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产品质量在线监控系统的设计摘要随着科技和工业技术的迅猛发展，本文根据我国灌装产品质量检测仪器的市场需求和发展现状，对酒类产品生产线的灌装量在线监控系统进行了关键技术的研发。系统设计的基于单片机和超声波测距的产品灌装量检测系统主要的电路组成有：单片机最小系统电路、超声波收发电路、温度补偿电路、液晶显示电路、按键启动控制电路等。系统通过超声波收发传感器测量灌装产品液位的距离，从而换算得到灌装产品液位的高低是否符合标准，并通过显示屏显示给用户。关键词 单片机 产品质量监控 灌装量 超声波IAbstractWith the rapid development of science and technology and industrial technology, According to market demand and the development status of filling product quality testing equipment, production lines for alcoholic products Filling of online monitoring system research and development of key technologies. System design based on the primary circuit and microcontroller Ultrasonic Ranging product fill level detection system components are: minimum system microcontroller circuit, ultrasonic transceiver circuit, temperature compensation circuit, LCD display circuit, button-start control circuit. System measured by the ultrasonic sensor distance filling product level, thereby filling product level obtained by converting the level of compliance with standards, and through the display to the user.Key words MCU product quality control filling volume ultrasoundII目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 研究背景与意义11.2 课题的研究现状11.3 主要内容与结构2第2章 系统硬件结构设计32.1 系统总体设计方案32.1.1 超声波测距原理32.1.2 系统总体结构设计32.2 单片机控制电路设计42.3 超声波收发电路设计62.3.1 超声波发射电路设计62.3.2 超声波接收电路设计72.4 数码管显示电路设计72.5 温度补偿电路设计92.6 蜂鸣器报警电路设计10第3章 系统软件结构设计123.1 KEIL编程平台介绍123.2 系统软件设计流程133.2.1 超声波发送/接收中断子程序设计143.2.2 测温子程序设计153.2.3 距离计算子程序设计16第4章 系统调试17结 语18参考文献19致谢20附录21IV第1章 绪论1.1 研究背景与意义随着科技和工业技术的迅猛发展，也带动了社会经济的大繁荣，使得人们对生活质量的要求越来越高。如今的消费者面对产品选择时已不再仅满足于产品功能，而是对产品质量提出了更高的要求。同时，由于我国是生产和消费酒类产品的世界大国，在酒类饮品繁荣发展的社会背景下，提升产品质量、加快生产效率已成为各大酒厂提高竞争力的主要手段。而在我国的酒产品生产线上，由于工厂环境及工艺等限制，生产下线的酒产品可能存在瓶身污渍、灌装不足、灌装有异物等问题，极大影响了产品质量。为实现对产品质量的监控与检测，国内厂商大多采用人工检测方法，通过人眼目测实现对产品质量的把关与问题的判断。