1、超聲裝置在移動機器人探測功能中的應用超聲裝置在移動機器人探測功能中的應用摘 要隨著社會的發(fā)展，人們對距離或長度測量的要求越來越高。在社會生活中超聲裝置在移動機器人探測功能中的應用已很廣泛，如汽車倒車雷達、測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。超聲裝置在移動機器人探測功能應用中控制系統(tǒng)的核心部分是超聲波測距儀的研制。因此設計好的超聲測距儀就顯得非常重要了。針對移動機器人在移動過程中會遇到各種障礙物并需要合理的避開，以移動機器人為平臺，利用超聲測距原理，以單片機為核心設計一種基于超聲裝置的移動機器人避障系統(tǒng)。本設計采用以stc12c2052單片機為核心的低成本，高精度，微型化數(shù)字顯示超聲波測

2、距儀的硬件電路和軟件設計方法。整個電路采用模塊化設計，由主程序、預置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。各探頭的信號經(jīng)單片機綜合分析處理，實現(xiàn)超聲裝置在移動機器人中的測距及避障。在此基礎上設計了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件和軟件實現(xiàn)了各個功能模塊。相關部分附有硬件電路圖、程序流程圖。經(jīng)實驗證明，這套系統(tǒng)軟硬件設計合理、抗干擾能力強、實時性良好，很好的應用于移動機器人探測功能中，以軟硬件實現(xiàn)移動機器人利用超聲裝置實現(xiàn)測距以及避障功能，具有很好的實際意義。關鍵詞：單片機；超聲波；測距ultrasonic device application in mobile robot det

3、ection functionabstractwith the development of society, the demand on the measurement of distance or length is increasing. ultrasound device in the mobile robot detection function has a wide range of applications in social life, such as cars reversing radar， range finder and level measurement and so

4、 on. control system is the core component of the development of ultrasonic range finder. therefore, it is very important to design a good ultrasonic range finder. for mobile robot moving process will encounter various obstacles and avoid to move reasonably， as a mobile robot platform, the use of ult

5、rasonic ranging principle, a microcontroller as the core design of mobile ultrasound device based robot obstacle avoidance system at the core of the design using stc12c2052 mcu low-cost, high accuracy, micro figures show that the ultrasonic range finder hardware and software design methods. modular

6、design of the whole circuit from the main program, pre subroutine fired subroutine receive subroutine. display subroutine modules form. scm comprehensive analysis of the probe signal processing, and the ultrasonic range finder function. on the basis of the overall system design, hardware and softwar

7、e by the end of each module. the research has led to the discovery that the software and hardware designing is justified, the anti-disturbance competence is powerful and the real-time capability is satisfactory. with hardware and software for mobile robot using an ultrasonic device to achieve distan

8、ce and obstacle avoidance capabilities. it can be good for the mobile robot detection function and have the actual significance.key words:mcu;silent wave;measure distance第1章 緒 論隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展, 移動機器人在降低勞動強度和生產(chǎn)成本方面起著日益重要的作用，許多應用場合都要求機器人在未知環(huán)境中能夠自動識別行駛方向上的障礙物，超聲波傳感器成本低，可以實現(xiàn)非接觸式的距離測量。超聲測距是一種非接觸式的檢測方式。與其

9、它方法相比,如電磁的或光學的方法,它不受光線、被測對象顏色等影響。對于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應能力。因此超聲裝置在移動機器人探測功能等方面有廣泛應用。特別是應用于空氣測距,由于空氣中波速較慢,其回波信號中包含的沿傳播方向上的結構信息很容易檢測出來,具有很高的分辨力,因準確度也較其它方法為高;而且超聲波傳感器具有結構簡單、體積小、信號處理可靠等特點。1.1 研究背景和意義超聲波測距是一種傳統(tǒng)而實用的非接觸測量方法，和激光、渦流和無線電測距方法相比，具有不受外界光及電磁場等因素的影響的優(yōu)點，在比較惡劣的環(huán)境中也具有一定的適應能力，且結構簡單，成本低，因

10、此在工業(yè)控制、建筑測量、機器人定位避障方面得到了廣泛的應用。但由于超聲波傳播聲時難于精確捕捉，溫度對聲速的影響等原因，使得超聲波測距的精度受到了很大的影響，限制了超聲測距系統(tǒng)在測量精度要求更高的場合下的應用。距離是在不同的場合和控制中需要檢測的一個參數(shù)，測距成為數(shù)據(jù)采集中要解決的一個問題。而由于超聲波的速度相對光速小的多，其傳播時間比較容易檢測，并且易于定向發(fā)射，方向性好，強度好控制，因而人類采用仿真技能利用超聲波測距。超聲波測距是一種利用超聲波特性、電子技術、光電開關相結合來實現(xiàn)非接觸式距離測量的方法。因為它是非接觸式的，所以它就能夠在某些特定場合或環(huán)境比較惡劣的情況下使用。比如要測量有毒或

11、有腐蝕性化學物質的液面高度或高速公路上快速行駛汽車之間的距離。超聲波測距是一種極有潛力的方法，本文結合超聲波的特性設計了一個簡單實用的超聲測距與避障系統(tǒng)。1.2 本領域的研究歷史與現(xiàn)狀目前國內(nèi)超聲波測距儀的發(fā)展主要采用引進加仿制等手段，還有許多合資企業(yè)代理國外相應產(chǎn)品。我國在該領域的發(fā)展相對國外還有很大差距，普遍存在產(chǎn)品性能指標低、儀表可靠性差、企業(yè)技術力量及裝備差等問題。深圳長泉機電c&q超聲波超聲測距儀能快速測算距離、面積、體積，操作簡易，使用方便，便宜實用，在建筑裝飾、房產(chǎn)評估、園林綠化、展館布置、管線鋪設、體育活動等領域有廣泛應用?？蓛Υ?個測量數(shù)據(jù)或計算結果，可計算面積和體積;可作連

