【正文】 波傳感器成本低，可以實(shí)現(xiàn)非接觸式的距離測量。因此超聲裝置在移動(dòng)機(jī)器人探測功能等方面有廣泛應(yīng)用。但由于超聲波傳播聲時(shí)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(yīng)用。因?yàn)樗欠墙佑|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。我國在該領(lǐng)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(biāo)低、儀表可靠性差、企業(yè)技術(shù)力量及裝備差等問題?？勺鬟B續(xù)測距和單次測距 。 國內(nèi)外的學(xué)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(shí)間和超聲波在介質(zhì)中的傳 播速度，其中傳 3 輸時(shí)間的精度影響較大。也有文獻(xiàn)提出通過數(shù)字信號處理技術(shù)和小波變換理論來提高測量精度。 4 第 2 章 超聲波測距系統(tǒng)的工作原理 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(rèn)識，在人們的日常生活中存在著各式各樣的聲音。根據(jù)聲波振動(dòng)頻率的范圍，可以分為次聲波、聲波、超聲波和特超聲波。它是一秒鐘超聲波等相位面通過的距離，與介質(zhì)的密度和彈性性質(zhì)有關(guān)。如在常溫下，空氣中的聲速約為 334m/s，在水中的聲速約為 1440m/s，而在鋼鐵中約為 5000m/s。由于介質(zhì)的溫度、壓強(qiáng)和流速等狀態(tài)參量的變化都會(huì)引起響應(yīng)的聲速變化，因此出現(xiàn)了超聲溫度計(jì)和超聲流量 5 計(jì)等。 由物理學(xué)可知，當(dāng)波在界面上產(chǎn)生反射時(shí)，入射角的正弦之比等于波速之比，當(dāng)入射波和反射波的波型相同時(shí)，波速相同，入射角度等于反射角。它是介質(zhì)固有的一個(gè)常數(shù)，它的數(shù)值對超聲波在介質(zhì)中的傳播非常重要，單位為瑞利 (rayl)。本儀器是現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)的液位測量子功能模塊。此類傳感器適應(yīng)強(qiáng) ,可在 40～ 90 ℃環(huán)境下正常工作 ,散射角最大15176。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器，或者超聲波探頭 [ 4]。目前壓電式換能器的理論 研究和實(shí)際應(yīng)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。這一現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。利用正壓電效應(yīng)將機(jī)械能 (即聲能轉(zhuǎn)換成電能，并用來接受超聲波的裝置，稱為接收換能器。而在 f0 兩測，聲壓能級迅速減小。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(guān)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(gè)共振頻率上靈敏度很高。 圖 超聲波發(fā)射傳感器的發(fā)射頻率特性 指向特性 實(shí)際的超聲波傳感器中壓電晶片是個(gè)小圓片，可以把表面上每個(gè)點(diǎn)看成1 個(gè)振蕩源，輻射出一個(gè)半球面波（子波），這些子波沒有指向性。超聲波傳感器的指 9 向圖是由一 個(gè)主瓣和幾個(gè)副瓣構(gòu)成，其物理意義是 Ф=0 聲壓最大，角度逐漸增大時(shí)，聲壓減小。 脈沖法測距的原理如圖 2— 4 所示。 R 為氣體常數(shù) 。溫度越高聲速越大 , 溫度越低聲速越小。 s 為距離。 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測距原理 單片機(jī)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(shí)時(shí)間差 t，然后求出距離 S=Ct/2，式中的 C 為超聲波波速。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速 C 與溫度有關(guān)，表 列出了幾種不同溫度下的波速。 超聲波測量中盲區(qū)及近限和遠(yuǎn)限 用往返時(shí)間檢測 法測量距離時(shí)，障礙物與超聲波傳感器間的距離既不能太遠(yuǎn)也不能太近，存在著距離測量的近限和遠(yuǎn)限 [5]。當(dāng)液面離探頭越來越遠(yuǎn)時(shí)，接收信號與發(fā)射信號相隔時(shí)間越來越長，其幅值相應(yīng)的越來越小。 在使用一個(gè)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(dòng)時(shí)，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。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)。 提高測距儀性能的若干措施 聲速校正 要想通過測量超聲波傳播時(shí)間確定距離，聲速 c 必須恒定，實(shí)際上聲速隨介質(zhì)、溫度、壓力等變化而變化。 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(gè)脈沖，可使余震 (拖尾 )減少，此法常用于短距離測量距離 。量程主要決定于接收信號的幅值應(yīng)大于規(guī)定的闡值。這時(shí)要求對環(huán)境噪聲進(jìn)行頻譜分析，盡量避免與噪聲頻率重疊。計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。用 L7805CV 為主的電路將 12V 電壓轉(zhuǎn)換 +5V 電壓。以防輸出電壓過高，所以在輸入端和輸出端之間跨接一個(gè)保護(hù)二極管V2(IN4007)，其具體作用是在輸入端短路時(shí)使輸入端和地之間的電容 C0 通過二極管放電，以保護(hù)集成穩(wěn)壓器內(nèi)部調(diào)整管。 圖 直流電源組成 其中整流電路的作用是利用具有單向?qū)щ娦阅艿恼髟?，將正?fù)交替的正弦交流電壓整流成為單方向的脈動(dòng)電壓，但其中包含很大脈動(dòng)成分，距理想電壓還差很遠(yuǎn)。 微處理器電路 18 微處理器電路原理圖如圖 3— 5 所示。外接石英晶體 (或陶瓷諧振器 )及電容 C C2 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部方式，晶振用 。12 代表工作頻率是普通 8051 速度的 8~12倍 :C 代表工作電壓 ～ ， LE 代表 ～ 。芯片引腳的排列順序?yàn)閺目啃酒娜笨冢ㄒ娚蠄D）左邊那列引腳逆時(shí)針數(shù)起，依次為 20 ? 