（载运工具运用工程专业论文）定高树径测量仪的研究.pdf

摘要 摘要 随着科学技术的不断发展，测量仪器的现代化研究取得了日新月异的成果，此时人 们对测量仪器的质量和功能也提出了更高的要求。目前，国内外在单株立木直径测量过 程中，主要使用的还是需人工读取和记录测量数据的测径围尺或轮尺等树木测量工具。 由于树木的直径信息是进行树种生长特征分析、树径生长动态变化研究及树木材积调查 中的重要基础信息，因此对实现树径信息自动读取和记录仪器的研究具有重要意义。 本课题开发的定高树径测量仪是一种专川于测量树木直径的仪器，该仪器具有操作 简单、测量精度高、一次作业存储数量大等特点。仪器的开发目的是为了摆脱纸和笔， 利用光电技术实现林场单株树木直径信息的自动读取、记录和统计。 定高树径测量仪的研究以单片机为开发平台，利用超声波测距技术、条形码识别技 术、串口通讯技术等高新技术，实现在树干1 3 0 m 1 4 0 m 处测量单株立木的胸径。在 p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 机中开发的树径测量管理系统，提高了对测量数据的统计和分 析的效率。野外测量作业完成后，可将仪器通过串口与p c 机相连，把仪器中存储的测 量数据发送到p c 机的数据库中，操作人员可通过树径测量管理系统的可视化访问界面对 测量数据进行管理和查询等操作。 定高树径测量仪通过液晶显示器向操作人员实时显示明确的文字提示信息和测量结 果。操作人员可根据实际需要，按提示信息进行功能选择，使测量仪完成测距定高、接 收数据、发送数据、存储数据、删除数据、树木种类选择及复位等功能，操作简单，且 系统具有较高的稳定性。 测量仪的硬件设计以a r 8 9 c 5 2 单片机控制系统为核心，实现测距模块、条形码数 据识别模块、液晶显示模块等模块化系统设计，使系统结构简单化。本文从硬件和软件 两个方面详细分析了定高树径测量仪的设计思路和设计内容，并对p c 机中树径测量管 理系统的开发进行了介绍。 关键词定高：树径测量；超声波；条形码识别； 东北林业大学硕。j ：学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t hd e v e l o p m e n to fs c i e n t i f i ct e c h n i q u e ，t h em e a s u r i n ge q u i p m e n tm o d e r n i z e d r e s e a r c hh a sy i e l d e dt h er e s u l tc h a n g i n gw i t he a c hn e wd a y ，p e o p l ea l s os e tah i g h e rr e q u e s tt o t h e m e a s u r i n ge q u i p m e n t sq u a l i t ya n d f b n c t i o n p r e s e n t l y i n s t a n d i n g t r e e sd i a m e t e r m e a s u r i n gp r o c e s s ，t h em a i nt o o l sa r et a p em e t e ro rc a l i p e r ，w h i c hn e e dm a n p o w e rt or e a da n d r e c o r dm e a s u r ed a t a a st r e e sd i a m e t e ri si m p o r t a n tb a s a li n f o r m a t i o ni ng r o w t hc h a r a c t e r i s t i c o rd y n a m i cc h a n g ea n a l y s i so fs t a n d i n gt r e e sa n dt r e e s t i m b e rv o l u m ei n v e s t i g a t i o n ，t h e r e f o r e t h er e s e a r c ho ft o o l sc a nr e a l i z ea n dr e c o r dt r e e s d i a m e t e ra u t o m a t i c a l l yh a sv i t a ls i g n i f i c a n c e t r e e sf i x e dh i g hd i a m e t e rm e a s u r i n ga p p a r a t u si nt h i st h e s i si so n ek i n dt r e e s d i a m e t e r m e a s u r i n gt 0 0 1 t h ea p p a r a t u sh a sc h a r a c t e r i s t i c so fo p e r a t i o ns i n l p l y ，h i g hm e a s