12、續(xù)測距和單次測距;可省電的自動關閉電源功能;公英制單位轉換。 杰創(chuàng)立儀器有限公司生產(chǎn)的ud2500型超聲波測距儀，可以實現(xiàn)公英制直接轉換；測量基準選擇；記憶/調(diào)出記憶數(shù)據(jù)；計算面積和體積；五組不同的記憶體；累加長度和；自動關機功能；led背光顯示；按鍵聲提示；出錯聲提示；確認聲音提示:面積測量功能；距離測量功能；體積測量功能；累加求和功能。 國內(nèi)外的學者在提高超聲波測距精度方面也作了大量的研究，影響超聲波測距精度的因素包括所測的超聲波傳輸時間和超聲波在介質中的傳播速度，其中傳輸時間的精度影響較大。許多人提出采用降低傳輸時間的不確定度來提高測量精度，目前，相位探測法和聲譜輪廓分析法或者二者的結合

13、是主要的降低傳輸時間不確定度的方法。廈門大學的童峰提出了一種回波輪廓分析法，該方法在測距中通過兩次探測求取回波輪廓包絡曲線來求得回波的起點，通過這種方法使測量精度有了很大的提高。意大利的carullo等人介紹了一種自適應系統(tǒng)，發(fā)射特殊的波形來獲得好的回波包絡，設置一定的回波開啟電平，并采用自動增益的控制放大器。也有文獻提出通過數(shù)字信號處理技術和小波變換理論來提高測量精度。1.3 課題主要內(nèi)容和課題研究方案本課題主要內(nèi)容是設計一個超聲波測距與避障系統(tǒng),由于超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差，最終計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。并且設計

14、出移動機器人的避障系統(tǒng)，以躲避障礙物。課題研究方案是根據(jù)設計要求并綜合各方面因素，采用單片機作為主控制器，控制超聲波的接收和發(fā)射，并用動態(tài)掃描法實現(xiàn)led數(shù)字顯示，超聲波驅動信號用單片機的定時器完成因為不同的超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，本設計要進行近距離測量，所以選用利用電氣方式產(chǎn)生超聲波的超聲波發(fā)生器壓電式超聲波換能器。第2章 超聲波測距系統(tǒng)的工作原理2.1 超聲波概述聲音是與人類生活緊密相聯(lián)的一種自然現(xiàn)象，人們對聲音早有認識，在人們的日常生活中存在著各式各樣的聲音。在科學史上，聲學是發(fā)展最早的學科之一。然而，由于超聲是人耳聽不到的信號，直到18世紀，人們才開始研

15、究海豚、蝙蝠等動物時，才推測自然界存在超聲。聲波是一種能在氣體、液體和固體中傳播的機械波。根據(jù)聲波振動頻率的范圍，可以分為次聲波、聲波、超聲波和特超聲波。當聲的頻率高到超過人耳的頻率極限時，人們就覺察不出聲的存在，我們稱這種高頻率的聲為超聲。頻率高于人類聽覺上限頻率(約20000hz)的聲波，稱為超聲波，或稱超聲。超聲波在介質中傳輸?shù)乃俣燃唇橘|的聲速。它是一秒鐘超聲波等相位面通過的距離，與介質的密度和彈性性質有關。對于液體介質，只能傳播縱波。聲速參數(shù)與聲介質、聲阻抗及生衰減等有很大關系。聲速是隨著介質及其狀態(tài)(如溫度)的不同而不同。如在常溫下，空氣中的聲速約為334m/s，在水中的聲速約為14

16、40m/s，而在鋼鐵中約為5000m/s。除水以外，大部分液體的聲速隨溫度的升高而增加。流體中的聲速隨壓力的增加而增加。聲速與介質的許多特性有關，有的關系非常直接，可有精確的理論公式，有的關系比較間接而復雜，但在特定條件下，也可建立一些經(jīng)驗公式，例如介質的成分、混合物的比例、溶液的濃度、某些液體的比重等，都可以與聲速建立一定關系，這樣就可以通過聲速來測定這些特性參數(shù)。由于介質的溫度、壓強和流速等狀態(tài)參量的變化都會引起響應的聲速變化，因此出現(xiàn)了超聲溫度計和超聲流量計等。在聲速已知的介質中，可以利用身波傳播距離l和傳播時間t的關系l=vt，進行超聲測距，超聲液位計和超聲測厚計就是這方面的典型應用。

17、聲阻抗是當聲波從一種介質傳播到另一種介質，在兩個介質的分界面上一部分超聲波被反射，另一部分透射過界面，在另一種介質內(nèi)部繼續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱之為聲波的反射和折射。由物理學可知，當波在界面上產(chǎn)生反射時，入射角的正弦之比等于波速之比，當入射波和反射波的波型相同時，波速相同，入射角度等于反射角。當波在界面處生折射時，入射角的正弦與折射角的正弦之比，等于入射波在第一介質中的波速與折射波在第二介質中的波速之比。超聲波在兩種介質的界面上的反射能量和透射能量的變化，取決于這兩種介質的聲阻抗之比。聲阻抗定義為傳聲介質的密度與聲速c的乘積，用z表示。它是介質固有的一個常數(shù)，它的數(shù)值對超聲波在介質中的傳播非常