然而依靠人眼检测存在诸多不足，不仅检测速度慢、精度低，还因为员工自身的主观评测标准难以完全统一。正因如此，对于当前的酒品生产行业，迫切需要一种产品质量在线监控系统实现对产品进行客观、高效的质量监测，解决上述人眼检测存在的问题，加快推进酒产品行业生产力的发展。本文则根据我国灌装产品质量检测仪器的市场需求和发展现状，对酒产品生产线的在线监控系统进行了关键技术的研发，其中融合了包括嵌入式控制、传感器探测、机电工程等多学科技术。本课题的研究将提升我国灌装产品生产线的自动化程度，并缩小我国与发达国家在该领域的差距，并对提高社会效益和经济具有重大意义。1.2 课题的研究现状对于产品质量在线监控系统的研究，国外很多发达国家都具有核心技术和成熟的产品，其主要设备的生产研发企业有德国的HEUFT、KRONES和美国的Filtec等，世界上先进的产品质量在线监控设备的制造及销售基本被德国和美国所垄断。我国关于产品质量在线监控系统，也包括灌装产品的自动化检测系统的研发仍处于起步阶段，这就使得国内各大酒厂及灌装产品的生产商由于受到核心技术的限制，只能高价购买这类在线监控设备；而国内研发的类似设备检测结果不尽如意，不能满足较高的监测要求。灌装产品质量监测设备常用的检测手段包括X射线、红外探测、超声波、机器视觉等方式。其中，X射线检测方式可检测玻璃、钢质、塑料等产品的灌装量。其传感器部分包含了接收器和发射器，当启动检测时发射器会将锥形射线射向接收器方向，待射线穿过瓶装产品后由于液体对射线的吸收，使得接收器接收到垂直方向上不同的射线量，以此方法即可判别灌装量。机器视觉检测即是通过软件分析摄像头拍摄的瓶中液体的照片，并与系统所设置的多级别的参考位置作对比，以此判断瓶中的液体是否灌装合格。超声波检测方式是根据超声波发射器发射的超出人耳辨别能力且穿透性很强的声波，经物体或进入不同介质物质前发射回波，由接收器计算发射到接收到回波的时间差，即可计算出声波传输的路径距离；此类设备即是根据超声波测距的原理换算出灌装产品液位的合格率。本课题也是根据超声测距原理实现酒类产品灌装量的在线监测系统。1.3 主要内容与结构在了解了当前产品生产中关于产品质量监测的重要性，以及灌装产品质量监测系统的发展现状后，本文将设计一种功能实用，价格低廉的酒类产品灌装量在线监控系统。本课题通过对超声波测距原理以及单片机控制系统的研究，实现基于超声波测距的酒类穿品灌装量检测系统。该检测系统由8位微处理器作为主控制芯片，由超声波收发模块组成液位距离探测传感器，实现对灌装产品液面距离的测量，以达到对灌装量的检测效果。同时，测量获得的距离数值由液晶显示屏显示，并增加温度检测电路，补偿超声波测量中的温度误差，使测量精度更好，定位结果更准确。根据课题的设计要点，本文在第二章中主要论述了系统关键器件的选型，以适合后期软硬件设计，包括主控制器的选型、心率测量传感器选型、显示器的选型等；本文的第三章根据课题的任务要求及预期实现的功能，主要完成了系统硬件电路的设计，并对关键电路的元件设计参数进行了详细阐述和论证；本文第四章进行了系统软件流程的设计，清楚的描述了系统各模块程序的运行流程；本文第五章将结合第三、四章的软硬件设计，实现心率测量仪的制作和调试，用实验证明该设计的正确性和实用性。25第2章 系统硬件结构设计2.1 系统总体设计方案2.1.1 超声波测距原理基于超声波测距原理的测量方法有很多，如检测矢量相位法，该方法虽有较高的测量精度，但测距范围有限，成为应用的一大限制；检测波形振幅法，该方法测试与实验原理简单，但易受反射回波的影响，测量精度有限制；因此，本课题的设计方案采用应用最多的检测声波时差法，即超声波发射器发出声波后，经障碍物反射回波，由超声波接收器接收并触发控制装置，以确定从发射到接收的双向时间差，再加上测距算法的计算，即可得出探测的距离值，实现测距的功能。如公式（1.1）即为声速、时间、距离的数学关系式：L = V*T/2 (1.1)通过上式即可得知，距离的准确性决定于测量的时间与声速值，时间的测量精度由处理器及控制系统决定，而声速值会因为所处环境的温度、压强的变化而不同，这就要求在不同的测量环境下，有相对应的声速值参与计算，即可提高测量精度。本课题设计的超声波测距的淤泥界面测量系统中，添加了温度补偿电路，以确定声速的具体值，提高超声波测量的精度。