u r i n ga c c u r a c y ； b i gm e m o r yq u a n t i t yo n c ew o r ka n ds oo n t h ea p p a r a t u s d e v e l o p m e n tg o a li st oh e l pp e o p l e g e tg r i do fp a p e ra n dp e n s ，u s i n gp h o t o - e l e c t r i c i t yt e c h n o l o g yt or e a l i z e ，r e c o r da n ds t a t i s t i ct h e t r e e s d i a m e t e ri n f o r m a t i o na u t o m a t i c a l l yi nt r e ef a r m t h e a p p a r a t u s r e s e a r c hi so nt h eb a s eo fm o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ，i tu t 订i z e sm a n y k i n d so f h i g h t e c hs u c ha su l t r a s o n i cr a n g i n gt e c h n o l o g y b a rc o d er e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y a n d s e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt om e a s u r et h es t a n d i n gt r e e sd i a m e t e ra tb r e a s th e i g h t a b o u t1 3 0 m 1 4 0 m 7 r r e ed i a m e t e rs u e ym a n a g e m e n ts y s t e i ni np c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) ， i m p r 0 v i n gt h ee f f i c i e n c y0 fs t a t i s t i c sa n da n a l y s i ss t o r e dd a t a a f t e rt h ef i e l d w o r k ，c o n n e c t i n g t h ea p p a r a t u st 0t h ep cv i as e r i a lp o r t ，a n ds e n d i n gt h es t o r e dd a t ei n t 0t h ed a t a b a s e t h e n o p e r a t o r sc a np r e c e d ed a t em a n a g e m e n ta n dq u e r yt h r o u g ht h ev i s u a li n t e r f a c ei nt r e ed i a m e t e r s u e ym a n a g e m e n ts y s t e m o p e r a t o r sc o u l dg e tc l e a rv i s u a lw o r d so p e r a t i n gi n f o r m a t i o na n dm e a s u r i n gr e s u l to nt h e a p p a r a t u s si 。c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) d e p e n do nt h ea c t u a ln e e d ，o p e r a t o r sc a ns e l e c tt h e f u n c t i o n a c c o r d i n gt o t h ew o r d si n f b r n l a t i o ns h o w e do nl c d t h e nt h ea p p a r a t u sw i l l i m p l e m e n tt h ef u n c t i o no fr a n g i n gf i x e dh i g h ，r e c e i v i n gd a t a ，s t o r i n gd a t a ，d e l e t i n gd a t a ， s e l e c t i n gt r e e sk i n d ，a n dr e s t o r a t i o n t h eo p e r a t i o ni ss i m p l ea n dh a sh i g hs t a b i l i t y 鸟l t 8 9 c 5 2m