磁電壓信號又反饋回R1E-R2E端口，用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)部相位同步檢測和斷相檢測。
由旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的轉(zhuǎn)速正弦信號和余弦信號分別通過S2-S4，S1-S3口輸入，再經(jīng)10位乘法器與反饋轉(zhuǎn)速的數(shù)字跟蹤量相乘，產(chǎn)生的信號再通過比較器和相位補(bǔ)償及同步校正處理后，得到所需轉(zhuǎn)速的精確數(shù)字量，為使所接收到的旋轉(zhuǎn)變壓器正/余弦信號能夠滿足芯片對輸入信號幅值與相位的要求，相應(yīng)的信號處理電路如圖3所示：
舵機(jī)角度檢測系統(tǒng)中選用Microchip公司的dsPIC30F6014A單片機(jī)作為核心處理器，用AU6802N1將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬位置信號（sin，cos）轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字位置信號，然后由單片機(jī)將數(shù)字位置信號讀入并進(jìn)行處理。
本系統(tǒng)通過CAN總線與上級控制器通信，CAN通信部分電路原理圖如圖4所示，CAN總線的接口部分采用了安全和抗干擾措施。采用光電隔離芯片6N137將CAN控制器和收發(fā)器隔離，以便有效地增加通信距離和抗干擾能力。
四、軟件設(shè)計(jì)
軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，其中舵機(jī)角度檢測和CAN通信數(shù)據(jù)接收通過中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)。為了提高控制系統(tǒng)的可靠性，在軟件設(shè)計(jì)時采取了一些措施：在每個模塊之后和程序存儲器空白區(qū)加了軟件陷阱，并且在一些重要跳轉(zhuǎn)指令之間增加了軟件冗余指令；對于舵機(jī)角度檢測信號采用中值、均值濾波技術(shù)。軟件主程序流程如圖5所示。
五、試驗(yàn)結(jié)果及分析
本文所述舵機(jī)控制系統(tǒng)已應(yīng)用在實(shí)際的水下航行器產(chǎn)品上，通過水池、湖上試驗(yàn)，舵機(jī)控制系統(tǒng)的性能完全能夠滿足運(yùn)動控制指標(biāo)要求，能夠很好地實(shí)現(xiàn)水下航行器的上浮、下潛、左右轉(zhuǎn)向等機(jī)動能力。通過記錄舵角的設(shè)定值和實(shí)際測量值來分析舵機(jī)控制的動態(tài)性能和靜態(tài)性能。如圖6、7、8分別表示在不同設(shè)定值下的角度跟蹤控制性能，其中藍(lán)線代表設(shè)定值，紅線代表實(shí)際測量值，
從圖6、7、8可以看出在3種不同舵機(jī)角度設(shè)定值曲線下，通過角度檢測系統(tǒng)測得的角度值均能夠很好地跟蹤設(shè)定值，具有動態(tài)響應(yīng)速度快、靜態(tài)誤差小的優(yōu)點(diǎn)。滿足控制系統(tǒng)對舵機(jī)角度檢測的性能要求。
六、結(jié)論
旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（RDC）AU6802N1與單片機(jī)構(gòu)成了高精度舵機(jī)角度檢測系統(tǒng)，其接口電路簡潔，通過對轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行合理的數(shù)字處理，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的精確測量。試驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)的接口電路和數(shù)字處理方法簡單，精度高，可靠性好，抗干擾能力強(qiáng)，完全能夠滿足舵機(jī)控制系統(tǒng)的要求，具有較高的應(yīng)用價值。
參考文獻(xiàn)
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【Abstract】In this paper， with the aid of the ultrasonic module ， the temperature sensor module and MCU microprocessor controller， it designed a set of water level and temperature detection system for the water tower ， and gives the design process in detail.The scheme has the advantages of high accuracy， low cost， simple structure， high reliability， convenient maintenance and strong expansibility. It has certain practical significance and market application value in practical production and life.