经计算，水介质的声速与环境温度的关系式1.2：V=1402+5.07T+0.06T2 m/s (T - ) (1.2)此外，准确的测量目标还要能够精确的计算出超声波的传播时间，显然能够精确的时间单位越小越好。表2.1列出了几种不同温度下的波速。表2-1 声速与温度的关系温度()04102030声速(m/s)14021422144714821608本系统采用单片机的一个定时器来计算超声波回波时间差，单片机使用12MHz的晶振提供系统时钟，即可精确到1s的最小时间单位，计算所得的理论测距精度达2cm，完全能够满足本系统对淤泥界面位置检测的要求。2.1.2 系统总体结构设计本系统设计的基于单片机和超声波测距的产品灌装量检测系统主要的电路组成有：单片机最小系统电路、超声波收发电路、温度补偿电路、液晶显示电路、按键启动控制电路等。系统通过超声波收发传感器测量灌装产品液位的距离，从而换算得到灌装产品液位的高低，并通过显示屏显示给用户。系统总体结构框图如图2-1所示。图2-1 系统整体结构框图超声波收发电路：该电路是系统的关键控制部分，超声波传感器在单片机中程序的控制下向发射换能器下达发射命令，换能器即可接收到固有频率的脉冲信号，随后以声波的形式发送到外界介质中；声波在介质中传播时如遇到障碍物阻挡，即会反射超声波，当反射的回波被超声波接收换能器接收后，通过一系列信号的放大、整形和滤波后由传感器芯片产生单脉冲信号交由单片机采集，此时单片机控制电路需要对超声波正脉冲到负脉冲之间的时间差进行测量，以换算出声波传输的距离，起到测距的作用，进而为定位功能测量出距离参数。温度补偿电路：为确定声速在不同温度环境下的准确值及系统的稳定性，设计了温度补偿电路。温度传感器选用DS18B20数字温度传感器。它具有单数据线接口、低功率、程序操作简便等优点，适用于各种温度测控系统。显示电路：本设计的显示部分采用LCD1602液晶显示屏。该显示屏有16列2行显示块组成，每个显示块都能显示各类单字符，与传统段式数码段相比，功能更完善，显示效果更好。2.2 单片机控制电路设计51单片机最小系统是指以最精简的电路实现其对外围电路控制功能的单片机系统。单片机控制电路组成部分如图2-2所示。该最小系统一般包括51单片机芯片、5V电源供电电路、手动/自动复位电路和晶振起振电路等。图2-2 单片机最小系统结构图系统从控制板采用51单片机中的STC89C51芯片，该芯片是性能优越的八位微处理器，同时具有8K闪存存储器，可进行逻辑编程。本款单片机嵌入的是MCS-51内核，同时在这基础上进行了一定的突破创新使得本款单片机在51单片机的基础上具有很多额外功能。本款单片机嵌入了八位中央处理器并且具有存储能力很强的8K可编程逻辑闪存存储器，这样就为应用对象提供了更强大的问题解决能力以及高度的灵活性7。本款单片机具有1000次的擦写使用寿命，其最大的使用时间可达十年之久。另外，该款单片机能够在0到24MHz频率下进行全静态工作，具有三级程序存储器锁定功能。该款单片机的只读存储器内存容量为512K，并且具有三十二个输入输出引脚。同时该款单片机片上具有2个十六位定时器，并且具有5个中断源。为了更好地达到低功耗效果，该款单片机还具有闲置和掉电模式以最大限度的达到低功耗效果。STC89C51单片机的引脚说明图如图2-3所示。图2-3 STC89C51单片机引脚单片机晶振电路晶振即晶体振荡器，该电路为单片机系统产生振荡信号，为其内部的时钟电路提供基准，当然它的搭建也很简单，通常采用的是12M的外部晶体振荡器和两个22皮法的电容组成，具体如图2-4所示：图2-4 单片机晶振电路单片机复位电路单片机复位电路的作用是给单片机一个电位信号，使得单片机内部的程序重新开始工作，用于当单片机内部现有的程序运行状态中出现问题的情况。具体电路如图2-5所示：图2-5 单片机复位电路2.3 超声波收发电路设计2.3.1 超声波发射电路设计超声波发射电路主要由多反相器和超声波发射换能器组成，根据发射超声波的特点实现的发射功能。本系统中通过单片机引脚输出固有频率的方波信号经由此发射电路，最终由发射器以声波形式发射信号，同时为增加发射器的发射强度，设计了两路信号分别通过换能器上下两引脚，以提高信号驱动能力8。其中设置的电阻能增加发射器的阻尼效应，缩短信号震荡时间，以提高信号发射功率。图2-6 超声波发射电路原理图2.3.2 超声波接收电路设计超声波接收电路由信号放大器、锁相环电路和超声波接收器组成。