o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i tc o n t r o ls y s t e mi st h ec o r eo ft h ea p p a r a t u s h a r d w a r es y s t e m i no r d e rt os i m p l i f yt h es y s t e m so r g a n i z a t i o n ，r a n g i n gm o d u l e ，b a rc 0 d e r e c o g n i t i o nm o d u l ea n dl c d m o d u l ea r ea d o p t e df o rm o d u l a rd e s i g n t h i sa r t i c l em a i n l yf r o m h a r d w a f ea n ds o f t w a r et w oa s p e c t st oa n a l y s i st h ed e s i g nm e n t a l i t ya n dc o n t e n to ft r e e sf i x e d h i g hd i a m e t e rm e a s u r i n ga p p a r a t u s ，a n di n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n to ft f e ed i a m e t e rs u e y m a n a g e m e n ts y s t e mi nt h ep c ：k | e y w o r d s f i x e d h i g h ； t r e ed i a m e t e rm e a s u r e ； u l t r a s o n i c ； b a r c o d ed i s c e m i n g ； i i l 绪论 1 绪论 1 1 引言 2 1 世纪是以快速发展的高新科学技术产业及无限膨胀的信息为主要特征的新经济时 代【l j 。新经济对以保护、恢复和改善环境以及高效利用森林资源为主要任务的林业科技 提出了更新、更高的要求【2 】。随着林业科学技术的不断发展及高新技术在林业科技中的 加深介入，使林业树木测量技术从宏观到微观都呈现出了枝繁叶盛的发展势头【3 】。同时 测绘科学技术向集成化、数字化、动态化、实时化、自动化、智能化方向的发展【4 1 ，也 为现代化树木测量仪器的研究奠定了坚实的基础。 1 1 1 国内树木测量仪器的发展现状 2 0 世纪末，林业勘测单位从事的5 年1 次的森林资源连续清查定位还处于罗盘仪导 线测量、手工记录阶段，记录、统计功效慢，外业工作量较大，在一定程度上影响了清 查的效率和结果的精确性及可靠性【5 j 。同时，在进行实际森林资源可持续发展能力的评 价过程中，一般也是采用手工方法获取指标数据、分配权重和计算，指标获取较困难， 计算周期较长1 6 】。然而，现代化的林业是以精准林业、虚拟林业、智能化和网络化林业 为目标的系统工程，其基础工作就是林业各项数据的自动测算【7 1 。 树木的高度、直径、树冠等因子的测量是森林资源经营管理的重要基础信息。全站 仪是2 0 世纪7 0 年代以来出现的集测距、测角及数据自动处理于一体的现代化测绘仪 器，9 0 年代中期，美国、英国、德国等国在林地面积测量、树高测量中初步应用了全站 仪。全站仪在树木因子测量中的应用，不仅提高了测量的速度、精度和效率，更重要的 是不用伐倒林木和爬树，在不对林木有任何损失的情况下就可以自动、实时获取测树因 子i 圳。全站仪可以准确地测定每株树的三维坐标、树高、胸径、林地面积，及利用测量 数据计算树木的材积1 9 l0 1 。 目前，国内有关将立体视觉技术和数字近景摄影技术应用于森林资源调查的可行技 术路线的研究也正在进行中，实验结果表明，应用这两种技术的测量系统都可以测量树 高、胸径及树冠体积，但都还处于初步实验阶段【1 1 1 2 1 。 3 s 技术是全球定位系统g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns v s t e m ) 、遥感技术r s ( r e m o t e s e n s i n g ) 、地理信息系统g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 的统称【1 3 1 。随着3 s 技术 的1 i 断发展，目前在数字化林业的研究中，将3 s 技术应用于树木测量系统的研究取得 了较好的成效【1 4 砣。3 s 技术在树木测量系统中的应用向以罗盘仪为主的林业测绘提出 了挑战，同时也为经典的林业测绘走向高科技时代提供了良好的机遇。 1 1 2 国外树木测量仪器的发展现状 国外对森林资源信息的管理有较成熟的经验【2 1 】，树木测量仪器的发展、应用技术、 东北林业人学硕l 学位论文 总体方案确定后，在列。超声波测距确定测量高度及条形码自动识别技术识读树径信 息的可行性进行了理论分析的基础上，利用单片机技术、超声波的基本特性、条形码自 动识别技术等，研制出了定高树径测量仪的硬件部分，根据要实现的功能编写了相应的 软件程序，并进行了调试和试运行。