【正文】 ......28 致謝 ......................................................................29 參考文獻(xiàn) ....................................................................30 附錄 A 超聲波測(cè)距原理圖 ......................................................31 附錄 B 超聲波測(cè)距 PCB圖 ......................................................35 附 錄 C 超聲波測(cè)距程序流程圖 ..................................................36 淮南師范學(xué)院本科畢 業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 1 基于 ATMega 16 超聲波測(cè)距儀 系統(tǒng) 的硬件 電路 設(shè)計(jì) 摘 要 :利用超聲波測(cè)量距離是一種有 效的非接觸式測(cè)距方法，本文 介紹了超聲波測(cè)距的原理以及環(huán)境對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響 ,分析了測(cè)量誤差產(chǎn)生的原因。 總體方案參照性能優(yōu)越的 SensComp6500 超聲波測(cè)距模塊， 研制了基于 雙單片機(jī)的 超聲波測(cè)距系統(tǒng) , 詳細(xì)闡述了 高效率 （升壓諧振及余波抑制） 的發(fā)射驅(qū)動(dòng) 電路， 隨時(shí)間變化的自動(dòng)增益控 制 (AGC)電路及環(huán)境溫度補(bǔ)償電路的電路結(jié)構(gòu) ,自動(dòng)實(shí)時(shí) LCD 顯示和同步語音播放 的工作機(jī)理及硬件實(shí)現(xiàn)電路 。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的自動(dòng)增益電路具有線性度高、電路簡(jiǎn)單以及動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn) ,較好地 改善了超聲波聲強(qiáng)與淮南師范學(xué)院本科畢 業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 2 測(cè)距精度隨距離遠(yuǎn)近變化大的缺點(diǎn) ,并減小了超聲波探頭的測(cè)量盲區(qū) ，成功的實(shí)現(xiàn)的預(yù)期的效果 。由于超聲波在傳播介質(zhì)中波速較慢，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測(cè)出來，具有很高的分辨力，其準(zhǔn)確度也較其它方法高，而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、信號(hào)處理可靠等特點(diǎn)。 超聲波測(cè)距系統(tǒng)由于不受光線、電磁波、粉塵等的影響，其精度能達(dá)到厘米數(shù)量級(jí)的工程測(cè)距精度等的優(yōu)點(diǎn)，在橋梁、隧道、涵洞等的距離檢測(cè)中占有一定的優(yōu)勢(shì)。 本文旨在設(shè)計(jì)一 種 能對(duì) 中近距離障礙物進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量的測(cè)距裝置， 它 能對(duì) 障礙物 進(jìn)行適時(shí)、適量的 測(cè)量 ，起到 智能操作，實(shí)時(shí)監(jiān)控的作用。這種方法雖然能夠產(chǎn)生比較精 確的結(jié)果，但是其速度過慢而無法應(yīng)用于實(shí)時(shí)任務(wù)。 此外，在多數(shù)主動(dòng)傳感器系統(tǒng)中，有源光的發(fā)送器和接收器是同軸的，這 就從本質(zhì)上解決了結(jié)構(gòu)光和立體視覺方法難于解決的“消失片斷 (missing pieces)現(xiàn)象。 (2)微波雷達(dá) (Microwave Radar)的 工作原理與超聲波傳感器相同，角度分辨率高于超 聲波和紅外傳感器，低于激光傳感器，距離分辨率略高于超聲波傳感器。移動(dòng)機(jī)器人上的紅外測(cè)距傳感器，工作原理與超聲波傳感器類 似，同樣采用發(fā)射固定波長(zhǎng)的紅外線并接收同一回波的主動(dòng)方式，其探測(cè)特性與超聲波傳感器恰好相反，即：角度分辨率高，而距離分辨率低。 