当超声波接收传感器接收到反射回波后，引起信号较弱，需经由两级放大器组成的信号放大电路实现信号的放大作用。其后锁相环电路通过设置内部振荡器频率与接收信号频率相同，只响应该频率的信号，避免了其他信号的电磁干扰9。信号处理到此后，通过接收器的控制芯片产生单脉冲，供单片机外部中断引脚响应，程序中通过测量超声波的正脉冲和负脉冲的时间差，再考虑声速的影响即可换算出实测的距离。超声波接收电路如图2-7所示。图2-7 超声波接收电路2.4 数码管显示电路设计数码管系发光显示器件的一种，其内部由一个圆形发光二极管和七个条形发光二极管组成，根据发光二极管的不同组合及其亮暗搭配，显示出不同字符。八段发光管分别称为a、b、c、d、e、f、g、h，构成字型8.。常见数码管有10根管脚。管脚排列如图2-8(a)所示。其中COM端为公共端，并根据内部发光二极管正负端口的接线形式可将数码管类型分为共阴极和共阳极两种。图2-8 数码管外形和种类如果是共阴极数码管，当在某段发光二极管的正负端施加额定的正向电压时，该段二极管即可导通，从而点亮发光；相反，不加或反向加电压则没有发光现象，如图2-8(b)所示。如果是共阳极数码管，则数码显示端（ag）施加低电平有效，如图2-8(c)所示。该数码管可通过它的7个发光段的不同组合，显示数字09和字母AF，共计16个字符，从而实现对任意十六进制数据的显示。下图分别给出了共阴极和共阳极09的编码表。图2-9 共阴极和共阳极数码管编码表当需要单片机驱动控制数码管时，通常有静态显示驱动和动态显示驱动两种形式，这两种形式因其原理不同，导致其优缺点各有不同。静态显示驱动：是指由单片机的I/O引脚控制每个数码管的段位，进行软件编程以驱动显示。该驱动方法软件编程较为简单，数码管驱动亮度高，但是占用单片机的I/O引脚较多，实际应用中还需搭配着译码芯片进行驱动显示，增加了硬件电路的设计复杂性。动态显示驱动：是将多位数码管的八个段位按其相同的端口名连接到单片机的I/O引脚上，同时将多位数码管各自的COM端作为位选控制引脚，连接到单片机引脚上。软件驱动显示时，先选中位选信号，再进行段选，每位数码管显示时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管同一时间仅有一位数码管处于显示状态，但因动态扫描速度快，使得人的视觉分辨不出具体哪位处于高亮状态，就会认为多位数码管同时被点亮。这种动态扫描方式能够节省大量I/O引脚，而且功耗更低，因此本设计选用8段LED数码管动态显示方式。2.5 温度补偿电路设计本系统用作温度补偿的温度传感器，选择的是DS18B20，它以9位数字量的形式反映被测物的实际温度值。DS18B20通过唯一一根数据线完成数据收发工作，如图2-10所示。同时，用于数据传输的电源可通过数据端信号线解决，无需外接。由于每个DS18B20传感器在出厂是都被厂家设定了一个独特的片上序列号，用其独有的序列号即可区分出每个传感器，从而实现多点测温。图2-10 DS18B20外观图其近引脚说明如表2-3所示。表2-3 DS18B20引脚说明引脚符号说明1GND接地2DQ数据输入/输出脚。对于单线操作：漏极开路3VDD可选的VDD引脚DS18B20有三个主要数字部件：（1）64位激光ROM；（2）温度传感器；（3）内部集成高温报警触发器TH和低温报警触发器TL。DS18B20采用如图2-11所示方式从单线通讯线上获得工作电压，存储信号线高电平时的电能，以供低电平时使用。DS1820也可通过外部5V电源提供工作电压。图2-11 DS18B20内部工作结构图DS18B20单总线的特点决定了他功能的实现，包括温度采集、信号处理等等只能按照固定的时序分时完成。单线信号包括复位脉冲，响应脉冲，写“0”，写“1”，读“1”等。由于采用单总线，所以对于操作时序有严格的要求。对它的操作协议分为以下几步：(1) 对DS18B20工作前进行初始化；(2) 发ROM功能命令；(3) 内部处理采集到的温度数据，进行自校正13；(4) 发存储器命令处理数据。以上各种操作都有相应的时序图。该温度传感器与微控制器的连接及控制电路如图2-12所示。图2-12 DS18B20与微控制器的连接及控制电路2.6 蜂鸣器报警电路设计本设计采用蜂鸣器实现报警功能，即针对测量的液位超出灌装量标准时发出警报以提示用户。