为方便操作人员对仪器的操作，在硬件设计中添加 了显示模块，使操作提示信息和测量结果及时的显示在液晶显示器( l c d ) 上。 随着经济和科学技术的发展，尤其是计算机、通信、控制等技术的发展和提高，国 内外掀起了对现代化、自动化树木测量仪器的研究与开发的浪潮。目前，国外在大面积 森林资源的清查中已捌有了较先进的测量仪器，但是由于较高的价格和对测量环境的要 求，使这些先进测量仪器在我国的普及应用受到了很多限制。 本课题设计的控制系统采用价格低廉，功耗低，应用灵活的a ：r 8 9 c 5 2 单片机，采 用m c s 5 1 汇编语言进行程序设计。系统采用软、硬件功能模块化设计，主要包括带温 度补偿的超声波测距定高模块、条形码识别模块、显示模块等。 m c s 5 1 系列单片机应用技术的高速发展、超声波传感器用于测距技术的成熟发展 及条形码识别技术的广泛应用都为该系统研究的成功提供了必要的条件。综上所述，该 方案是可行的。 1 5 本章小结 本章从国内外树木测量仪器的研究现状出发，阐述了定高树径测量仪研究的目的、 意义和内容，并对该测量系统研究成功的可行性进行了论证。 东北林业人学硕l 学位论文 总体方案确定后，在列。超声波测距确定测量高度及条形码自动识别技术识读树径信 息的可行性进行了理论分析的基础上，利用单片机技术、超声波的基本特性、条形码自 动识别技术等，研制出了定高树径测量仪的硬件部分，根据要实现的功能编写了相应的 软件程序，并进行了调试和试运行。为方便操作人员对仪器的操作，在硬件设计中添加 了显示模块，使操作提示信息和测量结果及时的显示在液晶显示器( l c d ) 上。 随着经济和科学技术的发展，尤其是计算机、通信、控制等技术的发展和提高，国 内外掀起了对现代化、自动化树木测量仪器的研究与开发的浪潮。目前，国外在大面积 森林资源的清查中已捌有了较先进的测量仪器，但是由于较高的价格和对测量环境的要 求，使这些先进测量仪器在我国的普及应用受到了很多限制。 本课题设计的控制系统采用价格低廉，功耗低，应用灵活的a ：r 8 9 c 5 2 单片机，采 用m c s 5 1 汇编语言进行程序设计。系统采用软、硬件功能模块化设计，主要包括带温 度补偿的超声波测距定高模块、条形码识别模块、显示模块等。 m c s 5 1 系列单片机应用技术的高速发展、超声波传感器用于测距技术的成熟发展 及条形码识别技术的广泛应用都为该系统研究的成功提供了必要的条件。综上所述，该 方案是可行的。 1 5 本章小结 本章从国内外树木测量仪器的研究现状出发，阐述了定高树径测量仪研究的目的、 意义和内容，并对该测量系统研究成功的可行性进行了论证。 2 总体设计及工作原理 2 总体设计及工作原理2 1 总体设计 定高树径测量仪由硬件和软件两部分组成。硬件主要包括单片机控制系统、超声波 测距电路、温度测量电路、键盘及显示电路、通信接口电路等部分；软件采用模块化设 计思想，使程序设计思路清晰，便于调试，主要包括系统初始化模块、超声波测距模块、树径识别模块及通信模块等。 定高树径测量仪的总体设计任务是利用超声波测距技术实现测量高度的确定、通过 树种按键选择树木种类、采用条形码阅翔酆r 燮舀射射螂瓷艴刚刭删刻1 = 1 峻并买批树径 信息薹蚕魁髂剖哆嚣她第虚j 婪业琵雾爸翼裂臣堕肆琏 瞄坦蠛删；妻蔼强幽嘤蠹港憾理据幡辕挺惯倒篙氮僦懈 凄褊磁蒌毹戮i 熏卦藩薹酰一￥雾觚虱期m 鳓割荪豇垂痧茁鼢手；藩翼獒雾氰受艺司羹 薹翥某嘏警：妻聂莲摆囊罐塑鬻薹羹皂詹靖靴到衿晖鹫署烈掣) 树径信息的读取与存储 利用2 0 世纪发展起来的集光电、计算机、通信等技术为一体条形码自动识别技术 对树径信息进行识别。条形码识别技术具有准确、快速、经济、便于操作等优点【3 9 j 。目 自订，该项技术已经成功应用于图书管理、商品流通、车辆识别等领域【4 0 ，4 1 1 。 将条形码识别技术应用于树木直径信息的识别是本课题的一个创新点。利用条形码 编码软件对条形码进行编码使其带有树木的直径长度信息，并喷涂在测量卷尺上，采用 条形码阅读器识别条形码所代表的长度值，识别得到的有效值将保存到测量仪的数据存 储器中。 ( 3 ) 数据传输 野外测量作业完成后，将测量仪内置的r s 2 3 2 串口利用串口连接线与p c 机相 连，按下发送功能键，系统将调用串口通信子程序，将测量仪中存储的测量数据传输到 p c 机中的树径测量管理系统。 1 3 2 树径测量管理系统的开发 为方便操作人员对测量数据的统计和管理，在p c 机中开发了树径测量管理系统。 由于测量中利用功能键选择了测量树木的种类，使树种信息得到保存，因此输入到树径 测量管理系统数据库中的信息是按树木种类统计的，使操作人员对树木的种类、数量及 单株直径一目了然。 1 4 可行性论证 定高树径测量仪为树种生长状况、森林资源清查等研究提供了先进的手段，尤其适 用于各实验林场的单株直径测量作业，解决了以往靠人工对测量结果进行记录、统计、 分析中的费时、费力、统计困难等问题，节约了人力和物力。