用于测量树高的装置制造方法
【专利摘要】本实用新型是一种用于测量树高的装置，它能够对高度在10m以上的树的高度进行测量。它包括机架，单片机，与单片机电连接的显示器，在机架上固定有用于测量距离的超声波距离传感器，超声波距离传感器与单片机电连接；它还包括与单片机电连接的倾角传感器，倾角传感器固定在可以相对于机架转动的连接板上。
【专利说明】用于测量树高的装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种对树高进行测量的高度测量装置。
【背景技术】
[0002]我们常用的超声波传感器测量范围不超过Sm，树木的高度一般在1m以上，为了对树高进行处理，无法直接使用超声波传感器测量。
【发明内容】
[0003]本实用新型的目的的提供一种能够对高度在1m以上的树的高度进行测量的装置。
[0004]用于测量树高的装置，包括机架，单片机，与单片机电连接的显示器，在机架上固定有用于测量距离的超声波距离传感器，超声波距离传感器与单片机电连接；它还包括与单片机电连接的倾角传感器，倾角传感器固定在可以相对于机架转动的连接板上。
[0005]使用本实用新型进行对树高进行测量时，把本装置放置在地面上，转动连接板，使得倾角传感器随连接板转动到与超声波距离传感器的测距平面平行的状态，然后以超声波距离传感器测量出从本装置所在的的检测点到树根的距离L，并测量出倾角传感器的倾角b (也就是检测点到树根的连线与水平面的夹角，或者说是超声波距离传感器的测距平面与水平面的夹角)。接着，转动连接板，使得连接板指向树顶，并测量出倾角传感器的倾角a(也就是检测点到树顶的连线与水平面的夹角)。根据H=L*cos a*tan b_L*sin b即可计算出树高H。
[0006]上述的用于测量树高的装置，所述单片机为STC12C5A60S2单片机，所述超声波距离传感器为KS103超声波传感器。显不器为IXD1602液晶显不器。
[0007]上述的用于测量树高的装置，KS103超声波传感器工作于I2C模式；超声波传感器的SDA引脚与单片机的P0.2引脚相连，SCL引脚与单片机的P0.3引脚相连，且都接一个
4.7K的上拉电阻；超声波传感器的MOED引脚悬空。
[0008]上述的用于测量树高的装置，倾角传感器的VO引脚为信号输出端，与单片机的P1.0引脚相连。
[0009]上述的用于测量树高的装置，它还包括DS18B20温度传感器，该温度传感器的DQ引脚接单片机的Pl.1引脚，并通过一个4.7K的上拉电阻与电源相接。
[0010]本实用新型把倾角传感器与超声波传感器两种价格低廉、性能可靠的传感器相结合，并通过与单片机的电连接，实现了高于1m的树的高度测量，其外形尺寸小，携带方便，操作简单，测量准确。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1本装置的机械结构示意图。
[0012]图2是本装置在测量树高的原理图。
[0013]图3是本装置的电路连接图。
[0014]图4是图3中的局部放大图(时钟电路图和复位电路图)。
[0015]图5是图3中的局部放大图(温度传感器、倾角传感器与单片机连接电路图)。
[0016]图6是图3中的局部放大图(超声波传感器工作电路图)。
[0017]图7是图3中的局部放大图(显示器与单片机连接电路图)。
【具体实施方式】
[0018]参见图1所示的用于测量树高的装置，包括与单片机最小系统I电连接的显示器、超声波距离传感器2、倾角传感器3、温度传感器等，单片机最小系统I和超声波距离传感器
2、温度传感器固定在机架的下平板6上，倾角传感器3固定在可以相对于机架转动的连接板5上。倾角传感器可以随连接板而转动到与超声波距离传感器的测距平面平行的状态。
[0019]本装置中，各零部件的电路连接图参见图3。下面具体说明。
[0020]1、单片机最小系统
[0021]单片机最小系统的作用主要是为了保证单片机系统能正常工作。单片机最小系统主要由单片机STC12C5A60S2、时钟电路、复位电路、+5V电源组成。在时钟电路中，单片机的XTALl和XTAL2管脚分别接至由12MHZ晶振和两个30PF电容构成的振荡电路两侧，为电路提供正常的时钟脉冲。在复位电路中，单片机RESET管脚一方面经20 F的电容接至电源正极，实现上电自动复位，另一方面经开关接电源，同时在电容两端并联一个开关可实现手动复位功能。
[0022]时钟电路的设计。以晶振为主,其中时钟电路主要产生时钟频率。在单片机系统中晶振的作用非常大，晶振结合内部电路产生必要的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也越快。一般的时钟电路都是在一个反相放大器的两端接入晶振，51单片机片内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTALl和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，注意到一般IC的引脚都有等效输入电容，而一般的晶振的负载电容为15pF或12.5pF，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个30P的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。本设计即采用两个30P的电容。
[0023]标准的51单片机晶振是1.2M-12M，由于单片机的一个机器周期是12个时钟周期，当晶振为12M时，一个机器周期是lus，方便计算，而且速度相对是最快的。本设计即采用12MHz的晶振。本设计的时钟电路如图4所示。
[0024]复位电路的设计。单片机的复位就是指在满足系统其他工作条件下，让RST管脚保持高电平，并维持至少两个机器周期，以引导单片机复位，之后RST管脚恢复为低电平。复位电路的主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序，当由于程序出错或者操作错误使系统处于死锁状态时，按下按复位键可以重新启动。因此，复位电路是单片机系统中不可缺少的一部分。