18、重要，單位為瑞利(rayl)。超聲波在彈性介質中傳播時，會發(fā)生能量的衰減，其產(chǎn)生原因可分為三個方面:(1)由于波前的擴展而產(chǎn)生的能量損失；(2)超聲波在介質中的散射而產(chǎn)生的能量損失，即散射衰減；(3)由于介質內(nèi)耗所產(chǎn)生的吸收衰減。2.2 超聲波傳感器超聲波傳感器的工作原理是陶瓷的壓電效應。超聲波傳感器在測量過程中，聲波信號由傳感器發(fā)出經(jīng)液體或固體物體表面反射后折回由同一傳感器接收，可以測量聲波的整個運行時間，從而實現(xiàn)物位的測量。本儀器是現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)的液位測量子功能模塊。測距儀系統(tǒng)所用傳感器是cuss100 。cuss100 超聲波傳感器采用聲波反射原理，從而避免傳感器直接與介質接觸,實現(xiàn)非接觸

19、測量物位，這一點對固體散料、粘稠介質,固體、液體混合介質的物位測量非常重要。其最佳工作頻率75 khz，適于中程范圍測量，最大量程10 m ，盲區(qū)20 cm，脈沖觸發(fā)模式工作。此類傳感器適應強,可在- 4090 環(huán)境下正常工作,散射角最大15。為測量更精確，鑒于聲速受溫度影響最大,測距數(shù)據(jù)處理過程采用了溫度補償。且各種溫度傳感器均可用于本系統(tǒng)的溫度補償。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲波換能器，或者超聲波探頭3、4。壓電式超聲波傳感器如圖21所示。圖2.1 超聲波傳感器結構圖壓電式超聲傳感器是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變的電信號

20、轉換成聲信號或者將外界聲場中的聲信號轉換為電信號的能量轉換器件。超聲換能器的種類很多，按照實現(xiàn)超聲傳感器機電轉換的物理效應的不同可將換能器分為電動式、電磁式、磁致式、壓電式和電致伸縮式等。目前壓電式換能器的理論研究和實際應用最為廣泛，本文超聲波測距選用的也是壓電式超聲波換能器。常見的壓電材料有石英晶體、壓電陶瓷、壓電半導體、高分子壓電材料等，壓電效應包括正壓電效應和逆壓電效應。逆壓電效應是指將具有逆壓電效應的介質置于電場中，由于電場作用介質內(nèi)部正負電荷中心發(fā)生位置變化，這種位置變化在宏觀上表現(xiàn)為產(chǎn)生了形變，形變與電場強度成正比。如電場反向，則形變亦相反。這一現(xiàn)象稱為逆壓電效應。利用逆壓電效應能

21、產(chǎn)生超聲波。將適當?shù)慕蛔冸娦盘柺┘拥骄w上，品體將發(fā)生交替的壓縮和拉伸，因而產(chǎn)生振動，振動頻率與交變電壓的頻率相同，若把晶體藕合到彈性介質中，晶體將充當一個超聲源的作用，超聲波將被輻射到那種介質。正壓電效應是指當對某電介質施加應力時，產(chǎn)生的變形將引起內(nèi)部正負電荷中心發(fā)生相對位移而產(chǎn)生極化，在介質兩端面上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，其電荷密度與應力成正比，這種效應稱為正壓電效應。利用正壓電效應將機械能(即聲能轉換成電能，并用來接受超聲波的裝置，稱為接收換能器。超聲波傳感器的基本特性分為頻率特性和指向特性。1、頻率特性圖22是超聲波的頻率特性曲線。圖中,f0為超聲波發(fā)射器的中心頻率 ，在f0處，超聲波

22、發(fā)射器產(chǎn)生的超聲機械波最強，也就是說，在f0處所產(chǎn)生的超聲波聲壓能級最高。而在f0兩測，聲壓能級迅速減小。因此，超聲波發(fā)射器一定要使用非常接近中心頻率的f0的交流電壓來激勵。由圖知，f0為中心頻率，曲線在f0處最尖銳，輸出電信號的幅度最大，信號f0處接收靈敏度最高。因此超聲波接收器具有很好的頻率選擇特性，在構成遙測系統(tǒng)時一般不再設置選頻電路。另外，超聲波接收器的頻率特性和輸出端外接電阻有很大關系，如果r很大，（如大于100k）頻率特性是尖銳共振的，并且在這個共振頻率上靈敏度很高。如果r較小，（如小于10k）頻率特性曲線變的平滑而且具有放寬的帶寬，同時靈敏度也隨著降低。并且最大靈敏度向著稍低的頻

23、率移動。因此，超聲波接收器應于輸入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有較高的接收靈敏度。圖2.2 超聲波發(fā)射傳感器的發(fā)射頻率特性2、指向特性 實際的超聲波傳感器中壓電晶片是個小圓片，可以把表面上每個點看成1個振蕩源，輻射出一個半球面波（子波），這些子波沒有指向性。但離開超聲波傳感器的空間某一點的聲壓是這些子波疊加的結果（衍射），卻有指向性。指向特性用指向圖表示。下圖2-4就是超聲波傳感器的指向圖。超聲波傳感器的指向圖是由一個主瓣和幾個副瓣構成，其物理意義是=0聲壓最大，角度逐漸增大時，聲壓減小。超聲波傳感器的指向角一般為40度80度5。超聲波傳感器指向特性圖如圖23所示。圖2.3 超聲波傳感器指

24、向特性圖2.3 超聲波測距2.3.1 超聲測距原理為了使移動機器人實現(xiàn)避障，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。脈沖法測距的原理如圖24 所示。圖2.4 脈沖法測距首先超聲波傳感器向空氣中發(fā)射聲脈沖, 聲波遇到被測物體反射回來, 若可以測出第一個回波達到的時間與發(fā)射脈沖間的時間差t ,利用即可算得傳感器與反射點間的距離s , 測量距離若1s=vt222hd= s2 （）時,則d s ,本儀器采用收發(fā)同體傳感器,故h = 0 ,則d=sh1s=vt2溫度補償常溫常壓下,空氣近似為理想氣體。超聲波在理想氣體中傳播速度為式中為氣體摩爾質量; r 為氣體的比熱比; r