该测量仪携带方便、操作 2 总体设计及工作原理 2 2 3t r 4 0 超声波传感器 查阅了大量资料之后，从测量的实际要求出发，在本系统中采用了t r 4 0 1 6 型超 声波传感器，其外形结构示意图如图2 2 所示，性能指标如表2 1 所示【4 3 】。 卜一c _ 枉d i 厂 k 图2 2t r 4 0 1 6 型超声波传感器的外形结构示意图 表2 1 超声探头性能 由t r 4 0 超声波传感器的典型特征曲线如图2 3 、2 4 可知：t r 4 0 超声波传感器在 输入频率为4 0 k h z 时，各种特性都呈现出最佳状态。因此为得到最佳效果，系统中超声 波发生电路输出方波的频率为4 0 k h z 。 1 2 0 输 堂 1 1 0 压 皇1 0 0 ( d b ) 、 ?； 扁入电压1 0 八 距离3 0 c m 3 5 4 0 4 5 频率( k h z ) 图2 3 声压电平特性曲线 2 2 4 超声波测距原理 6 0 灵 敏 。7 0 度 8 0 ( d b ) ，、 7； r =3 9 k q 距离3 0 c m 3 54 04 5 频率( k h z ) 图2 4 灵敏度特性曲线 超声波测距从原理上可分为共振式和脉冲反射式两种。由于共振法的应用要求复 杂，在测量仪测高电路中使用的是脉冲反射式，利用超声波通过两种不同的介质时，均 会发生反射和折射的性质。 在定高树径测量仪的底部安装超声波传感器，垂直向地面发射超声波，图2 5 是测 东北林业人学硕i j 学位论文 量仪利用超声波确定测量高度的原理图。控制电路( 单片机控制系统) 在发射超声波的 时刻开始计时，并检测超声波遇到地面所反射的回波，由计数电路测出发射和接收回波 的时间间隔f ，计时停止的同时，由控制电路读取a d 5 9 0 温度传感器测得的外界温度， 利用温度修正公式2 1 算出超声波在空气中的传播速度“，再由公式2 2 求出仪器此时 处于树干上的测量位置与地面之间的距离i l 的大小，并送l c d 显示，操作人员可通过 调试测量位置的高低来确定进行树木直径测量作业的高度在1 3 0 m 1 4 0 m 范围内。 ll c d l 显示 1 一 a d 5 9 0 温度 传感器 控 制 电 路 超声波传感器 图2 - 5 超声波测距原理图 ，；l = 0 5 “f( 2 2 ) 式中f 超声波探头从发射超声波到接收到超声波的时间间隔( s ) ； “超声波在空气中的传播速度( m s ) ； ，l 测量位置距离地面的高度( m ) 。 2 3 条形码阅读器基本工作原理 条形码是由美国的n t w b o d l a n d 在1 9 4 9 年首先提出的，8 0 年代后才得到实际应 用和迅猛发展。近年来，随着计算机应用的普及和相关技术的提高，使条形码的应用得 到了很大发展，在世界各国得到迅速的推广普及，应用的领域也在不断的扩大。 2 3 1 条形码相关概念 通常认为条形码是利用光电扫描阅读设备识读并实现数据输入计算机的一种特殊代 码，由一组粗细不同、黑白或彩色相间的条、空及其相应的字符、数字、字母组成的标 记，用以表示一定的信息l 。一个完整条形码的组成次序依次为：静区( 前) 、起始 符、数据符、中间分割符( 主要用于e a n 码) 、( 校验符) 、终止符、静区( 后) 。静区 能使条形码阅读器进入准备阅读的状态，当两个条形码相距距离较近时，静区则有助于 对它们加以区分；起始终止符是指位于条形码开始和结束的若干条与空，标志条形码 的开始和结束，同时提供了码制识别信息和阅读方向的信息；数据符是位于条形码中间 的条、空结构，它包含条形码所表达的特定信息。 条形码可分为一维条形码和二维条形码两大类，主要区别是一维条形码只在水平方 2 总体设计及工作原理 向表达信息，信息录入速度较快，而二维条形码可以在水平和垂直方向的二维空间存储 信息。虽然一维和二维条形码的原理都是用符号来携带资料，达成资料的自动辨识，但 是从应用的观点来看，一维条形码偏重于标以商r w - ，而二维条形码则偏重于描述商品， 并且二维条形码可以实现图像识别。目前全世界约有2 2 5 种以上的一维条形码，且每种 都有自己的一套编码规格。一般较流行的一维条形码有3 9 码、b 埘码、u p c 码及专门 用于书刊管理的l s b n 、l s s n 等。自1 9 7 4 年发展起来的3 9 码条形码系统是一种可供操 作人员双向扫瞄的分散式条形码。3 9 码可表示数字、字母等信息，最大的优点是码数没 有强制的限定，且检查码可忽略不计，主要用于工业、图书、商业资料及票证的自动化 管理，目前使用极为广泛。 本课题研发的定高树径测量仪利用条形码技术是为实现树径值的自动识别。根据实 际情况，考虑到各种码制对条形码识读设备和编码软件的要求，在系统中选用3 9 码对 树干的直径值进行编码。 2 3 23 9 码的编码原理 标准的3 9 码是由起始安全空间、起始码、资料码、可忽略不计的检查码、终止安 全空间及终止码所构成。条形码的各基本要素的有机排列组合，使条形码具有了一个完 整的编码体系。3 9 码每个字元的编码方式，都是由9 条不同排列的线条编码而成，可区 分成4 种类型，见表2 2 。 