【正文】 了改善紋波電壓，在輸入端接入電容 C0，其值為 100uF。利用單片機來實現(xiàn)對超聲波和超聲波轉換模塊的控制。另一方面，可使遠處的回波信號的幅度增大，以提高測量的精度 。但是，由于接收電路多少會受到發(fā)射電路的感應，并且發(fā)射探頭所發(fā)出的超聲波可能有部分直接繞道接收探頭，因此實際上仍存在一 定的盲區(qū)，不過它要比單探頭方式的盲區(qū)小很多。為了保證一定的信噪比，接收信號需要規(guī)定一個值，接收信號必須大于這個值，才能有輸出信號。波速確定后，只要測得超聲波往返時間 t，即可求得距離 S。電路中未用溫度傳感器 ,所以僅進行常溫下的聲速補償 : v = 346. 285 m/ s。對于一定的氣體 r 、μ為定值。超聲波傳感器指向特性圖如圖 2— 3 所示。并且最大靈敏度向著稍低的頻率移動。 頻率特性 圖 2— 2 是超聲波的頻率特性曲線。 逆壓電效應是指將具有逆壓電效應的介質(zhì)置于電場中，由于電場作用介質(zhì)內(nèi)部正負電荷中心發(fā)生位置變化，這種位置變化在宏觀上表現(xiàn)為產(chǎn)生了形變，形變與電場強度成正比。且 各種溫度傳感器均可用于本系統(tǒng)的溫度補償。 超聲波傳感器 超聲波傳感器的工作原理是陶瓷的壓電效應。 聲阻 抗是當聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)，在兩個介質(zhì)的分界面上一部分超聲波被反射，另一部分透射過界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。聲速參數(shù)與聲介質(zhì)、聲阻抗及生衰減等有很大關系。然而，由于超聲是人耳聽不到的信號，直到 18 世紀，人們才開始研究海豚、蝙蝠等動物時，才推測自然界存在超聲。廈門大學的童峰提出了一種回波輪廓分析法，該方法在測距中通過兩次探測求取回波輪廓包絡曲線來求得回波的起點，通過這種方法使測量精度有了很大的提高。Q 超聲波超聲測距儀能快速測算距離、面積、體積，操作簡易，使用方便，便宜實用，在建筑裝飾、房產(chǎn)評估、園林綠化、展館布置、管線鋪設、體育活動等領域有廣泛應用。而由于超聲波的速度相對光速小的多，其傳播時間比較容易檢測，并且易于定向發(fā)射，方向性好，強度好控制，因而人類采用仿真技能利用超 2 聲波測距。與其它方法相比 ,如電磁的或光學的方法 ,它不受光線、被測對象顏色等影響。 各探頭的信號經(jīng)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 。 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。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。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。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。可儲存 2 個測量數(shù)據(jù)或計算 結果，可計算面積和體積 。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。聲波是一種能在氣體、液體和固體中傳播的機械波。 聲速是隨著介質(zhì)及其狀態(tài) (如溫度 )的不同而不同。這樣的兩種情況稱之為聲波的反射和折射。超聲波傳感器在測量過程中，聲波信號由傳感器發(fā)出經(jīng)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。 為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。如電場反向，則形變亦相反。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(chǎn)生的超聲機械波 最強，也就是說，在 f0 處所產(chǎn)生的超 8 聲波聲壓能級最高。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。 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） 。由公式可知 :聲速與熱力學溫度的平方根成正比。在其它情況下 ,可根據(jù)具體需要而程序會略有改動。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(jīng)過放大后通過超聲波換能器輸出，反射后的超聲波經(jīng)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(chǎn)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。這就構成了遠限的問題。 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。 (3)信噪比問題 超聲波測距儀都有確定的量程。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(jīng)返回。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。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。10 pF連接方式。 圖 STC12C2052 單片機引腳 STC12C2052 為 20 引腳小型封裝， 2K 內(nèi)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(nèi)部集成了一個模擬比較器。 23 超聲波測距的制作和調(diào)試 都較為簡單 ，其中超聲波發(fā)射和接收采用超聲波 傳感器 TCT4010F1（ T 發(fā) 射）和 TCT4010S1（ R 接收），中心頻率為 40KHz，安裝時應保持 兩換能器 中心軸線平行并相距 4～ 8cm，其余元件無特殊要求 ，若 將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，那可以大大提高抗干擾能力。 