【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(kāi)同課題組其他同學(xué)們的幫助，在此感謝他們。 展望 移動(dòng)機(jī)器人研究的一個(gè)基本問(wèn)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(duì)于測(cè)距和障礙探測(cè)，采用超聲裝置實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人探測(cè)功能。 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(duì)距離或長(zhǎng)度測(cè)量的要求越來(lái)越高。 可測(cè)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(zhǎng)的一半時(shí)，將發(fā)射波得繞射，當(dāng)障礙物距離大于波長(zhǎng)的一半時(shí)才能反射。 37 第五章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的問(wèn)題與特點(diǎn) 多次反射問(wèn)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。 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(chǔ)結(jié)果 MOV A, R7 34 SUBB A, 3CH MOV 30H, A SETB EX0 ；開(kāi)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(hào)處理電路發(fā)射超聲波；當(dāng)處理器檢測(cè)到接收電路的中斷請(qǐng)求后，進(jìn)入中斷程序。系統(tǒng)的主要功能是距離測(cè)量，整個(gè)系統(tǒng)軟件程序包括主程序、測(cè)距子程序、顯示子程序以及各種中斷子程序。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)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(lái)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。 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(hào)，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(lái)提高端口的驅(qū)動(dòng)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(xiàn)，就減小了 ESL，因?yàn)橐欢螌?dǎo)線(xiàn)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(duì)低頻信號(hào)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(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。 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?yàn)閺目啃酒娜笨冢ㄒ?jiàn)上圖）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 。本設(shè)計(jì)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(guò)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(guò)二極管放電，以保護(hù)集成穩(wěn)壓器內(nèi)部調(diào)整管。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(guò)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(hào)的幅值應(yīng)大于規(guī)定的闡值。 提高測(cè)距儀性能的若干措施 聲速校正 要想通過(guò)測(cè)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。 在使用一個(gè)探頭的情況下，發(fā)射信號(hào)的幅值要維持到低于引起探頭振動(dòng)時(shí)，接收信號(hào)才基本上擺脫了發(fā)射信號(hào)的影響而能夠明顯 地分辨出來(lái)。 超聲波測(cè)量中盲區(qū)及近限和遠(yuǎn)限 用往返時(shí)間檢測(cè) 法測(cè)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(cè)量的近限和遠(yuǎn)限 [5]。 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)距原理 單片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)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。溫度越高聲速越大 , 溫度越低聲速越小。 脈沖法測(cè)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(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(méi)有指向性。而在 f0 兩測(cè)，聲壓能級(jí)迅速減小。這一現(xiàn)象稱(chēng)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(chēng)為超聲波換能器，或者超聲波探頭 [ 4]。本儀器是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的液位測(cè)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(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。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(dòng)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(guò)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和小波變換理論來(lái)提高測(cè)量精度?？勺鬟B續(xù)測(cè)距和單次測(cè)距 。因?yàn)樗欠墙佑|式的，所以它就能夠在某些特定場(chǎng)合或環(huán)境比較惡劣的情況下使用。因此超聲裝置在移動(dòng)機(jī)器人探測(cè)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(huì)生活 中 超聲裝置在移動(dòng)機(jī)器人探測(cè)功能中的應(yīng)用 已 很廣泛 ，如汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)、測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。 整個(gè)電路采用模塊化設(shè)計(jì)，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(cè)距是一種非接觸式的檢測(cè)方式。 距離是在不同的場(chǎng)合和控制中需要檢測(cè)的一個(gè)參數(shù)，測(cè)距成為數(shù)據(jù)采集中要解決的一個(gè)問(wèn)題。 深圳長(zhǎng)泉機(jī)電 Camp。許多人提出采用降低傳輸時(shí)間的不確定度來(lái)提高測(cè)量精度，目前，相位探測(cè)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(shí)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(duì)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(shí)間 t 的關(guān)系L=vt，進(jìn)行超聲測(cè)距，超聲液位計(jì)和超聲測(cè)厚計(jì)就是這方面的典型應(yīng)用。 超聲波在彈性介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)發(fā)生能量的衰減，其產(chǎn)生原因可分為三個(gè)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(cè)量更精確 ， 鑒于聲速受溫度影響最大 ,測(cè)距數(shù)據(jù)處理過(guò)程采用了溫度補(bǔ)償。常見(jiàn)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(xiàn)變的平滑而 且具有放寬的帶寬，同時(shí)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(shí) , ? ?0 .1 7 3 1 4 2 5 1 5s N m m? ? ?為本儀器的距離計(jì)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(cè)距時(shí)由于溫度 變化，可通過(guò)溫度傳感器自動(dòng)探測(cè)環(huán)境溫度、確定計(jì)算距離時(shí)的波速 C，較精確地得出該環(huán)境下超聲波經(jīng)過(guò)的路程 。同時(shí)，接收信號(hào)的衰減程度總是要比發(fā)射信號(hào)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(shuō)，可以沒(méi)有盲區(qū)。 (2)采用自動(dòng)距離增益控制 14 采用具有自動(dòng)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(shí)的增益較大，這樣一方面發(fā)射信號(hào)的余震幅度變小，相應(yīng)的延續(xù)時(shí)間縮短，可以分辨出近處的接受回波信號(hào)，故可使盲區(qū)減少。 15 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 電路工作原理及設(shè)計(jì) 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(chǔ)能元件組成，它的作用是盡量將單向脈動(dòng)電壓中的脈動(dòng)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(shí)，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(duì)外接電容 C C2 雖然沒(méi)有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會(huì)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(cè)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(shí)間間隔，被測(cè)物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖個(gè)數(shù)與被測(cè)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(shí)， 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(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)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(dòng)方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類(lèi) 。當(dāng)機(jī)器人遇到障礙物時(shí)，超聲測(cè)距系統(tǒng)將獲得的距離信息送入單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)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(guò)串行口相連。 (4)單片機(jī)捕獲計(jì)數(shù)值，調(diào)用及計(jì)算程序 。由于采用的是 12MHZ 的晶振，計(jì)數(shù)器每記一個(gè)數(shù)就