、 20，在單片機(jī)的 20 個(gè)引腳中，電源引腳 2 根，外接晶體振蕩器引腳 2根，復(fù)位引腳 1根以及 P P3 口可編程 I/O 引腳 15 根 。 超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射電路如圖 3— 7 所示 。 超聲波接收電路 超聲波接收電路原理圖如圖 3— 8所示。在發(fā)射端 要對晶振進(jìn)行整數(shù)分頻，分頻系數(shù)一般取 12，所以 455KHz247。 CX20206A 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(dòng)偏置、限幅放大、通帶濾波、峰值檢波、積分比較及施密特整形輸出 等電路。 （ 2）其引腳如圖 3— 9 所示。增大電阻 R1 或減小C1,將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。 5 腳：該腳與電源間接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率 f0，阻值越大，中心頻率越低。適當(dāng)改變 C4 的大小，可改變接受電路的靈敏度和抗干擾能力。當(dāng) CX20206A 接收到 40KHz 的信號時(shí)，會(huì)在第 7 腳產(chǎn)生一個(gè)低電平下降脈沖，這個(gè)信號可以接到單片機(jī)的外部中斷引腳作為中斷信號輸入 。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?。s短了引線，就減小了 ESL，因?yàn)橐欢螌?dǎo)線也可以看成是一個(gè)電感的），而且常使用平板電容的結(jié)構(gòu)，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。 就是根據(jù)這個(gè)特性在電路圖設(shè)計(jì)時(shí)將 C7 和 C0并在一起后接到地上。 到 為段接口， 3 個(gè)控制端 T0、 T1 和 作為動(dòng)態(tài)顯示的位選信號，考慮到單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力有限，采用 3 個(gè) PNP 型三極管 9012 來提高端口的驅(qū)動(dòng)能力。而在共陰極接法中，剛好與共陽極接法相反。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是編程簡單，顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用 I/O端口多，如驅(qū)動(dòng) 5 個(gè)數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要 58 ＝ 40 根 I/O 端口來驅(qū)動(dòng)，要知道一個(gè) 89S51 單片機(jī)可用的 I/O 端口才 32 個(gè) ，實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須增加譯碼驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，增加了硬件電路的復(fù)雜性。 避障 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 機(jī)器人避障控制系統(tǒng)如圖 3— 12 所示。系統(tǒng)的主要功能是距離測量，整個(gè)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。 (3)回波信號到達(dá)，立即關(guān)閉計(jì)數(shù)器，捕獲 INT1 的值。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(dāng)處理器檢測到接收電路的中斷請求后，進(jìn)入中斷程序。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時(shí)約 （這也是超聲波測距器會(huì)有一個(gè)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。 其部分源程序如下： RECEIVE0： PUSH PSW PUSH ACC CLR EX0 ；關(guān)外部中斷 0 MOV R7, TH0 ；讀取時(shí)間值 MOV R6, TL0 CLR C MOV A, R6 SUBB A, 0BBH；計(jì)算時(shí)間差 MOV 31H, A ；存儲結(jié)果 MOV A, R7 34 SUBB A, 3CH MOV 30H, A SETB EX0 ；開外部中斷 0 POP ACC POP PSW RETI 35 子程序流程圖 圖 外部中斷服務(wù)程序流程圖 內(nèi)部 中斷服務(wù)子程序如圖 4— 2 所示，外部中斷服務(wù)子程序如圖 4— 3 所示 。定時(shí)器 T1 工作方式 2，用于串口通訊，接受數(shù)據(jù)。 37 第五章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的問題與特點(diǎn) 多次反射問題 當(dāng) 障礙物較雜亂的時(shí)候，超聲波存在多次反射現(xiàn)象。 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?dāng)_引起，發(fā)射信號未經(jīng)反射就被接收探頭感應(yīng)到。 可測障礙物的極限參數(shù) 根據(jù)波得衍射傳播原理，當(dāng)障礙物的距離小于波長的一半時(shí)，將發(fā)射波得繞射，當(dāng)障礙物距離大于波長的一半時(shí)才能反射。另外還與超聲波發(fā)射接收頭之間相對角度有關(guān)。 39 第六章 總結(jié)與展望 總結(jié) 隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對距離或長度測量的要求越來越高。 其次對該超聲裝置設(shè)計(jì)了硬件系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)測距和避障， 設(shè)計(jì)了 STC12C2052單片機(jī)為核心的超聲波界面檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示的特點(diǎn)。 展望 移動(dòng)機(jī)器人研究的一個(gè)基本問題是安全避障，實(shí)現(xiàn)安全避障的前提是準(zhǔn)確獲取避障信息，準(zhǔn)確的避障信息為移動(dòng)機(jī)器人的避障處理提供了可靠的周邊環(huán)境信 40 息，對于測距和障礙探測，采用超聲裝置實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人探測功能。 (3) 超聲波探頭相對安裝位置的影響，渡越時(shí)間延遲造成的誤差及其他誤差源的存在，從軟件角度，使用一些數(shù)據(jù)處理算法，消除誤差干擾，提高測量精度。在此，謹(jǐn)向王老師致以由衷的敬意和感謝 ! 論文的完成也離不開同課題組其他同學(xué)們的幫助，在此感謝他們。向所有關(guān)心、支持和幫助過我的老師、親人和同學(xué)們表示衷心的感謝 !