25、為氣體常數(shù); t 1rvrt為熱力學溫度。對于一定的氣體r 、為定值。由公式可知:聲速與熱力學溫度的平方根成正比。溫度越高聲速越大, 溫度越低聲速越小。0 時, 空氣中聲速的實驗值為331. 45 m/ s ,空氣中聲速表達式為 （2.1）273.16v331.45(/ )273.16m s由實驗分析得距離計算公式為 （2.2）331.45273.1615273.16rnsmmf式中n 為計數(shù)個數(shù); f r 為參考頻率;為攝氏溫度; s 為距離。在25 時, 為本儀器的距離計算公式。電路中未用溫度傳感器,所0.173142515snmm以僅進行常溫下的聲速補償: v = 346. 285 m/

26、 s。在其它情況下,可根據(jù)具體需要而程序會略有改動。2.3.2單片機實現(xiàn)測距原理單片機發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時時間差t，然后求出距離s=ct/2，式中的c為超聲波波速。限制系統(tǒng)的最大可測距離存在4個因素：超聲波的幅度，反射的質地，反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射/接收的設計方法。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速c與溫度有關，表2.1列出了幾種不同溫度下的波速。表2.1 波速與溫

27、度的關系溫度 （）-30-20-100102030100聲速 （ms）313319325323338344349386在測距時由于溫度變化，可通過溫度傳感器自動探測環(huán)境溫度、確定計算距離時的波速c，較精確地得出該環(huán)境下超聲波經(jīng)過的路程。波速確定后，只要測得超聲波往返時間t，即可求得距離s。其系統(tǒng)原理框圖如圖2.5所示圖2.5 測距系統(tǒng)原理框圖單片機發(fā)出短暫的40khz信號，經(jīng)過放大后通過超聲波換能器輸出，反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對此信號鎖定，產(chǎn)生鎖定信號啟動單片機中斷程序，得出時間t，再由系統(tǒng)軟件對其進行計算、判別后，相應的計算結果被送至led顯示。2.4 超聲波測量

28、中盲區(qū)及近限和遠限用往返時間檢測法測量距離時，障礙物與超聲波傳感器間的距離既不能太遠也不能太近，存在著距離測量的近限和遠限5。距離過遠時，接收到的信號太弱，以致無法從噪聲信號中分辨出來，這是遠限存在的原因。在距離過近時，接收信號將落進盲區(qū)中而無法分辨出來，這是近限所以存在的原因。在使用一個探頭同時充當發(fā)射和接收的情況下，由于在探頭上施加的發(fā)射電壓強達幾十伏甚至上百伏以上，雖然發(fā)射信號只維持一個極短的時間，但停止施加發(fā)射信號后，探頭上還存在一定的余振，因此在一段較長的時間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號幅值仍是相當強的，可以達到限幅電路，引起探頭振動，不能進行正確的測量，同時，探頭上接收到的各

29、種反射信號卻遠比發(fā)射信號小，即使是離探頭較近處的液面反射信號也達不到限幅電路的限幅電平。當液面離探頭越來越遠時，接收信號與發(fā)射信號相隔時間越來越長，其幅值相應的越來越小。同時，接收信號的衰減程度總是要比發(fā)射信號余振的衰減慢得多。為了保證一定的信噪比，接收信號需要規(guī)定一個值，接收信號必須大于這個值，才能有輸出信號。這就構成了遠限的問題。在使用一個探頭的情況下，發(fā)射信號的幅值要維持到低于引起探頭振動時，接收信號才基本上擺脫了發(fā)射信號的影響而能夠明顯地分辨出來。所以把這段時間規(guī)定為盲區(qū)時間。當開始計時，測量超聲波在空氣中的傳播時間才有效。但是，當探測距離很遠時，為了增大發(fā)射功率，須采用特殊形式的大功

30、率超聲發(fā)射傳感器，但這些傳感器的接收靈敏度一般很低，甚至無法用于接收，在這種情況下，選用兩個換能器分別用于發(fā)送和接收。而使用雙探頭方式，不僅可以增加探測距離，還可以減小盲區(qū)。由于發(fā)射探頭上并不直接施加發(fā)射電壓，所以，從理論上說，可以沒有盲區(qū)。但是，由于接收電路多少會受到發(fā)射電路的感應，并且發(fā)射探頭所發(fā)出的超聲波可能有部分直接繞道接收探頭，因此實際上仍存在一定的盲區(qū)，不過它要比單探頭方式的盲區(qū)小很多。所以，在本實驗中，我們選取了雙探頭的工作方式，減小盲區(qū)，同時提高檢測的距離精度。2.5 提高測距儀性能的若干措施1、聲速校正要想通過測量超聲波傳播時間確定距離，聲速c必須恒定，實際上聲速隨介質、溫度

31、、壓力等變化而變化。一般情況下，由于大氣壓力變化很小，因此傳播速度主要考慮溫度的影響。對一定介質，通常采用對溫度進行修正的方法，可以測得比較準確的距離。通過對溫度修正來校正聲速的方法，即用測溫元件測量實際環(huán)境。2、減小盲區(qū)措施(1)壓縮發(fā)射脈沖寬度發(fā)射端采用減幅振蕩脈沖或單個脈沖，可使余震(拖尾)減少，此法常用于短距離測量距離。(2)采用自動距離增益控制采用具有自動增益控制功能的接收放大器，使近距離的增益很小，遠距離時的增益較大，這樣一方面發(fā)射信號的余震幅度變小，相應的延續(xù)時間縮短，可以分辨出近處的接受回波信號，故可使盲區(qū)減少。另一方面，可使遠處的回波信號的幅度增大，以提高測量的精度。(3)信