表2 23 9 码的字元编码方式 3 9 码的编码原理主要有： ( 1 ) 能表示字母、数字和其它一些符号共4 3 个字符； ( 2 ) 条形码的长度可变化； ( 3 ) 通常用“号作为起始、终止符； ( 4 ) 空白区是窄条的1 0 倍； ( 5 ) 编码规则： 每个数据字符由9 个单元组成，其中有3 个宽单元，其余为窄单元： 宽单元的宽度为窄单元的1 到3 倍，一般多选用2 倍、2 5 倍或3 倍； 3 9 码具有自校验功能，所以一般不用校验码，为满足特定应用场合数据准确性的 要求，可采用附加校验字符。 2 总休设计及t f l ；原理 2 3 3 条形码阅读器的基本分类 条形码阅读器是识别条形码所包含信息的特定设备，一般由光源、接收装置、光电 转换部件、译码电路及计算机系统等组成条形码识别系统，见图2 7 。识别系统工作 时，由光源发出的光线经过光学系统照射到条形码符号上面，被反射回来的光经过光学 系统成像在光电转换器上，使之产生电信号，信号经电路放大后产生一个模拟电压，它 与照射到条形码符号上被反射回来的光成正比，再经过滤波、整形，形成与模拟信号对 应的方波信号，经译码器解释为计算机可以直接接收的数字信号。 条 形 码 符 号 图2 7 条形码识别系统 普通的条形码阅读器按采用技术的不同通常分为：光笔条形码阅读器、c c d ( c h a r g ec o u p l ed e v i c e ) 条形码阅读器、激光条形码阅读器3 种，它们都有各自的优缺 点，没有一种条形码阅读器能够在所有方面都具有优势。c c d 条形码阅读器为电子耦 合器件，比较适合近距离和接触阅读，价格没有激光条形码阅读器贵，而且内部没有移 动部件，其主要优点是价格较便：直，但同样具有阅读条形码密度广泛，容易使用的功 效。它的重量比激光条形码阅读器轻，而且不像光笔条形码阅读器一样只能接触阅读。 c c d 条形码阅读器的局限在于它的阅读景深和阅读宽度，不适合远距离阅读的场合。 2 3 4c c d 条形码阅读器 综合考虑3 种条形码阅读器的特点及市场销售价格，选用台湾欣技公司生产的 c i p h e r l a b 1 0 0 0c c d 型条形码阅读器组成测量仪的条形码识别系统。此阅读器质量优 良，功能更进一步强化，保固期内缆线弯折故障率趋近于0 。为方便客户做不同的编 程设定，厂家特别提供了设定软件，使用户可以直接在计算机上设定参数再下载至阅读 器。更强的恶劣环境适应性与抗震耐摔能力，敏锐的条形码读取功能。该阅读器具有零 组件寿命长，质量可靠，功耗低的特点，除串口与键盘接口之外，还提供了最新的u s b 接口，支持数十种国际通用条形码的读取，包括测量系统中所选用的3 9 码。 c c d 条形码阅读器对带有树径信息条形码带进行识别的基本工作原理：利用光电 耦合( c c d ) 原理【4 5 1 ，使用一个或多个l e d ，发出覆盖整个条形码的光线，条形码的 图像被传到一排光探测器上，被每个单独的光电二极管采样，由邻近探测器的探测结果 为“黑”或“白”区分每一个条或空，从而确定条形码的字符，并转换成可以译码的电 3 硬件设i 3 硬件设计 定高树径测量仪可实现测量高度的确定、温度的测量、树径信息自动识别和记录、 实现数据的传输及自动计数( 一次存储数据约5 0 0 0 个) 等功能。测量仪的硬件系统由 单片机控制系统、超声波传感器、a d 5 9 0 温度传感器、条形码阅读器、液晶显示器、串 行通信接口r s 2 3 2 等组成，硬件总体设计框图如图3 1 所示。 图3 1 硬什总体垃计框图 3 1 单片机控制系统 单片机控制系统由单片机a t 8 9 c 5 2 、内置8 k b 电擦除可编程e e p r o m 、地址锁存 器7 4 l s 5 7 3 及外接数据存储器2 8 6 4 a 构成。为提高系统的稳定性，采用了如看门狗电 路和电压监控电路等一些抗干扰措施，防止系统出现死循环。 a ：r m e l 公司生产的m c s 5 1 系列单片机中的a r 8 9 c 5 2 是整个系统硬件设计的核 心，系统利用a r 8 9 c 5 2 的定时器计数器、i o 口和可编程全双工串行口实现对超声波测 距电路、温度测量电路及条形码识别和数据传输电路的控制。 3 2 电源部分的设计 为使系统运行稳定和方便用户对电源的配置，在电源设计部分，采用了两种电源连 接方式供用户选择，可用直流5 v 电源供电从j 2 输入( v c ch ) ，也可用5 1 2 v 电池供 电从j p l 输入( v c t l ) 。在仪器使用过程中，使用的是9 v 电池供电，电池电压经过电 压调整芯片m a x 6 6 7 ( 5 v 可调、低压差稳压器) 后输出5 v 电压( v c c - l ) 。单片机系 统的电源v c c 可通过跳线j 1 选择v c ch 或v c cl 。同时，系统还采用高精密电源稳压 模块5 d 5 4 0 为温度测量中的d 转换器提供+ 5 v 电压，采用5 d 1 5 4 0 电源稳压模块为 东北林业火学硕士学位论文 温度放大电路提供1 5 v 电压。电源设计电路如图3 2 所示。 采用具有监控电路性能的微处理芯片m a x 8 1 3 l 对电源的运行进行实时监控和掉电 保护，并实现看门狗功能。 图3 - 2 电源部分的设计 3 3 看门狗电路设计 在单片机的工作现场，存在着各种各样的干扰源，很可能引起程序跑飞，造成死机 或程序的非正常运行，如不及时恢复，容易造成损失。