【正文】 as a wide range of applications in social life, such as cars reversing radar， range finder and level measurement and so on. Control System is the core ponent 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 ultrasonic 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 lowcost, high accuracy, Micro figures show that the ultrasonic range finder hardware and software design methods. Modular design of the whole circuit from the mai n program, pre subroutine fired subroutine receive subroutine. display subroutine modules form. SCM prehensive analysis of the probe signal processing, and the ultrasonic range finder function. On the basis of the overall system design, hardware and software by the end of each module. The research has led to the discovery that the software and hardware designing is justified, the antidisturbance petence is powerful and the realtime capability is III satisfactory. With hardware and software for mobile robot using an ultrasonic device to achieve distance and obstacle avoidance capabilities. It can be good for the mobile robot detection function and have the actual significance. Key words:MCU。 各探頭的信號經(jīng)單片機(jī)綜合分析處理，實(shí)現(xiàn) 超聲 裝置在移動機(jī)器人中的測距及避障 。因此設(shè)計(jì)好的超聲測距儀就顯得非常重要了。 I 超聲裝置在移動機(jī)器人探測功能中的應(yīng)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。 針對移動機(jī)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(jī)器人為平臺，利用超聲測距原理，以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)一種基于超聲裝置的移動機(jī)器人避障系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件和軟件實(shí)現(xiàn)了各個(gè)功能模塊。Silent Wave。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(yīng)能力。 研究背景和意義 超聲波測距是一種傳統(tǒng)而實(shí)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(diǎn)，在比較惡劣的環(huán)境中也具有一定的適應(yīng)能力，且結(jié)構(gòu)簡單，成本低，因此在工業(yè)控制、建筑測量、機(jī)器人定位 避障 方面得到了廣泛的應(yīng)用。超聲波測距是一種利用超聲波特性、電子技術(shù)、光電開關(guān)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)非接觸式距離測量的方法。 本領(lǐng)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(jìn)加仿制等手段，還有許多合資企業(yè)代理國外相應(yīng)產(chǎn)品?？蓛Υ?2 個(gè)測量數(shù)據(jù)或計(jì)算 結(jié)果，可計(jì)算面積和體積 。 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(shí)現(xiàn)公英制直接轉(zhuǎn)換；測量基準(zhǔn)選擇；記憶 /調(diào)出記憶數(shù)據(jù)；計(jì)算面積和體積；五組不同的記憶體；累加長度和；自動關(guān)機(jī)功能； LED 背光顯示；按鍵聲提示；出錯聲提示；確認(rèn)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。意大利的 Carullo 等人介紹了一種自適應(yīng)系統(tǒng)，發(fā)射特殊的波形來獲得好的回波包絡(luò)，設(shè)置一定的回波開啟電平，并采用自動增益的控制放大器。 課題研究方案是根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，采用單片機(jī)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(shí)現(xiàn) LED 數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機(jī)的定時(shí)器完成因?yàn)椴煌某暡òl(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(shè)計(jì)要進(jìn)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。聲波是一種能在氣體、液體和固體中傳播的機(jī)械波。超聲波在介質(zhì)中傳輸?shù)乃俣燃唇橘|(zhì)的聲速。 聲速是隨著介質(zhì)及其狀態(tài) (如溫度 )的不同而不同。 聲速與介質(zhì)的許多特性有關(guān)，有的關(guān)系非常直接，可有精確的理論公式，有的關(guān)系比較間接而復(fù)雜，但在特定條件下，也可建立一些經(jīng)驗(yàn)公式，例如介質(zhì)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(guān)系，這樣就可以通過聲速來測定這些特性參數(shù)。