【正文】 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。 展望 移動機(jī)器人研究的一個基本問題是安全避障，實現(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，采用超聲裝置實現(xiàn)移動機(jī)器人探測功能。 39 第六章 總結(jié)與展望 總結(jié) 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。 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，將發(fā)射波得繞射，當(dāng)障礙物距離大于波長的一半時才能反射。 37 第五章 系統(tǒng)設(shè)計的問題與特點 多次反射問題 當(dāng) 障礙物較雜亂的時候，超聲波存在多次反射現(xiàn)象。 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 ；讀取時間值 MOV R6, TL0 CLR C MOV A, R6 SUBB A, 0BBH；計算時間差 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 。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。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。靜態(tài)驅(qū)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(qū)動 5 個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要 58 ＝ 40 根 I/O 端口來驅(qū)動，要知道一個 89S51 單片機(jī)可用的 I/O 端口才 32 個 ，實際應(yīng)用時必須增加譯碼驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動，增加了硬件電路的復(fù)雜性。 到 為段接口， 3 個控制端 T0、 T1 和 作為動態(tài)顯示的位選信號，考慮到單片機(jī)的驅(qū)動能力有限，采用 3 個 PNP 型三極管 9012 來提高端口的驅(qū)動能力。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(dǎo)線也可以看成是一個電感的），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。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。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。 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。 超聲波接收電路 超聲波接收電路原理圖如圖 3— 8所示。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 20 ? 、 20，在單片機(jī)的 20 個引腳中，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 。本設(shè)計采用內(nèi)部方式，晶振用 。 微處理器電路 18 微處理器電路原理圖如圖 3— 5 所示。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(hù)二極管V2(IN4007)，其具體作用是在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(hù)集成穩(wěn)壓器內(nèi)部調(diào)整管。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。量程主要決定于接收信號的幅值應(yīng)大于規(guī)定的闡值。 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間確定距離，聲速 c 必須恒定，實際上聲速隨介質(zhì)、溫度、壓力等變化而變化。 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。 超聲波測量中盲區(qū)及近限和遠(yuǎn)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(yuǎn)也不能太近，存在著距離測量的近限和遠(yuǎn)限 [5]。 單片機(jī)實現(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)射和接收回波的時時間差 t，然后求出距離 S=Ct/2，式中的 C 為超聲波波速。溫度越高聲速越大 , 溫度越低聲速越小。 脈沖法測距的原理如圖 2— 4 所示。 圖 超聲波發(fā)射傳感器的發(fā)射頻率特性 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。而在 f0 兩測，聲壓能級迅速減小。這一現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。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]。本儀器是現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)的液位測量子功能模塊。 由物理學(xué)可知，當(dāng)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(dāng)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。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。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。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?？勺鬟B續(xù)測距和單次測距 。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。因此超聲裝置在移動機(jī)器人探測功能等方面有廣泛應(yīng)用。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖。 在社會生活 中 超聲裝置在移動機(jī)器人探測功能中的應(yīng)用 已 很廣泛 ，如汽車倒車?yán)走_(dá)、測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。 整個電路采用模塊化設(shè)計，由主程序、預(yù)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。超聲測距是一種非接觸式的檢測方式。 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。 深圳長泉機(jī)電 Camp。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(jié)合是主要的降低傳輸時間不確定度的方法。在科學(xué)史上，聲學(xué)是發(fā)展最早的學(xué)科之一。對于液體介質(zhì)，只能傳播縱波。在聲速已知的介質(zhì)中，可以利用身波傳播距離 L 和傳播時間 t 的關(guān)系L=vt，進(jìn)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(yīng)用。 超聲波在彈性介質(zhì)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(kuò)展而產(chǎn)生的能量損失； (2)超聲波在介質(zhì)中的散射而產(chǎn)生的能量損失，即散射衰減； (3)由于介質(zhì)內(nèi)耗所產(chǎn)生的吸收衰減。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(bǔ)償。常見的壓電材料有石英晶體、壓電陶瓷、壓電半導(dǎo)體、高分子壓電材料等，壓電效應(yīng)包括正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。 超聲波傳感器的基本特性分為頻率特性和指向特性。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。超聲波傳感器的指向角一般為 40 度～ 80 度 [5]。 T 為熱力學(xué)溫度。 在 25 ℃時 , ? ?0 .1 7 3 1 4 2 5 1 5s N m m? ? ?為本儀器的距離計算公式。 表 波速與溫度的關(guān)系 溫度 （ ℃ ） 30 20 10 0 10 20 30 100 聲速 （ m／ s） 313 319 325 323 338 344 349 386 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 。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。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)。 (2)采用自動距離增益控制 14 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(yuǎn)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(yīng)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。 15 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 電路工作原理及設(shè)計 主要由單片機(jī)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。L7805CV 的外形如圖 3— 3所示。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(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流發(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。對外接電容 C C2 雖然沒有十分嚴(yán)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 19 度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，建議電容使用 30pF177。20 代表 2K 字節(jié)； 52 代表RAM是 256 字節(jié) ； AD 表示有 A/D 轉(zhuǎn)換功能。 圖 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。12≈ KHz≈38 KHz。 圖 CX20206 引腳圖 25 圖 中，引腳從上至下依次為 8 。例如，取 R=200kΩ 時， f0≈42kHz ，若取 R=220kΩ ，則中心頻率 f0≈38kHz 。 8腳：電源正極， ～ 5V。 27 顯示電路 顯示電路原理圖如圖 3— 10所示。 數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)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(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類 。當(dāng)機(jī)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(jī)，單片機(jī)通過中斷的方式向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，主機(jī)與單片機(jī)通過串行口相連。 (4)單片機(jī)捕獲計數(shù)值，調(diào)用及計算程序 。由于采用的是 12MHZ 的晶振，計數(shù)器每記一個數(shù)就