32、噪比問題超聲波測距儀都有確定的量程。量程主要決定于接收信號的幅值應大于規(guī)定的闡值。這個閡值決定信噪比。噪聲有兩類，一類電噪聲，在處理上同其它電子儀器一樣，另一類為機械噪聲，其中工業(yè)噪聲頻率較低，對液介式超聲測距儀，工作頻率較高，可以避開工業(yè)噪聲頻譜段。而氣介式超聲回波測距儀，一般頻率都較低，易引入工業(yè)噪聲。這時要求對環(huán)境噪聲進行頻譜分析，盡量避免與噪聲頻率重疊。第三章 系統(tǒng)硬件設計3.1 電路工作原理及設計主要由單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路三部分組成。利用單片機來實現(xiàn)對超聲波和超聲波轉換模塊的控制。單片機通過int0引腳來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不停的檢測int1引

33、腳，當int0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認為超聲波已經(jīng)返回。計數(shù)器所計的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。結構框圖如圖31所示。圖3.1 超聲波測距系統(tǒng)結構框圖3.2 主要電路具體設計及主要器件介紹電路采用l7805cv作為電源電路將+12v電壓轉換為+5v電壓，控制器選用stc12c2052單片機,晶振為11.0592mhz,單片機int0口輸出超聲波換能器所需的40khz方波信號,由 cx20106a紅外接收芯片和tct40-10 系列超聲波換能器來實現(xiàn)超聲波信號的接受和發(fā)射控制，經(jīng)計算，距離由顯示電路顯示，采用簡單的3位共陽極led數(shù)碼管進行動

34、態(tài)顯示。3.2.1 電源電路圖3.2 電源電路原理圖本系統(tǒng)中使用到的電源包括+5v和+12v，其中+12v電壓由直流穩(wěn)壓電源提供，通過電源接頭提供給電路板。用l7805cv為主的電路將12v電壓轉換+5v電壓。l7805cv的外形如圖33所示。圖3.3 l7805cv的外形圖這是一個三端集成穩(wěn)壓電源應用電路，整流濾波后得到的+12v電壓，在輸出端即可得到穩(wěn)定的輸出電壓+5v，為了改善紋波電壓，在輸入端接入電容c0，其值為100uf。同時在輸出端上接入電容c0，其值為100uf,以改善負載的瞬態(tài)響應。以防輸出電壓過高，所以在輸入端和輸出端之間跨接一個保護二極管v2(in4007)，其具體作用是在

35、輸入端短路時使輸入端和地之間的電容c0通過二極管放電，以保護集成穩(wěn)壓器內(nèi)部調(diào)整管。我國電源提供的交流電一般為220v，而各種電子設備所需要的直流電壓的幅值卻各不相同。因此，常常需要將電網(wǎng)電壓先經(jīng)過電源變壓器，然后將變換以后的副邊電壓再去整流、濾波和穩(wěn)壓，最后得到所需的直流電壓幅值。直流電源組成如圖34所示。圖3.4 直流電源組成其中整流電路的作用是利用具有單向導電性能的整流元件，將正負交替的正弦交流電壓整流成為單方向的脈動電壓，但其中包含很大脈動成分，距理想電壓還差很遠。濾波器由電容電感等儲能元件組成，它的作用是盡量將單向脈動電壓中的脈動成分濾掉，輸出比較平滑的直流電壓，但當電網(wǎng)電壓或負載電流

36、發(fā)生變化時，濾波器輸出的直流電壓的幅度也將隨之變化，在要求比較高的電子電路中這是不符合要求的。穩(wěn)壓電路的作用是采取措施使輸出的直流電壓在電網(wǎng)電壓或負載電流發(fā)生變化時保持穩(wěn)定。這個電源就是根具其基本原組成在其基礎上按實際需要和實際情況設計的。3.2.2 微處理器電路微處理器電路原理圖如圖35所示。圖3.5 微處理器電路原理圖微處理器的時鐘可以由兩種方式產(chǎn)生，一種是內(nèi)部方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路；另一種方式為外部方式。引腳xtal1和xtal2分別是該放大器輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構成自激振蕩器。外接石英晶體(或陶瓷諧振器)及電容c1、c2接在放大器

37、的反饋回路中構成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容c1、c2雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，建議電容使用30pf10pf，而如果使用陶瓷諧振器建議選擇40pf10pf連接方式。本設計采用內(nèi)部方式，晶振用11.0592mhz。1、微處理器命名stc12系列單片機是美國stc公司在8051單片機標準的內(nèi)核結構基礎上對芯片內(nèi)核進行了較大改進后推出的一個增一強型功能的8051的單片機，具有很多很強的新功能。stc12系列是從引腳到內(nèi)核及指令上都完全兼容8051的單片機;有32腳plcc(27個i/0口)，28腳d

38、ir(23個i/o口)，20腳dip(15個i/o口).三種封裝形式，在芯片型號命名上;12代表工作頻率是普通8051速度的812倍:c代表工作電壓5.5v3.8v，le代表2.0v3.8v;20代表2k字節(jié)；52代表ram是256字節(jié)； ad表示有a/d轉換功能。2、stc12c2052單片機引腳如圖36所示。圖3.6 stc12c2052單片機引腳stc12c2052為20引腳小型封裝，2k內(nèi)部程序存儲器，15個可編程i/o線，沒有p0口和p2口的16根i/o線，內(nèi)部集成了一個模擬比較器。芯片引腳的排列順序為從靠芯片的缺口（見上圖）左邊那列引腳逆時針數(shù)起，依次為1、2、3、20，在單片機的