在實(shí)際中應(yīng)用較為廣泛的超聲波傳感器，是利用超聲波在空氣中的定向傳播和固體反射特性 (縱波 )，通過接收自身發(fā)射的超聲波反射信號(hào)，根據(jù)超聲波發(fā)出與回波接收時(shí)間差及傳播速度，計(jì)算出傳播距離，從而得到障礙物到機(jī)器人的距離。 總的來說，超聲波傳感器的造價(jià)低廉、速度快、距離分辨率較高，但其方向性差、鏡面反射嚴(yán)重、測(cè)距范圍小，因此，比較適合于室內(nèi)環(huán)境的距離測(cè)量，在室外場(chǎng)合下無法滿足應(yīng)用的要求。 本課題研究主要包括以下內(nèi)容： (1) 總體方案設(shè)計(jì) 是 根據(jù)目前 超聲波測(cè)距 技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及本課題 中超聲波測(cè)距 系統(tǒng)的功能要求 :測(cè)量距離 ～ ， 測(cè) 距 精度 177。 (8) 實(shí)時(shí)顯示測(cè) 量的距離，顯示要與語音播報(bào)同步，顯示格式為： m。 課題研究的技術(shù)路線 通過對(duì)課題設(shè)計(jì)任務(wù)要求 的全面 分析， 結(jié)合設(shè)計(jì)中所涉及各方面的內(nèi)容，可將設(shè)計(jì)過程大體分為三部分內(nèi)容：總體方案的制定、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)。并且超聲波傳感器在采集環(huán)境信息時(shí)不存在復(fù)雜的圖像匹配技術(shù)，不需要通過大量得計(jì)算而獲得距離數(shù)據(jù)，因此其測(cè)距速度快，實(shí)時(shí)性好。 (2)聲波幅值檢測(cè)法 在超聲波傳感器測(cè)距方法中聲波幅值檢測(cè)法易受反射波的影響。 超聲波在 均勻的媒質(zhì)里傳播速度是一定的，不會(huì)隨聲波頻率變化而變化，這樣只要計(jì)算出從發(fā)射出超聲波到接收到回波的這段時(shí)間差 ,再乘以聲速就能計(jì)算得出所測(cè)的距離 [7]。 所以 ,溫度每變化 1℃ ,聲波的速度變化為 0. 6m/ s。因此，在余振未消失以前，也不能啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行回波接收。 Polaroid 6500 系列超聲波模塊的原理分析 Polaroid 6500 系列超聲傳感器驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)圖如圖 22。 6500 超聲模塊有兩種工作方式：?jiǎn)位芈暷Ｊ胶筒⒙?lián)回聲模式 。 INIT 信號(hào)置高后，便會(huì)驅(qū)動(dòng)傳感器產(chǎn)生超聲脈沖輸出 (XDCR)，振幅為 0V400V 的 16 位 脈沖信號(hào)激勵(lì)傳感器產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)， 16 位脈沖信號(hào)結(jié)束時(shí)，換能器被置 200VDC 偏壓，以便進(jìn)行最佳的接收操作。接收回波時(shí)， 6500 內(nèi)的調(diào)諧電路使得只有頻率接近 的信號(hào)才能被接收，而其 它頻率的信號(hào)則被過濾。 Polaroid 6500 系列超聲波傳感器在進(jìn)行單回聲信號(hào)檢測(cè)時(shí)即單目標(biāo)測(cè)量時(shí)的時(shí)序關(guān)系圖如圖 23 所示。本設(shè)計(jì)采用單目標(biāo)探測(cè)方式，探測(cè)盲區(qū)時(shí)間間隔采用默認(rèn)值，即 [10]. 6500 系列超聲波探頭工作條件見表 21。本論文制定出了基于超聲波測(cè)距傳感器的機(jī)器人避障系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)的總體方案，利用單片機(jī)控制傳感器對(duì)障礙物進(jìn)行距離信息檢測(cè)。 單片機(jī)的選型依據(jù) STC12C5410 為一種改進(jìn)型的 51 兼容單片機(jī)，指令集及主要架構(gòu)與經(jīng)典 51 相同，硬件資源略有增加： 1)高速： 1 個(gè)時(shí)鐘 /機(jī)器周期，增強(qiáng)型 8051 內(nèi)核， 工作頻率： 0~35MHz,相當(dāng)于普通 8051:0~420MHz， 速度比普通 8051 快 8~12 倍 2) 寬電壓： ~，低功耗： 掉電模式 (),空閑模式 (),正常工 作模式 (),掉電模式可由外部中斷喚醒，適用于電池 供電的便攜式設(shè)備 。 