看门狗就是在程序跑飞或死机 时，对系统进行重新置位或复位，以使系统恢复正常运行的一种专用电路。常用的看门 狗主要有软件狗和硬件狗两种n 引。 现在广泛采用的硬件狗就是一个能够发出“复位”信号的计数器或定时器电路。常 用的硬件狗由脉冲计数器( 如4 0 6 0 芯片) 和一些外围电路组成，计数清零端和溢出端 分别与单片机的i 0 和r s t 相连接。程序正常运行时，c p u 在计数器溢出之前通过l o 口对计数器清零，使计数器不能溢出。一旦程序运行出现异常，不能及时对计数器清 零，计数器将发生溢出，由于溢出端与c p u 的r s t 端相连接，所以单片机系统将“复 位 ，重新正常运行。 单片机系统的供电电源有时会因为各种原因而不稳定，发生电压波动或瞬间掉电的 现象，从而影响系统的正常工作和数据保存。如果能对电源电压进行监视，当电源电压 3 硬件设计 f 降到某一特定值时，发出一个信号给单片机和电源切换电路，那么就能使c p u 及时 进行必要的操作和维持工作电源的稳定。因此在测量仪的研制过程中，为单片机控制系 统设计了复位电路，其基本功效是： ( 1 ) 在单片机系统上电时，能可靠复位：下电时，能防止因程序跑飞而导致 e e p r o m 中的数据被修改； ( 2 ) 单片机系统工作寸，防止山于二二扰等各利- 囚素的影响，造成死机现象导致单 片机系统无法正常工作这一现象的出现； ( 3 ) 单片机系统的电源监控电路，在掉电刚发生及时告知单片机以使在掉电瞬 间，单片机能将重要数据保存下来。 m a x i m 公司推出的m a x 8 1 3 l 是一体积小、功耗低、高性价比的带看门狗和电源 监控功能的复位芯片，其具有以下主要性能特剧47 j ( 1 ) 系统上电、掉电以及供电电压降低时，第脚产生复位输出，复位脉冲宽度 的典型值为2 0 0 m s ，高电平有效，复位门限的典型值为4 6 5 v ； ( 2 ) 看门狗电路输出。如果在1 6 s 内没有触发该电路( 即第脚无脉冲输入) ，则 第脚输出一个低电平信号； ( 3 ) 手动复位输入，低电平有效，即第脚输入一个低电平，则芯片第脚产生 复位输出： ( 4 ) 当p f i 引脚电压低于1 2 5 v 时，电源故障输出脚p f o 输出一个低电平信号。 鉴于上述特点在系统中选用m a x 8 1 3 l 芯片实现复位、看门狗及电源监控功能。实 际应用时，将第脚与第脚相连，第脚接单片机a r 8 9 c 5 2 的复位脚，第脚与 c p u 的某一i o 管脚相连。在运行过程中，i o 管脚不断输出脉冲信号，如因某种原因 c p u 进入死循环，则i o 管脚无脉冲输出，于是1 6 秒后在m a x 8 1 3 l 的第脚输出低 电平，该低电平加到第脚，使m a x 8 1 3 l 产生复位输出，c p u 有效复位，摆脱死循环 的困扰。另外，当电源电压低于门限值4 6 5 v 时，m a x 8 1 3 l 也产生复位输出，c p u 处 于复位状态，不执行任何指令，直至电源电压恢复正常，因此可有效防止因电源电压较 低时c p u 产生错误的动作。 3 4 超声波测距定高模块的电路设计 超声波测距模块主要包括超声波发射电路、超声波接收电路、温度补偿电路及液晶 显示电路。 3 4 1 超声波发射电路 超声波发射电路是由可以产生精确定时脉冲的高稳定n e 5 5 5 荡器，电路如图3 - 3 所示。振荡频率厂的计算公式如公式3 1 。 ，= 1 f = 1 o 7 ( 尺1 + r l o o ) c 1 8 式中尺1 、尺1 0 0 超声波发射电路中的外接电阻( q ) ； 定时器组成的多谐振 ( 3 1 ) 东北林业人学硕：i ：学位论文 厂谐振器振荡频率( h z ) ： c 1 8 超声波发射电路中的外接电容( f ) 。 系统采用一片n e 5 5 5 和两个电容、两个电阻组成受控于r 端的由单片机p 3 5 引脚 发出的控制信号e n ，而产生4 0 k h z 方波的电路( 通过调整电阻r 1 来调节振荡频 率) ，使超声波传感器产生谐振。后级采用六反向变换器c d 4 0 4 9 对4 0 k h z 频率信号进 行调理，转换为振幅为9 v ，相位相反的两路方波，用推挽形式将方波信号加到超声波 发送器的两端，以提高超声波的发射强度。由n e 5 5 5 定时器组成的振荡器，最高工作 频率可达3 0 0 k h z ，而传感器的频率为4 0 k h z ，所以可满足频率的要求。 图3 - 3 超声波发射电路 3 4 2 超声波接收电路 超声波在传播过程中被衰减，因此在超声波接收电路前级采用n e 5 5 3 2 构成1 0 0 0 0 倍放大器，对接收信号进行放大；后级采用l m 3 1 1 比较器对经前级放大后的接收信号 进行调整，比较电压为l m 3 1 1 的第管脚处。经比较器调理后的波形成为方波，送 a t 8 9 c 5 2 的外部中断i n t l 。超声波接收电路如图3 4 所示。 l m 3 1 1 是一个通用型集成电压比较器，它具有低偏置电流和失调电流( 典型值分别 为1 0 0 n a 和6 l 认) ，其响应速度为2 0 0 n s 。