39、20個引腳中，電源引腳2根，外接晶體振蕩器引腳2根，復位引腳1根以及p1、p3口可編程i/o引腳15根。主電源引腳（2根） 1.vcc(pin20)：電源輸入，接5v電源 2. gnd(pin10)：接地線外接晶振引腳（2根）1. xtal1(pin5)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端 2. xtal2(pin4)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端控制引腳（1根） rst：復位引腳可編程輸入/輸出引腳（15根） 1. p1口： 8位準雙向i/o口線，p1.0p1.7，共8根 2. p3口： 8位準雙向i/o口線，p3.0p3.5、p3.7，共7根3、芯片特點：（1）增強型1t流水線/精簡指令集結構8051 cpu；

40、（2）工作電壓：2.4v3.8v/3.4v5.5v；（3）工作頻率范圍：0-35mhz，相當于普通8051的0420mhz；（4）用戶應用程序空間512/1k/2k/3k/4k/5k字節(jié)；（5）片上集成256字節(jié)ram；（6）15個通用i/o口，復位后為：準雙向口/弱上拉可設置成四種模式：準雙向口/弱上拉，推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開漏；（7）eeprom功能；（8）共2個16位定時器/計數(shù)器；（9）pwm(2路）/pca（可編程計數(shù)器陣列）；（10）adc,8路8位精度；（11）通用異步串行口(uart)；（12） spi同步通信口，主模式/從模式；（13）看門狗；（14）內(nèi)部集成r/c

41、振蕩器，精度要求不高時可省外部晶體；（15）isp/iap；（16）工作溫度范圍：075/-4085；（17）封裝：pdip-20，sop-20(寬體)，tssop-20(超小封狀)。 4、選擇stc12c2052ad系列單片機的理由（1）加密性強,無法解密（2）超強抗干擾:a、高抗靜電（e s d保護）b、輕松過4kv快速脈沖干擾(eft測試）c、寬電壓，不怕電源抖動d、寬溫度范圍,-40-85e、i/o口經(jīng)過特殊處理f、單片機內(nèi)部的電源供電系統(tǒng)經(jīng)過特殊處理g、單片機內(nèi)部的時鐘電路經(jīng)過特殊處理h、單片機內(nèi)部的復位電路經(jīng)過特殊處理i、單片機內(nèi)部的看門狗電路經(jīng)過特殊處理j、1個時鐘/機器周期，可

42、用低頻晶振，大幅降低e mi（3）超低功耗:a、掉電模式：典型功耗0.1ab、空閑模式：典型功耗1mac、正常工作模式：典型功耗4ma7mad、掉電模式可由外部中斷喚醒，適用于電池供電系統(tǒng)，如水表、氣表、便攜設備等。e、在系統(tǒng)可編程,無需編程器,可遠程升級f、內(nèi)部集成max810專用復位電路，原復位電路可以保留，也可以不用，不用時reset腳直接短到地。3.2.3 超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路如圖37所示。圖3.7 發(fā)射電路在超聲探測電路中，發(fā)射端得到輸出脈沖為一系列方波，其寬度為發(fā)射超聲的時間間隔，被測物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖個數(shù)與被測距離成正比。經(jīng)過r6分壓后到達a966基極通過

43、集電極輸出后經(jīng)過中周變壓器組成諧振回路，最終將頻率為40khz的信號作用于發(fā)射探頭上，使其產(chǎn)生共振后，發(fā)射出超聲波。超聲波測距的制作和調(diào)試都較為簡單，其中超聲波發(fā)射和接收采用超聲波傳感器tct40-10f1（t發(fā)射）和tct40-10s1（r接收），中心頻率為40khz，安裝時應保持兩換能器中心軸線平行并相距48cm，其余元件無特殊要求，若將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，那可以大大提高抗干擾能力。3.2.4 超聲波接收電路超聲波接收電路原理圖如圖38所示。圖3.8 超聲波接收電路原理圖集成電路cx20106a是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器。cx20106a也有不少

44、用于超聲波測試。紅外遙控常用的載波頻率為38khz，這是由發(fā)射端所使用的455khz晶振來決定的。在發(fā)射端要對晶振進行整數(shù)分頻，分頻系數(shù)一般取12，所以455khz1237.9khz38khz。也有一些遙控系統(tǒng)采用36khz、40khz、56khz等，一般由發(fā)射端晶振的振蕩頻率來決定。本設計中就是利用這一芯片來實現(xiàn)檢測接收電路，實驗證明用集成電路cx20106a接收超聲波（無信號時輸出高電平），具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。 cx20106a工作原理：日本索尼公司生產(chǎn)的紅外解調(diào)集成電路,采用8腳單列直插式塑料封裝，內(nèi)部含有前置放大、自動偏置、限幅放大、通帶濾波、峰值檢波、積分比較及施密特

45、整形輸出等電路。典型應用電路如圖所示,其主要功能是從40khz紅外載波信號中，將編碼信號解調(diào)出來，并加以放大和整形,然后再送到微處理器(cpu)進行處理，以實現(xiàn)遙控操作功能。（1）使用cx20106a存在的優(yōu)缺點如下： 優(yōu)點：簡單易用，電路簡單，減少了生產(chǎn)調(diào)試的麻煩。 缺點：必須保證接收到的信號為40khz，否則無法解調(diào)出。（2）其引腳如圖39所示。圖3.9 cx20106引腳圖圖3.9中，引腳從上至下依次為1、2、3、4、5、6、7、8 。1腳：超聲信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40k。2腳：該腳與地之間連接rc串聯(lián)網(wǎng)絡，它們是負反饋串聯(lián)網(wǎng)絡的一個組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增

