消防旋转超声波空间测距仪的设计

　　在调查和研究中发现，当火灾发生，尤其是建筑火灾时，浓烟给救援抢险工作带来了极大的不便。消防人员在进入火场前都会佩戴氧气瓶和呼吸器，一般情况下浓烟对消防人员的带来的阻碍并非无法呼吸，而是在浓烟和高温中，人很难通过感官来判断周围建筑和障碍物的情况，使得消防人员有时很难得知前方的建筑损毁情况和通道是否畅通。一些火灾所致的浓烟，在室内可使能见度降至3m甚至更短，超过3m的障碍物就很难被消防人员观察到，往往造成救援抢险效率降低。

　　目前，市面上已有诸多产品可以在一定程度上解决这一问题，常见的主要是利用红外线进行空间测距的手持式装置，可以通过装置上的LED指示灯或者液晶屏显示距离信息甚至图像信息。但是在火场中，高温往往会是红外测距装置准确度降低甚至失效，所以这一类装置的应用范围较为有限。有人利用超声波距离传感器来代替红外测距装置，超声波对环境温度的变化不如红外线敏感，但是仍然需要考虑修正。经过修正后，超声波测距装置可以进一步解决在火场浓烟中探知障碍物的问题。

　　然而，不论是红外式探测器还是超声波探测器，其探测距离的方位需要通过人调整装置探头朝向而确定，即这两类装置都不能够同时对一定立体角范围空间内的所有障碍物进行探测。我们所希望的探测装置应该是可以对消防人员所感兴趣的一个方向上所有的障碍物进行探测，并且能够通过图形或图像的形式在显示器上显示出来，可以直观的重现该方向上障碍物的大小、距离、外形等重要信号。为了实现这一目标，本文介绍了一种旋转式超声波空间测距原理，其不但可以像雷达一样通过旋转扫描的方式对感兴趣的方位立体角进行扫描测距，而且可以将测得数据通过单片机进行图形重建，在彩色液晶屏上通过不同颜色的图形显示出来，为消防人员提供重要的障碍物信息。

　　1 超声波测距原理

　　超声波是指频率大于 20 kHz 的机械波，由于振荡频率高，故超声波的方向性好，基本沿直线传播。人们通过超声波发射装置产生一系列沿某一方向传播的超声波脉冲，超声波通过空气介质向前传播，遇到障碍物向相反方向反射，再通过超声波接收器检测反射回的超声波到达发射点的具体时刻，由单片机计算从发射超声波到接收器接收到反射波的时间差，再乘以当前环境温度下的声速，即可得到障碍物到超声波发射点的距离[1]。

　　图1是US-100超声波测距模块的实物照片，US-100是一款小体积、低功耗、高精度，探测角度小于15°，有效测距范围2～500cm，并自带温度补偿的高性能超声波测距模块。在火场中，由于温度高且变化范围大，US-100的温度补偿功能十分重要。US-100的电源电压为5V; 输入输出为标准TTL电平，如图2(左)所示，US-100共有4个引脚，从左到右分别是电源VCC，控制端Trig，接收端Echo，电源地GND。