用于測量樹高的裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型是一種用于測量樹高的裝置，它能夠?qū)Ω叨仍?0m以上的樹的高度進行測量。它包括機架，單片機，與單片機電連接的顯示器，在機架上固定有用于測量距離的超聲波距離傳感器，超聲波距離傳感器與單片機電連接；它還包括與單片機電連接的傾角傳感器，傾角傳感器固定在可以相對于機架轉(zhuǎn)動的連接板上。
【專利說明】用于測量樹高的裝置

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種對樹高進行測量的高度測量裝置。

【背景技術】
[0002]我們常用的超聲波傳感器測量范圍不超過Sm，樹木的高度一般在1m以上，為了對樹高進行處理，無法直接使用超聲波傳感器測量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實用新型的目的的提供一種能夠?qū)Ω叨仍?m以上的樹的高度進行測量的裝置。
[0004]用于測量樹高的裝置，包括機架，單片機，與單片機電連接的顯示器，在機架上固定有用于測量距離的超聲波距離傳感器，超聲波距離傳感器與單片機電連接；它還包括與單片機電連接的傾角傳感器，傾角傳感器固定在可以相對于機架轉(zhuǎn)動的連接板上。
[0005]使用本實用新型進行對樹高進行測量時，把本裝置放置在地面上，轉(zhuǎn)動連接板，使得傾角傳感器隨連接板轉(zhuǎn)動到與超聲波距離傳感器的測距平面平行的狀態(tài)，然后以超聲波距離傳感器測量出從本裝置所在的的檢測點到樹根的距離L，并測量出傾角傳感器的傾角b (也就是檢測點到樹根的連線與水平面的夾角，或者說是超聲波距離傳感器的測距平面與水平面的夾角)。接著，轉(zhuǎn)動連接板，使得連接板指向樹頂，并測量出傾角傳感器的傾角a(也就是檢測點到樹頂?shù)倪B線與水平面的夾角)。根據(jù)H=L*cos a*tan b_L*sin b即可計算出樹高H。
[0006]上述的用于測量樹高的裝置，所述單片機為STC12C5A60S2單片機，所述超聲波距離傳感器為KS103超聲波傳感器。顯不器為IXD1602液晶顯不器。
[0007]上述的用于測量樹高的裝置，KS103超聲波傳感器工作于I2C模式；超聲波傳感器的SDA引腳與單片機的P0.2引腳相連，SCL引腳與單片機的P0.3引腳相連，且都接一個
4.7K的上拉電阻；超聲波傳感器的MOED引腳懸空。
[0008]上述的用于測量樹高的裝置，傾角傳感器的VO引腳為信號輸出端，與單片機的P1.0引腳相連。
[0009]上述的用于測量樹高的裝置，它還包括DS18B20溫度傳感器，該溫度傳感器的DQ引腳接單片機的Pl.1引腳，并通過一個4.7K的上拉電阻與電源相接。
[0010]本實用新型把傾角傳感器與超聲波傳感器兩種價格低廉、性能可靠的傳感器相結(jié)合，并通過與單片機的電連接，實現(xiàn)了高于1m的樹的高度測量，其外形尺寸小，攜帶方便，操作簡單，測量準確。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1本裝置的機械結(jié)構示意圖。
[0012]圖2是本裝置在測量樹高的原理圖。
[0013]圖3是本裝置的電路連接圖。
[0014]圖4是圖3中的局部放大圖(時鐘電路圖和復位電路圖)。
[0015]圖5是圖3中的局部放大圖(溫度傳感器、傾角傳感器與單片機連接電路圖)。
[0016]圖6是圖3中的局部放大圖(超聲波傳感器工作電路圖)。
[0017]圖7是圖3中的局部放大圖(顯示器與單片機連接電路圖)。

【具體實施方式】
[0018]參見圖1所示的用于測量樹高的裝置，包括與單片機最小系統(tǒng)I電連接的顯示器、超聲波距離傳感器2、傾角傳感器3、溫度傳感器等，單片機最小系統(tǒng)I和超聲波距離傳感器
2、溫度傳感器固定在機架的下平板6上，傾角傳感器3固定在可以相對于機架轉(zhuǎn)動的連接板5上。傾角傳感器可以隨連接板而轉(zhuǎn)動到與超聲波距離傳感器的測距平面平行的狀態(tài)。
[0019]本裝置中，各零部件的電路連接圖參見圖3。下面具體說明。
[0020]1、單片機最小系統(tǒng)
[0021]單片機最小系統(tǒng)的作用主要是為了保證單片機系統(tǒng)能正常工作。單片機最小系統(tǒng)主要由單片機STC12C5A60S2、時鐘電路、復位電路、+5V電源組成。在時鐘電路中，單片機的XTALl和XTAL2管腳分別接至由12MHZ晶振和兩個30PF電容構成的振蕩電路兩側(cè)，為電路提供正常的時鐘脈沖。在復位電路中，單片機RESET管腳一方面經(jīng)20 F的電容接至電源正極，實現(xiàn)上電自動復位，另一方面經(jīng)開關接電源，同時在電容兩端并聯(lián)一個開關可實現(xiàn)手動復位功能。