46、益和頻率特性。增大電阻r1或減小c1,將使負反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但c1的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，推薦選用參數(shù)為r1=4.7，c1=1f。3腳：該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，推薦參數(shù)為3.3f。4腳：接地端。 5腳：該腳與電源間接入一個電阻，用以設置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取r=200k時，f042khz，若取r=220k，則中心頻率f038khz?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率 38khz與測距超

47、聲波頻率40khz較為接近，可以利用它作為超聲波檢測電路。實驗證明其具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當改變c4的大小，可改變接受電路的靈敏度和抗干擾能力。cx20106a 的第5腳的電阻決定接收的中心頻率，200k的電阻決定了接收的中心頻率為40khz。 6腳：該腳與地之間接一個積分電容，標準值為330pf，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。 7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，推薦阻值為22k，沒有接受信號是該端輸出為高電平，有信號時則產(chǎn)生下降。當 cx20106a 接收到40khz的信號時，會在第7腳產(chǎn)生一個低電平下降脈沖，這個信

48、號可以接到單片機的外部中斷引腳作為中斷信號輸入。8腳：電源正極，4.55v。（3）在一個大電容并連一個小電容的原因大電容由于容量大，所以體積一般也比較大，且通常使用多層卷繞的方式制作，這就導致了大電容的分布電感比較大（也叫等效串聯(lián)電感，英文簡稱esl）。大家知道，電感對高頻信號的阻抗是很大的，所以，大電容的高頻性能不好。而一些小容量電容則剛剛相反，由于容量小，因此體積可以做得很小（縮短了引線，就減小了esl，因為一段導線也可以看成是一個電感的），而且常使用平板電容的結構，這樣小容量電容就有很小esl這樣它就具有了很好的高頻性能，但由于容量小的緣故，對低頻信號的阻抗大。所以，如果我們?yōu)榱俗尩皖l、

49、高頻信號都可以很好的通過，就采用一個大電容再并上一個小電容的方式。常使用的小電容為 0.1uf的瓷片電容，當頻率更高時，還可并聯(lián)更小的電容，例如幾pf，幾百pf的。而在數(shù)字電路中，一般要給每個芯片的電源引腳上并聯(lián)一個0.1uf的電容到地（這個電容叫做退耦電容，當然也可以理解為電源濾波電容,越靠近芯片越好），因為在這些地方的信號主要是高頻信號，使用較小的電容濾波就可以了。就是根據(jù)這個特性在電路圖設計時將c7和c0并在一起后接到地上。3.2.5 顯示電路顯示電路原理圖如圖310所示。顯示模塊選用3個共陰極段式led數(shù)碼管來顯示測量結果，顯示范圍為0999厘米?？紤]到節(jié)省管腳和實用性的問題，采用動態(tài)

50、顯示的方法進行顯示。p1.0到p1.6為段接口，3個控制端t0、t1和p3.7作為動態(tài)顯示的位選信號，考慮到單片機的驅動能力有限，采用3個pnp型三極管9012來提高端口的驅動能力。圖3.10 超聲波顯示電路原理圖其中的發(fā)光二極管led顯示模塊通常用來顯示數(shù)字和狀態(tài)，發(fā)光二極管根據(jù)不同制造材料，可發(fā)出紅、黃、藍、紫等各種單色光，發(fā)光二極管可以有多種形式，而應用最多的是七段發(fā)光二極管顯示模塊。led數(shù)碼管由七段發(fā)光線段組成，每條線段可以使一個或者幾個發(fā)光二極管，七段數(shù)碼管結構圖如圖311所示。圖3.11 七段數(shù)碼管結構圖在圖3.11中，只要使不同段的發(fā)光二極管，即可改變所顯示的數(shù)字和字母，led

51、七段數(shù)碼管根據(jù)內(nèi)部led的連接方法不同，有共陰極和共陽極兩種接法，在共陽極接法中，當某一段發(fā)光二極管輸入為低電平時，該發(fā)光二極管亮，反之則熄滅。而在共陰極接法中，剛好與共陽極接法相反。數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅動電路來驅動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。 靜態(tài)顯示驅動：靜態(tài)驅動也稱直流驅動。靜態(tài)驅動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的i/o端口進行驅動，或者使用如bcd碼二-十進制譯碼器譯碼進行驅動。靜態(tài)驅動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用i/o端口多，如驅動5個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要5840根i/o端口來驅動，

52、要知道一個89s51單片機可用的i/o端口才32個，實際應用時必須增加譯碼驅動器進行驅動，增加了硬件電路的復雜性。 動態(tài)顯示驅動：數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極com增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的i/o線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通com端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管

53、的的com端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮時間為12ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的i/o端口，而且功耗更低。3.3 避障系統(tǒng)的總體設計機器人避障控制系統(tǒng)如圖312所示。當機器人遇到障礙物時，超聲測距系統(tǒng)將獲得的距離信息送入單片機，單片機通過中斷的方式向主機發(fā)送數(shù)據(jù)，主機與單片機通過串行口相連。主機將接收到的信息經(jīng)過處理后輸入到模糊控制器，然后模糊控制器向驅動模塊輸出速度和轉