[0025]复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。本设计采用电平复位的方式，其电路如图4所示，通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现。
[0026]2.超声波距离传感器
[0027]本设计采用的是KS103超声波传感器，它将超声波发射电路、超声波接收电路和控制电路集成在一块电路板上。
[0028]本设计KS103超声波传感器工作于I2C模式。其共有5个引脚，分别为VCC、SDA、SCL、GND及MODE。 VCC引脚用于连接3.0?5.5V电源；SDA是I2C通信的数据线；SCL引脚是I2C通信的时钟线。GND引脚用于连接电源地。MOED引脚是工作方式控制端，悬空时KS103工作于I2C模式，上电前其接OV时，KS103将工作于TTL串口模式。
[0029]KS103超声波传感器工作电路如图6所示。其中超声波传感器的SDA引脚与单片机的P0.2引脚相连，SCL引脚与P0.3引脚相连，且都接一个4.7K的上拉电阻。单片机通过P0.2引脚可将控制指令传送给传感器，传感器会根据指令测得相应的数据经P0.2返回给单片机进行数据处理。
[0030]3、倾角传感器
[0031]倾角传感器，它实际上是一个加速度传感器，主要用来测量仪器与水平面间的夹角。
[0032]倾角传感器与单片机连接的电路如图5所示。其中，VCC引脚用来连接+5V电源；VO引脚是信号输出端，将它与单片机的Pl.0引脚相连，当倾角变化引起VO输出电压信号的变化时，通过程序调用单片机内置的10位A/D转换器，可将模拟电压信号转变成可供单片机处理的数字信号；GND引脚接电源地。
[0033]4.温度传感器
[0034]本设计采用DS18B20温度传感器进行温度补偿设计]。数字化温度传感器DS18B20是一种支持“一线总线”接口的温度传感器，即其与单片机交换信息仅需要一根I / O 口线，其供电电源可来源于单片机I / O 口数据线，而无需额外电源。DS18B20温度传感器测量温度范围为-55°C?+125°C。在-10°C?+85°C范围内，精度为±0.5°C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。
[0035]DS18B20温度传感器与单片机连接的电路如图5所示。其中，VDD引脚接+5V电源，GND引脚接地，DQ引脚接单片机的Pl.1引脚，并通过一个4.7K的上拉电阻与电源相接。
[0036]5、显不器
[0037]显示器采用IXD1602液晶显示屏。根据系统的设计要求，用于显示树高结果和角度变化量。显示器与单片机连接的电路如图7所示。其中16脚为VSS接地；15脚为VDD接5V正电源；14脚是对比度调整端，接一个1K的电位器，调节该电位器可以改变显示的清晰度；13?11脚为RS、R/W、E端口分别与单片机的P0.7、P0.6、P0.5相连，用于读写数据的控制；3?10为数据口，接到PO 口，PO 口作为显示单元与单片机的数据传输线，由于PO 口作为I/O 口使用时须接1-10K的上拉电阻，本设计在PO 口处接了一个1K的排阻作上拉电阻；I?2分别为背光源的正负极。
[0038]倾角传感器采用的是单轴倾角传感器，当处于水平位置时，Vo端输出+0.5V的模拟电压，当平衡板转到使倾角传感器与水平面成90度的角度时，此时Vo端输出+5V的模拟电压。在(Γ90度的倾角范围内，Vo端输出的是正比于倾角大小的+0.5^+5V的模拟电压信号。因此通过测定传感器输出端Vo电压的大小即可确定平衡板与水平面的夹角。因为单片机只能处理数字量，对于模拟电压信号，需将其进行模/数转换。STC12C5A60S2单片机内置8路10位AD转换器，本设计通过编写AD子程序即可实现倾角变化的测量。
[0039]系统上电后，首先初始化系统，温度补偿电路与倾角检测电路不断检测环境温度和倾角变化值，并实时显示倾角值，单片机通过P0.2引脚向KS103超声波传感器发送距离探测指令，当检测到回波信号时，根据渡越时间法，结合温度传感器测得的环境温度值，完成距离探测命令并给单片机返回测得的16位距离值数据，根据测得的距离值和实时变化的倾角值，调用公式H=L*cos a*tan b_L*sin b,计算出树高值H并显示。
【权利要求】
1.用于测量树高的装置，包括机架，单片机，与单片机电连接的显示器，在机架上固定有用于测量距离的超声波距离传感器，超声波距离传感器与单片机电连接；其特征是:它还包括与单片机电连接的倾角传感器，倾角传感器固定在可以相对于机架转动的连接板上。
2.如权利要求1所述的用于测量树高的装置，其特征是:所述单片机为STC12C5A60S2单片机，所述超声波距离传感器为KS103超声波传感器。
3.如权利要求2所述的用于测量树高的装置，其特征是:显示器为IXD1602液晶显示器。
4.如权利要求2所述的用于测量树高的装置，其特征是:KS103超声波传感器工作于I2C模式；超声波传感器的SDA引脚与单片机的P0.2引脚相连，SCL引脚与单片机的P0.3引脚相连，且都接一个4.7K的上拉电阻；超声波传感器的MOED引脚悬空。
5.如权利要求2所述的用于测量树高的装置，其特征是:倾角传感器的VO引脚为信号输出端，与单片机的P1.0引脚相连。
6.如权利要求2所述的用于测量树高的装置，其特征是:它还包括DS18B20温度传感器，该温度传感器的DQ引脚接单片机的Pl.1引脚，并通过一个4.7K的上拉电阻与电源相接。
【文档编号】G01C3/20GK204027554SQ201420331035
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年6月20日 优先权日:2014年6月20日
【发明者】胡春华, 刘辉, 李萍萍 申请人:南京林业大学