[0022]時鐘電路的設計。以晶振為主,其中時鐘電路主要產(chǎn)生時鐘頻率。在單片機系統(tǒng)中晶振的作用非常大，晶振結(jié)合內(nèi)部電路產(chǎn)生必要的時鐘頻率，單片機的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個基礎上的，晶振提供的時鐘頻率越高，那單片機的運行速度也越快。一般的時鐘電路都是在一個反相放大器的兩端接入晶振，51單片機片內(nèi)有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTALl和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。再有兩個電容分別接到晶振的兩端，每個電容的另一端再接到地，這兩個電容串聯(lián)的容量值就應該等于負載電容，注意到一般IC的引腳都有等效輸入電容，而一般的晶振的負載電容為15pF或12.5pF，如果再考慮元件引腳的等效輸入電容，則兩個30P的電容構成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇。本設計即采用兩個30P的電容。
[0023]標準的51單片機晶振是1.2M-12M，由于單片機的一個機器周期是12個時鐘周期，當晶振為12M時，一個機器周期是lus，方便計算，而且速度相對是最快的。本設計即采用12MHz的晶振。本設計的時鐘電路如圖4所示。
[0024]復位電路的設計。單片機的復位就是指在滿足系統(tǒng)其他工作條件下，讓RST管腳保持高電平，并維持至少兩個機器周期，以引導單片機復位，之后RST管腳恢復為低電平。復位電路的主要功能是把PC初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序，當由于程序出錯或者操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，按下按復位鍵可以重新啟動。因此，復位電路是單片機系統(tǒng)中不可缺少的一部分。
[0025]復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。最簡單的上電自動復位電路中上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。本設計采用電平復位的方式，其電路如圖4所示，通過RST端經(jīng)電阻與電源Vcc接通而實現(xiàn)。
[0026]2.超聲波距離傳感器
[0027]本設計采用的是KS103超聲波傳感器，它將超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路和控制電路集成在一塊電路板上。
[0028]本設計KS103超聲波傳感器工作于I2C模式。其共有5個引腳，分別為VCC、SDA、SCL、GND及MODE。 VCC引腳用于連接3.0?5.5V電源；SDA是I2C通信的數(shù)據(jù)線；SCL引腳是I2C通信的時鐘線。GND引腳用于連接電源地。MOED引腳是工作方式控制端，懸空時KS103工作于I2C模式，上電前其接OV時，KS103將工作于TTL串口模式。
[0029]KS103超聲波傳感器工作電路如圖6所示。其中超聲波傳感器的SDA引腳與單片機的P0.2引腳相連，SCL引腳與P0.3引腳相連，且都接一個4.7K的上拉電阻。單片機通過P0.2引腳可將控制指令傳送給傳感器，傳感器會根據(jù)指令測得相應的數(shù)據(jù)經(jīng)P0.2返回給單片機進行數(shù)據(jù)處理。
[0030]3、傾角傳感器
[0031]傾角傳感器，它實際上是一個加速度傳感器，主要用來測量儀器與水平面間的夾角。
[0032]傾角傳感器與單片機連接的電路如圖5所示。其中，VCC引腳用來連接+5V電源；VO引腳是信號輸出端，將它與單片機的Pl.0引腳相連，當傾角變化引起VO輸出電壓信號的變化時，通過程序調(diào)用單片機內(nèi)置的10位A/D轉(zhuǎn)換器，可將模擬電壓信號轉(zhuǎn)變成可供單片機處理的數(shù)字信號；GND引腳接電源地。
[0033]4.溫度傳感器