54、角信號，控制機器人避障。 單片機 主機發(fā)射電路接收電路發(fā)射探頭接受探頭 障礙物兩側障礙物距離信息前方障礙物距離信息模糊控制器運動速度旋轉角度機器人驅動模塊圖3.12 機器人避障控制系統(tǒng)第四章 系統(tǒng)軟件設計4.1 軟件設計的總體方案超聲波測距和避障系統(tǒng)的軟件部分是針對系統(tǒng)所需要實現(xiàn)的功能，以軟件模塊化設計的思路來進行設計的。系統(tǒng)的主要功能是距離測量，整個系統(tǒng)軟件程序包括主程序、測距子程序、顯示子程序以及各種中斷子程序。軟件系統(tǒng)流程圖如圖所示。系統(tǒng)軟件程序大體上包括下面幾個過程:(1)初始化led，顯示開機界面為“00”，表示測量沒有開始。(2)單片機連續(xù)發(fā)射40khz的脈沖波，立即啟動int0，

55、系統(tǒng)進入中斷后激活系統(tǒng)，等待計數(shù)值滿產(chǎn)生中斷，開始啟動接收程序。(3)回波信號到達，立即關閉計數(shù)器，捕獲int1的值。(4)單片機捕獲計數(shù)值，調(diào)用及計算程序。(5)顯示測量結果。4.2 主程序流程圖超聲波測距與避障系統(tǒng)的軟件流程見圖4.1，根據(jù)系統(tǒng)的硬件設計要求，軟件設計包括以下2個模塊：主程序流程、中斷程序流程。在主程序中，循環(huán)發(fā)出高電平，觸發(fā)超聲波信號處理電路發(fā)射超聲波；當處理器檢測到接收電路的中斷請求后，進入中斷程序。在中斷中，實現(xiàn)距離的計算及與上位機的通訊功能。定時器0中斷入口單片機初始化發(fā)射超聲波有回波嗎？ 讀取計算s值開始否是圖4.1 主程序流程圖 圖4.2 內(nèi)部定時器0中斷服務程

56、序流程圖主程序完成初始化工作，超聲波發(fā)射的控制。主函數(shù)程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設置定時器t0工作模式為16位定時計數(shù)器模式，置位總中斷允許位ea并將顯示端口p1和p3清0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，為了避障算法d/a轉換返回關閉中斷允許位ea定時器初始化打開中斷允許位ea延時65微秒選通端置0停止發(fā)送方波返回s=避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時約0.1s（這也是超聲波測距器會有一個最小可測距離的原因）后才打開外中斷1接受返回的超聲波信號。由于采用的是12mhz的晶振，計數(shù)器每記一個數(shù)就是1s,當主程序檢測到接受成功的標志位后，將計數(shù)器t0中的數(shù)

57、（即超聲波往返所用的時間）按式d=vt/2=172 t0/10000cm（4.1）計算，即可得被測物體與測距離之間的距離，設計時取20時的聲速344m/s。其中：t0為計數(shù)器t0的計數(shù)值。測出距離后結果將以十進制bcd碼方式送往led顯示約0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復測量過程。其部分源程序如下：receive0：push pswpush accclr ex0 ；關外部中斷0mov r7, th0 ；讀取時間值mov r6, tl0clr cmov a, r6subb a, #0bbh；計算時間差mov 31h, a ；存儲結果mov a, r7subb a, #3chmov 30h, as

58、etb ex0 ；開外部中斷0pop accpop psw reti 4.3 子程序流程圖外中斷入口圖4.3 外部中斷服務程序流程圖內(nèi)部中斷服務子程序如圖42所示，外部中斷服務子程序如圖43所示。內(nèi)部中斷服務子程序完成超聲波的定時發(fā)射，外部中斷服務子程序主要完成時間的讀取，距離計算，結果的輸出等工作。超聲波發(fā)生子程序的作用是通過p1.0端口發(fā)送十個左右的超聲波脈沖信號（頻率約為40khz的方波），脈沖寬關中斷ea，保護現(xiàn)場進行壓棧處判斷p3.3是否為零比較寄存器的值相應加1顯示子程序顯示設定值延時出棧處返回度為12us左右，同時把計數(shù)器t0打開進行計時。在開始發(fā)射超聲波的時刻t0開始計時，等待

59、int1中斷，在int0中斷時停止計時，在中斷程序讀出th0、tl0的值。定時器t1工作方式2，用于串口通訊，接受數(shù)據(jù)。超聲波發(fā)射中要發(fā)射一串脈沖，實驗證明，810個脈沖最佳。由此，101/40000=250s，即需要250s一個的脈沖。由于采用的是12mhz的晶振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是1us，當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數(shù)器t0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）讀出，然后加以計算，就可以得出被測物體與測距器之間的距離，假設本設計中取20時的聲速為344m/s，則如公式(4.1)進行計算。第五章 系統(tǒng)設計的問題與特點5.1 多次反射問題當障礙物較雜亂的時候，超聲波存在多次反射現(xiàn)象。在實

60、驗中，將超聲波傳感器指向房間一個堆有雜亂物體的角落，超聲波經(jīng)過多次折射后，引起的接收系統(tǒng)不斷動作。此時對單次測距影響不大，在采用中斷方式響應檢測信號時，側到第一個脈沖下降沿就關閉中斷，不再響應后續(xù)進入的信號。但對連續(xù)測距來說，要設置兩次測距間的時間間隔，等前一次發(fā)射的超聲波基本衰減消失后，再啟動下一次測距。5.2 超聲波傳感器的盲區(qū)分立式超聲波傳感器盲區(qū)主要是由信號串擾引起，發(fā)射信號未經(jīng)反射就被接收探頭感應到。超聲波發(fā)射后，立即引起了接收探頭誤動作，如果此時計算從發(fā)射到接收的時間將得到錯誤值。在設計中可以給串擾信號加上加窗信號，加窗信號就是盲區(qū)信號。盲區(qū)信號可以采用軟件延時開中斷的方法，在發(fā)射