【P鍵詞】超聲波；單片機(jī)控制；水塔監(jiān)測
【Keywords】ultrasound；SCM control；water tower monitoring
【中圖分類號】TN216 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）04-0129-02
1 引言
在日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，經(jīng)常需要對水塔水位和水溫進(jìn)行監(jiān)控。傳統(tǒng)的水塔水位大部分采用浮球水位控制器，一般分為管式浮球與纜浮球。管式浮球適合清水及粘度不大的液體；纜浮球適合污水。浮球水位控制器優(yōu)點(diǎn)是價格適中，缺點(diǎn)是屬于開關(guān)量控制，無法給出實(shí)際水位。并且管式浮球容易卡滯，纜浮球容易纏繞，所有浮球都有觸點(diǎn)接觸不良現(xiàn)象，其后果是容易造成系統(tǒng)失控，調(diào)整控制點(diǎn)很不方便。另外，水塔的水溫檢測系統(tǒng)也一般是獨(dú)立的系統(tǒng)，并不能與水位系統(tǒng)整合在一起，實(shí)際使用中比較不方便[1]。
基于這一現(xiàn)狀，筆者設(shè)計(jì)了一款基于超聲波和溫度傳感器的水塔水位水溫監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)依靠超聲波的回聲來測量水塔液位高度，其最大檢測高度可達(dá)6m；溫度傳感器采用DS18B20，測溫范圍-55℃～+125℃。該傳感器參數(shù)足以應(yīng)用于水塔的水位水溫監(jiān)控。
2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
整個系統(tǒng)由HC-SR04超聲波模塊、DS18B20溫度模塊、顯示模塊、報警模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源管理模塊、RS485總線模塊等組成。系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，讀取DS18B20溫度模塊溫度數(shù)據(jù)和超聲波模塊數(shù)據(jù)，通過RS485總線與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示。
3 硬件設(shè)計(jì)
3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)
在此次設(shè)計(jì)中，由于系統(tǒng)的處理任務(wù)比較少，因此采用傳統(tǒng)的51單片機(jī)作為核心微控制器。單片機(jī)不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個芯片上。單片機(jī)的使用領(lǐng)域十分廣泛，如智能儀表、實(shí)時工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等[2]。
3.2 電源管理模塊
電源管理模塊是這個系統(tǒng)的能量來源，在此次設(shè)計(jì)中，采用5V直流電為超聲波模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)、溫度檢測模塊、RS485總線模塊、顯示模塊、報警模塊等供電。
3.3 超聲波模塊
利用超聲波指向性強(qiáng)，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于物體距離的測量。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求[3]。超聲波測量水位的原理是：超聲波模塊放置在水塔頂端，通過超聲波發(fā)射裝置向水塔水面間隔一定的時間發(fā)射超聲波，同時單片機(jī)打開定時器，超聲波在空氣中傳播，途中碰到水面就立即返回來，一旦接收到返回的超聲波，單片機(jī)馬上關(guān)閉定時器，并讀取定時器寄存器的數(shù)據(jù)，通過簡單的運(yùn)算計(jì)算出超聲波發(fā)射到接收的時間差t，超聲波在空氣中的傳播速度340m/s，就可以知道計(jì)算出超聲波發(fā)射點(diǎn)距水面的距離s，即s=340×t/2，然后在設(shè)計(jì)之初先設(shè)置好超聲波到水塔底的距離h1，通過單片機(jī)減法運(yùn)算后即可以得出水位高度h2=h1-s。
3.4 溫度檢測模塊
DS18B20是常用的溫度傳感器，單總線通信方式，具有成本低、體積小、硬件電路簡單、抗干擾能力強(qiáng)、精度高、測溫范圍廣、誤差小的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生活和工業(yè)測溫領(lǐng)域[4]。
3.5 RS485總線模塊
RS485采用差分信號負(fù)邏輯，最大的通信距離約為1219m，最大傳輸速率為10Mbps，傳輸速率與傳輸距離成反比，是目前工業(yè)應(yīng)用的比較常用的一種串行總線。RS485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般是兩線制，多采用屏蔽雙絞線傳輸。這種接線方式為總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在同一總線上最多可以掛接32個結(jié)點(diǎn)。在RS485通信網(wǎng)絡(luò)中一般采用的是主從通信方式，即一個主機(jī)帶多個從機(jī)。在此次設(shè)計(jì)中，該系統(tǒng)為從機(jī)模式，可以與上位機(jī)（主機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
3.6 顯示與報警模塊
系統(tǒng)采用OLED顯示屏，與單片機(jī)使用SPI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可以方便顯示水溫、水位的數(shù)據(jù)，并且在異常情況下顯示異常信息。報警采用有源蜂鳴器加發(fā)光二極管，當(dāng)水位和水溫異常時，單片機(jī)IO口輸出低電平，驅(qū)動PNP三極管，進(jìn)而驅(qū)動蜂鳴器與發(fā)光二極管，對用戶進(jìn)行聲光提醒[6]。
4 軟件設(shè)計(jì)
水塔水位水溫監(jiān)測系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)由超聲波模塊、溫度檢測模塊、RS485總線模塊、顯示與報警模塊等程序組成。程序使用C語言在Keil4中進(jìn)行編寫調(diào)試，采用模塊化程序設(shè)計(jì)思路，以使得程序結(jié)構(gòu)清晰、修改方便、可移植性強(qiáng)、便于調(diào)試。裝置上電開機(jī)后，先初始化各函數(shù)變量和各個模塊，然后與主機(jī)通過RS485總線進(jìn)行通信，識別主機(jī)有無指令以及指令內(nèi)容。接著超聲波模塊發(fā)射超聲波，單片機(jī)等待超聲波回波，計(jì)算水位高度，判斷液位高度是否正常，如果正常，在顯示屏上顯示當(dāng)前液位高度，如果異常，顯示異常信息并進(jìn)行報警。然后進(jìn)行水溫的檢測，同水位檢測一樣，水溫正常顯示當(dāng)前水溫，異常顯示異常信息并報警。
5 結(jié)語
水塔水位水溫監(jiān)測系統(tǒng)在實(shí)際的測試與使用過程中體現(xiàn)出較好的實(shí)用性，基本滿足了設(shè)計(jì)需求。該系統(tǒng)維護(hù)、檢修比較方便，允許通過RS485總線組網(wǎng)，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性與靈活性。但該裝置的不足也比較明顯，比如水位測量受限于超聲波模塊的測距最遠(yuǎn)距離，在超過6米的水塔基本無法使用，并且超聲波模塊的安裝也需要盡量垂直于液面，否則容易出現(xiàn)無法接收到超聲波回波的情況，進(jìn)而對水位檢測失敗。
【參考文獻(xiàn)】
【1】袁新娣.基于單片機(jī)的智能水塔水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].贛南師范學(xué)院學(xué)報，2010（6）：52-54.
【2】蘇家健，曹柏榮，汪志鋒.單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2004：1-3.