設(shè)計(jì)要 求測(cè)距精度為 1%，即 要求測(cè)距誤差小于 177。 第 1 和 6 點(diǎn) 對(duì)于超聲波測(cè)距應(yīng)用有益，指令速度快可減少響應(yīng)延時(shí)的不確定，計(jì)時(shí)精度高可提 高分辨率，第二點(diǎn)滿足低功耗及強(qiáng)抗干擾能力的要求。因?yàn)?UART 口可以使用中斷模式，讀取軟件開銷較小，且 UART 是目前 MCU 中配置最普遍的，雖說會(huì)占用一個(gè)串口，但是現(xiàn)在多串口 MCU 越來越多，特別是 ARM 系列，如 ST 的 STM32 系列就有 23 個(gè) UART 口。 顯示屏采用 Nokia 5110 LCD，此屏是專為 移動(dòng)電話 設(shè)計(jì) 的液晶顯示模塊 ， 84*48 的點(diǎn)陣 LCD，可以顯示 4 行漢字，采用串行接口 SPI 通信，信號(hào)線僅有 5 條，傳輸速率高達(dá) 4Mbps,可全速寫入顯示數(shù)據(jù)，無等待時(shí)間，采用低電壓供電，正常顯示時(shí)的工作電流在 200uA 以下，且具有掉電模式，因此非常適合于電池供電的便攜式通信設(shè)備和測(cè)試設(shè)備中。在 f S 和 f P 處出現(xiàn) 2 個(gè)阻抗最低點(diǎn) ,因此 ,有 2 個(gè)諧振峰。 鑒于此， 在發(fā)射部分使用了變壓器升壓再驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，同時(shí)變壓器的次級(jí)與超聲波探頭構(gòu)成諧振回路，這都極大的提高發(fā)射效率，但副作用是發(fā)射后的余波時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致近距離的回波被淹沒 ，因此設(shè)計(jì)了兩種余波抑制電路。 變壓器 T1 副線圈上 , 并聯(lián)阻尼電阻 R6， 通過增加諧振回路的損耗加速余波結(jié)束，這種方式不需 要控制，但由于同時(shí)也消耗了發(fā)射的功率，所以阻值不能太小。因此 ,若要縮小盲區(qū)就要 減小余波，減少發(fā)射脈沖數(shù)目、增加阻尼都能夠有效的減少余波干擾。 發(fā)射脈沖個(gè)數(shù)決定了測(cè)距儀的測(cè)量盲區(qū) , 也影響測(cè)量精度 , 同時(shí)與信號(hào)的發(fā)射能量有關(guān)。在具體設(shè)計(jì)中 , 比較了 1 個(gè) 40KHz 脈沖方波 。此時(shí) , 從接收回波信號(hào)幅度和測(cè)量盲區(qū)兩個(gè)方面來衡量比較淮南師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 17 適中。 由于不同距離的回波脈沖幅度差異較大 ,回波到達(dá)時(shí)間產(chǎn)生不確定性 ,導(dǎo)致測(cè)量誤差產(chǎn)生。另外，由于輸入信號(hào)為正弦波，因此必須將放大電路設(shè)計(jì)成交流放大電路?？捎绍浖硗瓿稍鲆媲袚Q，切換的原理 是先進(jìn)行大增益搜索回波，一旦發(fā)現(xiàn)回波但后繼無回波的情況，說明增益過大，必須減少一級(jí)增益。 R1 及 R2 為第一級(jí)運(yùn)放的輸入和反饋電阻， 通過改變兩者比值 可方便的改變 輸入的 靈敏度 。 圖 37 TL851 內(nèi) 部功能框圖 實(shí)測(cè)中，采用時(shí)間增益放大器后， 測(cè)距范圍從 提高到 ，而相對(duì)誤差不超過 %。電壓比較器的閾值電壓過大 ,過小都是不適宜的。 不一定是第一個(gè)回波的過零點(diǎn)觸發(fā) 。 若沒有采用時(shí)間增益放大器，假設(shè) 本次設(shè)計(jì)發(fā)出的超聲波頻率為 40 K,寬度為 5 個(gè)周期 ,距離較遠(yuǎn)時(shí)在回波的第 4 周才發(fā)出停止計(jì)時(shí)的信號(hào)。此時(shí) T0 所記錄的CPU 發(fā)送脈沖信號(hào)的前沿到回波脈沖信號(hào)之間的 時(shí)間才是需要的。 DS18B20 是美國(guó)公司推出的 DS1820 替代產(chǎn)品，具有 11 和 12 位轉(zhuǎn)換精度，未編程時(shí)默認(rèn)精度為 12 位，測(cè)量精度 一般為℃，軟件處理后可達(dá) ℃。 DS18B20 的引腳判斷方法是：字面朝人，從左 到右分別是 1（ GND）、 2（輸入 /輸出）、 3（ VDD）。 圖 41 為控制電路功能框圖，具體原理圖見附錄 C。超聲波測(cè)距模 塊如圖 213。 