该器件可分为有源发声和无源发声两种类型，本系统选用有源蜂鸣器作为报警器件，此类蜂鸣器操作简单、声音稳定、效果明显，被广泛应用在各种电子产品上。其结构控制电路如图2-13所示。图2-13 蜂鸣器报警电路利用蜂鸣器作为系统的发声器件时通常工作电流较大，仅凭借单片机控制电路中的TTL电平无法驱动蜂鸣器工作，因此需要增加相应的电流放大电路才可以驱动其正常工作，所以本控制电路中添加了一个PNP三极管来增加通过蜂鸣器的电流，以驱动其工作。蜂鸣器正极性一端连接+5V电源，另一端连接三级管的集电极，三极管的基极由单片机的引脚控制。当该电路连接的单片机引脚输出低电平时，发射极导通，电流流过，蜂鸣器电源接通，实现报警发声；反之，引脚输出高电平，发射极截止，无电流流过，蜂鸣器无法工作。第3章 系统软件结构设计系统的硬件电路是控制系统的基础和骨架，而软件设计就是系统的神经系统，只有在神经系统协调支配之下，整个系统才能有条不紊的运行，软件部分的实现是通过对单片机的编程实现的，它是单片机工作的重点，通过程序向硬件电路下达控制指令。因此，在单片机中编写各个部分相应的驱动程序，才能使单片机外接的芯片实现其对应的功能，所以程序设计是非常重要的。单片机通过编程对外围芯片的操作的依据是芯片的工作时序图，时序图是保证各个芯片同时协调工作的基本依据与行为法则，只有根据时序准确的执行命令才能实现芯片的功能。在了解了各个芯片的工作原理和工作条件后，就开始程序设计，首先要根据要实现的功能进行程序流程图的设计，程序流程图是编写程序的依据，也是对系统程序的一个全局考虑的过程，在流程图的指引下能够有条理性的完成程序的编写，避免程序某环节的忽略甚至错误。3.1 KEIL编程平台介绍Keil是美国Keil Software公司出品的第二代支持51系列单片机软件开发系统，在支持单片机C语言的同时，还保留了汇编代码高效、快速的特点。C语言是世界上出现的第一种高级语言，也是目前应用非常广泛的一种高级计算机语言。随着嵌入式技术的兴起，C语言再次焕发出无限的生机，目前兼容C语言的单片机C语言是嵌入式系统的主流编程语言，由于其兼容C语言的特性，使得广大的嵌入式开发技术人员易于上手，容易掌握，具有非常好的跨平台兼容性。因此，本系统的软件编程语言采用的是单片机C语言。同时，Keil2编译器的功能不断改进加强，目前这个集成开发环境集编译、汇编、实时操作系统、项目管理和调试等等功能为一体。可以完成程序代码的编辑、编译、链接、调试、仿真等整个项目的开发流程。C51 IDE可以支持所有8051的衍生产品，也可以支持所有兼容的仿真器。这大大节约了开发周期，为广大的开发人员提供了最大的便捷。该软件的编辑界面如图3-1所示。图3-1 Keil编辑界面3.2 系统软件设计流程系统的软件设计采用了模块化设计，主要包括主程序设计、T0中断服务子程序、INT0外部中断服务子程序、测温子程序、距离计算子程序、和显示程序组成。程序流程图如图3-2所示。系统上电，并经过初始化后，定时器功能已经打开，等待T0定时器的启动。当测量按键按下后，传感器发射引脚由单片机某引脚输出固有频率方波，超声波发射，T0计时器开始工作，同时为消除声波的直接接收，需程序延时1ms在开启外部中断0的中断功能，当外部中断0的允许位打开后等待接收超声波回波信号。当接收器接收到负脉冲信号，说明此时已成功接收回波，这是及时关闭T0定时器，读取T0此时的计数值，计算超声波传感器自发射到接收的时间。同时，参考由温度补偿电路获取的当前环境下的温度值，计算较为准确的声速值，由单片机调用距离计算公式测量出声波传输的距离，此距离即为超声波传感器到灌装物液面间的距离。当测量值计算好后，由程序调用数码管显示程序，完成显示工作。当一次发射、接收、显示的全过程结束后，系统进入待机阶段，等待测量启动按键的按下，再进行新一轮位置的测量。图3-2 程序流程图3.2.1 超声波发送/接收中断子程序设计超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送左右超声波脉冲信号（频率约40kHz的方波），脉冲宽度为12s左右，同时把计数器T0打开进行计时，定时器T0工作在方式0。