[0034]本設計采用DS18B20溫度傳感器進行溫度補償設計]。數(shù)字化溫度傳感器DS18B20是一種支持“一線總線”接口的溫度傳感器，即其與單片機交換信息僅需要一根I / O 口線，其供電電源可來源于單片機I / O 口數(shù)據(jù)線，而無需額外電源。DS18B20溫度傳感器測量溫度范圍為-55°C?+125°C。在-10°C?+85°C范圍內(nèi)，精度為±0.5°C?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。
[0035]DS18B20溫度傳感器與單片機連接的電路如圖5所示。其中，VDD引腳接+5V電源，GND引腳接地，DQ引腳接單片機的Pl.1引腳，并通過一個4.7K的上拉電阻與電源相接。
[0036]5、顯不器
[0037]顯示器采用IXD1602液晶顯示屏。根據(jù)系統(tǒng)的設計要求，用于顯示樹高結(jié)果和角度變化量。顯示器與單片機連接的電路如圖7所示。其中16腳為VSS接地；15腳為VDD接5V正電源；14腳是對比度調(diào)整端，接一個1K的電位器，調(diào)節(jié)該電位器可以改變顯示的清晰度；13?11腳為RS、R/W、E端口分別與單片機的P0.7、P0.6、P0.5相連，用于讀寫數(shù)據(jù)的控制；3?10為數(shù)據(jù)口，接到PO 口，PO 口作為顯示單元與單片機的數(shù)據(jù)傳輸線，由于PO 口作為I/O 口使用時須接1-10K的上拉電阻，本設計在PO 口處接了一個1K的排阻作上拉電阻；I?2分別為背光源的正負極。
[0038]傾角傳感器采用的是單軸傾角傳感器，當處于水平位置時，Vo端輸出+0.5V的模擬電壓，當平衡板轉(zhuǎn)到使傾角傳感器與水平面成90度的角度時，此時Vo端輸出+5V的模擬電壓。在(Γ90度的傾角范圍內(nèi)，Vo端輸出的是正比于傾角大小的+0.5^+5V的模擬電壓信號。因此通過測定傳感器輸出端Vo電壓的大小即可確定平衡板與水平面的夾角。因為單片機只能處理數(shù)字量，對于模擬電壓信號，需將其進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。STC12C5A60S2單片機內(nèi)置8路10位AD轉(zhuǎn)換器，本設計通過編寫AD子程序即可實現(xiàn)傾角變化的測量。
[0039]系統(tǒng)上電后，首先初始化系統(tǒng)，溫度補償電路與傾角檢測電路不斷檢測環(huán)境溫度和傾角變化值，并實時顯示傾角值，單片機通過P0.2引腳向KS103超聲波傳感器發(fā)送距離探測指令，當檢測到回波信號時，根據(jù)渡越時間法，結(jié)合溫度傳感器測得的環(huán)境溫度值，完成距離探測命令并給單片機返回測得的16位距離值數(shù)據(jù)，根據(jù)測得的距離值和實時變化的傾角值，調(diào)用公式H=L*cos a*tan b_L*sin b,計算出樹高值H并顯示。
【權利要求】
1.用于測量樹高的裝置，包括機架，單片機，與單片機電連接的顯示器，在機架上固定有用于測量距離的超聲波距離傳感器，超聲波距離傳感器與單片機電連接；其特征是:它還包括與單片機電連接的傾角傳感器，傾角傳感器固定在可以相對于機架轉(zhuǎn)動的連接板上。
2.如權利要求1所述的用于測量樹高的裝置，其特征是:所述單片機為STC12C5A60S2單片機，所述超聲波距離傳感器為KS103超聲波傳感器。
3.如權利要求2所述的用于測量樹高的裝置，其特征是:顯示器為IXD1602液晶顯示器。
4.如權利要求2所述的用于測量樹高的裝置，其特征是:KS103超聲波傳感器工作于I2C模式；超聲波傳感器的SDA引腳與單片機的P0.2引腳相連，SCL引腳與單片機的P0.3引腳相連，且都接一個4.7K的上拉電阻；超聲波傳感器的MOED引腳懸空。
5.如權利要求2所述的用于測量樹高的裝置，其特征是:傾角傳感器的VO引腳為信號輸出端，與單片機的P1.0引腳相連。
6.如權利要求2所述的用于測量樹高的裝置，其特征是:它還包括DS18B20溫度傳感器，該溫度傳感器的DQ引腳接單片機的Pl.1引腳，并通過一個4.7K的上拉電阻與電源相接。
【文檔編號】G01C3/20GK204027554SQ201420331035
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年6月20日 優(yōu)先權日:2014年6月20日
【發(fā)明者】胡春華, 劉輝, 李萍萍 申請人:南京林業(yè)大學