可用单电源供电( 如+ 5 v ) ，也可用双电源供 电( 如1 2 v ) ，在本系统中采用了+ 5 v 的单电源供电。 由此可见，超声波接收电路完成了超声波回波信号的转换、信号的放大和整形以及 产生中断信号等功能。 一般压电式的超声波发射探头和接收探头之间都会存在余波的干扰，因此在发射探 头和接收探头之间要有5 c m 的距离以减少余波的干扰作用。另外，在超声波发射探头发 射超声波后的一段时间里，接收头会一直接收到发射头传过来的非反射波，这是干扰 波，所以在软件处理中，将接收信号延迟2 m s ，避免了由于干扰导致的测距错误。 图3 5 是利用t e k t r o n i xt d s 3 0 3 2 b 示波器显示的超声波发射波形和接收波形图，由 于超声波传感器的特性，只有在回波的强度达到一定程度时，单片机才能接收到回波已 经到达的信息，所以在回波出现到单片机接收到信号之间存在一段迟滞时间，经测试在 程序中做出了补偿，使测距误差在1 以内。 3 硬件设计 图3 4 超声波回波接收处理电路 图3 5 超声波发射、接收波形 3 4 3 电源接口 外接电源接口电路如图3 6 所示。超声波测距电路中u 5 、u 7 、u 8 及r 3 、r 7 、r 1 5 所接电源v c c _ 0 ，可通过跳线j 5 选择v c c _ i n 或v c c ，其中v c c - i n ( 电池供电9 v ) 为 通过接口j 6 输入的专门为超声波收发电路供电的外接电源接口。v c c 为5 v 的单片机系 统的电源，j 5 为电源选择跳线，也就是说超声波收发电路的电源可以接v c c ( 此时超声 波发射的功率较小) ，也可接v c c - i n 直接利用9 v 电池供电来增加超声波发射的功率。 v c c 町”、；- c cn - ： 图3 6 外部单独电源输入接口 1 7 东北林业大学硕士学位论文 3 5 温度测量电路的设计 温度测量电路由a d 5 9 0 测温及温度放大电路、a d 转换接口电路、光耦隔离电 路、液晶显示电路组成，其总体结构框图如图3 7 所示。 一 电a 光 堕 液 温度传感器b压 d 耦 片 日 处 + 转 隔 日日 理换 +机。显 离 系 不 参考电压电路卜 电 电 电 统器 路 路 路 图3 7 总体结构框图 3 5 1a d 5 9 0 测温及d 转换接口电路 a d 5 9 0 测温及其d 转换接口电路如图3 8 所示。温度传感器a d 5 9 0 在o 时输 出电流i = 2 7 靴a ，当外接电阻为1 k q 时，温度日每增加1 ，电流i 增加1 肚，输出电 压随温度的变化为1 m 址。参考电压电路由基准电压源m c l 4 0 3 及其外围元件组成。调 节与m c l 4 0 3 相连电位器的阻值，使其输出2 7 3 m v 的电压与a d 5 9 0 输出的2 7 3 m v 电 压形成压差，经过精密仪表放大器小a 1 1 8 进行电压放大处理后，得到放大1 0 倍的电压 信号。 图3 8a d 5 9 0 钡0 温及a d 转换接口电路 m c l 4 4 3 3 是美国m o t o r o l a 公司推出的一种三位半双积分式a d 转换器( 相当于1 1 位二进制数) ，集成了双积分式a d 转换器所有的c m o s 模拟电路和数字电路【4 8 1 。具有 外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校 零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的d 转换器。 m c l 4 4 3 3 采用字位动态扫描b c d 码输出方式，即千、百、十、个位b c d 码分时在 3 硬件设计 q 0 q 3 端轮流输出，同时在d s l d s 4 端输出同步字位选通信号。 m c l 4 0 3 集成精密+ 2 5 v 电压源经电位器分压后作为d 转换用基准电压。 m c l 4 4 3 3 的d u 端与e o c 端相连，以选择连续转换方式，每次转换结果都送至输出寄 存器。e o c 是d 转换结束的输出标志信号。单片机在读取d 转换结果时，可以采 用中断方式或查询方式。本系统的设计采用查询方式，e o c 经光耦连至单片机的p 3 4 端。d u 为d 转换的启动信号，经光耦连至单片机的p 1 o 端。 利用超声波测量高度时，需检测环境温度，把p 1 0 置o ，完成对外部模拟输入电压 信号的d 转换，然后不断查询p 3 4 ，若为1 则从q 0 q 3 和d s l d s 4 上读取a d 转 换的结果。电压信号经m c l 4 4 3 3 d 转换后，经光耦隔离电路传送给单片机，再经单 片机处理后由l c d 显示温度值。操作人员可通过按下温度按键，在l c d 显示屏上读取 外界的温度。 3 5 2 光耦隔离电路 为使输入信号准确无误，在单片机与温度放大及d 转换部分采用光耦进行隔离。 温度放大与d 转换作为模拟量输入部分，采用独立模拟电源和模拟地。单片机作为数 字部分采用独立数字电源和数字地。减少外部输入对单片机的影响。m c l 4 4 3 3 的d u