【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 。因此設計好的超聲測距儀就顯得非常重要了。 I 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。 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)。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。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)境下有一定的適應能力。 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。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。 本領域的研究歷史與現(xiàn)狀 目前國內超聲波測距儀的發(fā)展主要采用引進加仿制等手段，還有許多合資企業(yè)代理國外相應產品?？蓛Υ?2 個測量數(shù)據或計算 結果，可計算面積和體積 。 杰創(chuàng)立儀器有限公司生產的 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 /調出記憶數(shù)據；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。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。 課題研究方案是根據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械波。超聲波在介質中傳輸?shù)乃俣燃唇橘|的聲速。 聲速是隨著介質及其狀態(tài) (如溫度 )的不同而不同。 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)。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 以測量聲波的整個運行時間 ， 從而實現(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，必須產生超聲波和接收超聲波。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。如電場反向，則形變亦相反。 正壓電效應是指當對某電介質施加應力時，產生的變形將引起內部正負電荷中心發(fā)生相對位移而產生極化，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。圖中 ,f0 為超聲波發(fā)射器的中心頻率 ，在 f0 處，超聲波發(fā)射器產生的超聲機械波 最強，也就是說，在 f0 處所產生的超 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，在構成遙測系統(tǒng)時一般不再設置選頻電路。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。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） 。 r 為 氣體的比熱比 。由公式可知 :聲速與熱力學溫度的平方根成正比。θ為攝氏溫度 。在其它情況下 ,可根據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。其系統(tǒng)原理框圖如圖 所示 圖 測距系統(tǒng)原理框圖 單片機發(fā)出短暫的 40kHz 信號，經過放大后通過超聲波換能器輸出，反射后的超聲波經超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對此信號鎖定，產生鎖定信號 12 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。 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，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。這就構成了遠限的問題。 13 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。 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。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。 (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。同時在輸出端上接入電容 C0，其值為 100uF,以改善負載的瞬態(tài)響 17 應。直流電源組成如圖 3— 4所示。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。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。10 pF連接方式。有 32 腳 PLCC(27 個 I/0 口 )， 28腳 DIR(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 。 圖 STC12C2052 單片機引腳 STC12C2052 為 20 引腳小型封裝， 2K 內部程序存儲器， 15 個可編程 I/O 線，沒有 P0 口和 P2 口的 16 根 I/O 線，內部集成了一個模擬比較器。 22 E、 在系統(tǒng)可編程 ,無需編程器 ,可遠程升級 F、 內部集成 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 。 2