這樣的兩種情況稱之為聲波的反射和折射。聲阻抗定義為傳聲介質(zhì)的 密度 ρ 與聲速 c 的乘積，用 Z 表示。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 6 以測量聲波的整個(gè)運(yùn)行時(shí)間 ， 從而實(shí)現(xiàn)物位的測量。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。 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。超聲換能器的種類很多，按照實(shí)現(xiàn)超聲傳感器機(jī)電轉(zhuǎn)換的物理效應(yīng)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。如電場反向，則形變亦相反。 正壓電效應(yīng)是指當(dāng)對某電介質(zhì)施加應(yīng)力時(shí)，產(chǎn)生的變形將引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對位移而產(chǎn)生極化，在介質(zhì)兩端面上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，其電荷密度與應(yīng)力成正比，這種效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng)。圖中 ,f0 為超聲波發(fā)射器的中心頻率 ，在 f0 處，超聲波發(fā)射器產(chǎn)生的超聲機(jī)械波 最強(qiáng)，也就是說，在 f0 處所產(chǎn)生的超 8 聲波聲壓能級最高。因此超聲波接收器具有很好的頻率選擇特性，在構(gòu)成遙測系統(tǒng)時(shí)一般不再設(shè)置選頻電路。因此，超聲波接收器應(yīng)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。下圖 24 就是超聲波傳感器的指向圖。 圖 超聲波傳感器指向特性圖 超聲波測距 超聲測距原理 為了使移動機(jī)器人實(shí)現(xiàn)避障，就必須裝備測距系統(tǒng)， 以使其及時(shí)獲取距障礙物的距離信息（距離和方向） 。 r 為 氣體的比熱比 。由公式可知 :聲速與熱力學(xué)溫度的平方根成正比。θ為攝氏溫度 。在其它情況下 ,可根據(jù)具體需要而程序會略有改動。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射 /接收的設(shè)計(jì)方法。其系統(tǒng)原理框圖如圖 所示 圖 測距系統(tǒng)原理框圖 單片機(jī)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 12 啟動單片機(jī)中斷程序，得出時(shí)間 t，再由系統(tǒng)軟件對其進(jìn)行計(jì)算、判別后，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果被送至 LED 顯示。 在使用一個(gè)探頭同時(shí)充當(dāng)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(qiáng)達(dá)幾十伏甚至上百伏以上，雖然發(fā)射信號只維持一個(gè)極短的時(shí)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(shí)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(dāng)強(qiáng)的，可以達(dá)到限幅 電路，引起探頭振動，不能進(jìn)行正確的測量，同時(shí)，探頭上接收到的各種反射信號卻遠(yuǎn)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(dá)不到限幅電路的限幅電平。這就構(gòu)成了遠(yuǎn)限的問題。 13 但是，當(dāng)探測距離很遠(yuǎn)時(shí)，為了增大發(fā)射功率，須采用特殊形式的大功率超聲發(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(gè)換能器分別用于發(fā)送和接收。 所以，在本實(shí)驗(yàn)中，我們選取了雙探頭的工作方式，減小盲區(qū)，同時(shí)提高檢測的距離精度。通過對溫度修正來校正聲速的方法，即用測溫元件測量實(shí)際環(huán)境。 (3)信噪比問題 超聲波測距儀都有確定的量程。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。單片機(jī)通過 INT0 引腳來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停的檢測 INT1 引腳，當(dāng) INT0 引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就 認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。 電源電路 16 圖 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。同時(shí)在輸出端上接入電容 C0，其值為 100uF,以改善負(fù)載的瞬態(tài)響 17 應(yīng)。直流電源組成如圖 3— 4所示。這個(gè)電源就是根具其基本原組成在其基礎(chǔ)上按實(shí)際需要和實(shí)際情況設(shè)計(jì)的。這個(gè)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(gòu)成自激振蕩器。10 pF連接方式。有 32 腳 PLCC(27 個(gè) I/0 口 )， 28腳 DIR(23 個(gè) I/O 口 )， 20 腳 DIP(15 個(gè) I/O 口 ).三種封裝形式，在芯片型號命名上 。 圖 STC12C2052 單片機(jī)引腳 STC12C2052 為 20 引腳小型封裝， 2K 內(nèi)部程序存儲器， 15 個(gè)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(gè)模擬比較器。 22 E、 在系統(tǒng)可編程 ,無需編程器 ,可遠(yuǎn)程升級 F、 內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路，原復(fù)位電路可以保留，也可 以不用，不用時(shí)reset 腳直接短到地 。 2