T0中断服务程序如下：sbit send=P10;void timer0(void)interrupt 1 send=!send; TH0=0x1f; TL0=0xf4;超声波接收（外部中断0）程序：void int1(void)interrupt 2 if(TH0!=0x00) b=1; TR0=0; t=TH0*256+TL0; t=t/1000000; TH0=0x1f; TL0=0xf4;else b=0; TR1=0; TR0=0; TH0=0x1f; TL0=0xf4; 3.2.2 测温子程序设计本系统使用的温度传感器具有16位数字分辨率，最高精度为2-4摄氏度，数据采集时由高8为字节和低8为字节组成，分别采集此两字节数值，换算成十进制数值即为我们常用的温度值，如图3-3所示为DS18B20的温度存储方式： LS Byte bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit02322212021222324MS Byte bit15 bit14 bit13 bit12 bit11 bit10 bit9 bit8 SSSSS262524图3-3 DS18B20的温度存储方式负温度时S=1，正温度时S=0。因此我们只需要逐位读出它的温度就可以了。读出一个字节C代码如下： uchar readbyte(void) /直接读一字节程序 uchar i,k;i=8;k=0;while(i-)tem_in=1;delay_us(1);tem_in=0;k=k1;tem_in=1;NOP;if(tem_in)k |= 0x80; /tem_in为1时，则该位也为1delay_us(4); return(k);3.2.3 距离计算子程序设计当前温度和超声波往返时间均测量出来后，用C语言根据公式计算距离来编程是比较简单的算法。根据S=0.5*V*T测量距离，而其中V=1402+5.07T+0.06T2，故可简化为：S=701T+2.535T2+0.03T3；其实现程序算法如下：#includeunsigned char distance(void)double dist,t;dist=701*t+2.535*t*t+0.03*t*t*t;return(dist);第4章 系统调试在该测量系统的硬件制作和软件调试中，超声波发射器和接收器均采用15的超声波传感器，其中发射换能器为TCT40-10F1，用于声波的发射，接收换能器为TCT40-10S1，用于声波接收。超声波收发器在安装时要确保两换向器的中心轴向平行且相距较近。同时，两换能器前端需加装金属屏蔽网，以提高电磁抗干扰能力。此外，根据测量限度的要求，可调整换能器相关位置的滤波电容的容值，以获取相应的灵敏度和测量限度。在该系统中，实现的测量范围限度为0.02m1.00m，精度为1cm左右，同时在经过软件程序的实际调试后，系统成功实现了以下功能：1、单片机稳定工作，超声波传感器在测距检测过程中，工作有序，成功完成测量工作。2、数码管显示屏正常显示液位高度数值，达到预期实验要求。3、当测量的距离超过超声波传感器的测量上限时，蜂鸣器会自动报警，直到测量位置符合传感器测量范围时，取消报警。结 语通过实际测试证明，本设计可满足对灌装物液面的在线监控的测量要求。经实验证明，本系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时性较好，通过系统扩展和升级，可以有效地解决产品质量监测中的液位在线监测功能，但同时系统也存在一定的问题，例如测量时的手动触发设置、测量误差等问题。在今后的研究学习中，会针对系统的缺点进行改进，加入自动启动测量程序，确保测量的实时性和准确性；根据不同应用场合的要求，提高测量精度；设置智能测量模式，使系统更加智能化。未来，超声波传感器作为一种新型的测量工具在各领域都将有巨大的发展空间，它将朝着高精度、高智能化的方向发展，以满足持续增长的社会需求。无庸置疑，未来的超声波传感器将与自动化、智能化接轨，与其他的传感器集成和融合，形成多传感器。随着传感器的技术进步，传感器将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。参考文献1 林伟,梁家宁,李才安.便携式多功能超声波测距仪的设计与实现J.电子测量技术，2008,(01):29-31.2 罗庆生,韩宝玲.一种基于超声波与红外线探测技术的测距定位系统J.