24 本設計中就是利用這一芯片來實現(xiàn)檢測接收電路，實驗證明用集成電路CX20206A 接收超聲波（無信號時輸出高電平），具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。 2 腳：該腳與地之間連接 RC 串聯(lián)網(wǎng)絡，它們是負反饋串聯(lián)網(wǎng)絡的一個組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。實驗證明其具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。大家知道，電感對高頻信號的阻抗是很大的，所以，大電容的高頻性能不好?？紤]到節(jié)省管腳和實用性的問題 ，采用動態(tài)顯示的方法進行顯示。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管 的每一個段碼都由一個單片機的 I/O 端口進行驅(qū)動，或者使用如 BCD 碼二 十進制譯 29 碼器譯碼進行驅(qū)動。 30 圖 機器人避障控制系統(tǒng) 單 片 機 主 機 發(fā)射電路 接收電路 發(fā)射探頭 接受探頭 障礙物 兩側障礙物距離信息 前方障礙物距離信息 模糊控制器 運動速度 旋轉角度 機器人驅(qū)動模塊 31 第四章 系統(tǒng)軟件設計 軟件設計的總體方案 超聲波測距 和避障 系統(tǒng)的軟件部分是針對系統(tǒng)所需要實現(xiàn)的功能，以軟件模塊化設計的思路來進行設計的。 主程序流程圖 超聲波測距與避障系統(tǒng)的軟件流程見圖 ，根據(jù)系統(tǒng)的硬件設計要求，軟件設計包括以下 2 個模塊：主程序流程、中斷程序流程。測出距離后結果將以十進制 BCD 碼方式送往 LED 顯示約 ，然后再發(fā)超聲波脈沖重復測量過程。由于采用的是 12MHZ 的晶振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是 1us，當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數(shù)器 T0 中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）讀出，然后加以計算，就可以得出被測物體與測距器之間的距離，假設本設計中取 20℃ 時的聲速為 344m/s，則 如公式 ()進行計算。盲區(qū)信號可以采用軟件延時開中斷的方法，在發(fā)射后延時一段時間，避開串擾信號后再開中斷。由于發(fā)射功率不大，當距離超聲波 1m時，接收到的信號極其微弱，雜波成分很大。 從以上結果可以看出，移動機器人探測技術是一個理 論與實際結合非常緊密的前沿技術，涉及到多學科的交叉和超聲波傳感器數(shù)據(jù)的融合。王老師淵博的學識，嚴謹?shù)膶W風，強烈的責任感，給我莫大的幫助，使我開闊了視野，首先他給了我很大的自由空間和充分的信任，促使我在設計方面進行自己的思考，其次在細節(jié)上又能循循善導，提出我設計的不足和 改進辦法，培養(yǎng)了從事研究工作的能力。感謝我的同學，在畢業(yè)設計過程，通過與同學們相互討論心得、相互鼓勵，使我對大學所學專業(yè)課程有了更全面的理解和初步的應用。本篇超聲裝置在移動機器人探測功能的應用的設計方案雖已能完成機器人的測距和避障，但在設計中還有很多沒加進去的性能及需要改進的地方，也是以后要努力的方向，主要包括以下幾個方面： (1) 超聲波的測量距離與環(huán)境直接相關，由于本設計 中所用設定溫度為常溫，故應用范圍相對較小。超聲波測距由于其能進行非接觸測量和相對 較 高的精度，越來越被人們所重視。設計采用的超聲波傳感器的發(fā)射頻率為 39 ，響應半波長為 ，因此最小側到 的障礙物。在實驗中，將超聲波傳感器指 向房間一個堆有雜亂物體的角落，超聲波經(jīng)過多次折射后，引起的接收系統(tǒng)不斷動作。內(nèi)部中斷 服務 子程序 完成超聲波的定時發(fā)射，外部中斷服務子程序主要完成時間外中斷入口 關中斷 EA，保護現(xiàn)場進行壓棧處 判斷 是否為零 比較寄存器的值相應加 1 顯示子程序顯示設定值 延時 出棧處 返回 36 的讀取，距離計算，結果的輸出等工作。在中斷中，實現(xiàn)距離的計算及與上位機的通訊功能。軟件系統(tǒng)流程圖如圖所示。 ② 動態(tài)顯示驅(qū)動：數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的 8 個顯示筆劃 a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每 個數(shù)碼管的公共極 COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的 I/O 線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通 COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。 圖 超聲波顯示電路原理圖 28 其中的 發(fā)光二極管 LED 顯示模塊通常用來顯示數(shù)字和狀態(tài)，發(fā)光二極管根據(jù)不同制造材料，可發(fā)出紅、黃、藍、紫等各種單色光，發(fā)光二極管可以有多種形式，而應用最多的是七段發(fā)光二極管顯示模塊。所以，如果我們?yōu)榱俗尩皖l、高頻信號都可以很好的通過，就采用一個大電容再并上一個小電容的方式。 CX20206A 的第 5 腳的電阻決定接收的中心頻率， 200k 的電阻決定了接收的中心頻率為 40KHz。但 C1 的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，推薦選用參數(shù)為 R1= ，C1=1μF 。典型應用電路如