淮南師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 28 圖 43 NOKIYA 5110 LCD 語音模塊 WT588D 電路 WT588D 是一款功能強(qiáng)大的可重復(fù)擦除 燒寫的語音單片機(jī)芯片。 另外， 220 段可控制地址位，單個(gè)地 址位最多可加載 128 段語音，地址位內(nèi)的語音可組合播放。 淮南師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 29 圖 44 語音模塊 WT588D 電路 串行通信接口電路 為了實(shí)現(xiàn) AVR 單片機(jī)與 STC 控制功能單片機(jī)系統(tǒng)的串行通信，控制電路設(shè)計(jì)中特設(shè)計(jì)了單片機(jī)串行通信接口電路。 系統(tǒng)控制選用了 STC與 AVR 雙 單片機(jī) 方案 ， 并根據(jù)需要設(shè)計(jì)了其外圍擴(kuò)展電路，最后完成了 系統(tǒng)測(cè)距 總 控制電路 圖 的設(shè)計(jì) 。機(jī)器語言一般只在簡(jiǎn)單的開發(fā)裝置中使用，程序的設(shè)計(jì)、輸入、修改和調(diào)試都很麻煩。 (3)高級(jí)語言 (Highlevel Language)是 在匯編語言的基礎(chǔ)上用自然語言語句來編寫程序，程序可讀性強(qiáng)，通用性好，適用于不熟悉單片機(jī)指令系統(tǒng)的用戶。在本設(shè)計(jì)中 根據(jù)課題所涉及的輪 椅機(jī)器人避障功能要求，結(jié)合 課題的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境， 總結(jié)出 本系統(tǒng)的軟件應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能： (1)控制超聲波發(fā)射、接收傳感器的工作狀態(tài)； (2)測(cè)出超聲波信號(hào)的往返時(shí)間， 利用超聲測(cè)距公式 計(jì)算出障礙物與機(jī)器人的距離； (3)能根據(jù)用戶的需求，改變傳感器模塊工作流程。 實(shí)現(xiàn)此智能化功能，除了 要設(shè)計(jì)出各 傳感器的測(cè)距功能控制 子 程序，還 需 設(shè)計(jì)出 系統(tǒng) 總 控制程序。根據(jù)硬件電路的設(shè)計(jì)，規(guī)劃出了硬件電 路工作的程序功能框圖，并針對(duì) 測(cè)距 系統(tǒng)的超聲波 設(shè)計(jì)出了 程序模塊來控制測(cè)距過程；最后根據(jù)劃分的 各部分程序功能模塊，提出了系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)要求。驅(qū)動(dòng)波形測(cè)量 D882 的 C 端，也就是跳線器上。 當(dāng)改變 R5 的數(shù)值時(shí)， 圖 64 右側(cè)波形會(huì)發(fā)生變化，此外，要想確定是否達(dá)到諧振狀態(tài)，可檢測(cè)沒有余波抑制時(shí)的余波信號(hào)，此時(shí)的頻率即為諧振頻率 (圖中用余波抑制控制信號(hào)來指明后面的波不是由 MCU 產(chǎn)生的 )。 淮南師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 38 圖 67 圖 67 為增益控制最低位 GCA 的波形，注意圖中光標(biāo)所示的時(shí)間，對(duì)照 TL851 資料，確定增益控制有效后，檢測(cè) SOUT 端（或者 C14），可以看到輸出。這個(gè)功能在設(shè)計(jì)程序時(shí)確定是否需要，此處只是作為參考。 測(cè)試用儀器： 卷尺 、秒表、溫度計(jì) 測(cè)試數(shù)據(jù) 室內(nèi)環(huán)境測(cè)試結(jié)果 當(dāng)時(shí)環(huán)境 溫度 ： ℃ 次數(shù) 項(xiàng)目 單位（ m） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 卷尺測(cè)距值 顯示 測(cè)距值 測(cè)距誤差 顯示速度值 室外環(huán)境測(cè)試結(jié)果 當(dāng)時(shí) 環(huán)境溫度 ： ℃ 次數(shù) 項(xiàng)目 1 2 3 4 5 6 7 8 9 卷 尺 測(cè) 距值 顯示 測(cè)距值 測(cè)距誤差 顯 示 速 度值 淮南師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 41 溫度的影響 理想環(huán)境下 ，超聲波在一種介質(zhì)