【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(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波和超聲波轉(zhuǎn)換模塊的控制。另一方面，可使遠(yuǎn)處的回波信號(hào)的幅度增大，以提高測(cè)量的精度 。但是，由于接收電路多少會(huì)受到發(fā)射電路的感應(yīng)，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(shí)際上仍存在一 定的盲區(qū)，不過(guò)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(hào)需要規(guī)定一個(gè)值，接收信號(hào)必須大于這個(gè)值，才能有輸出信號(hào)。波速確定后，只要測(cè)得超聲波往返時(shí)間 t，即可求得距離 S。電路中未用溫度傳感器 ,所以僅進(jìn)行常溫下的聲速補(bǔ)償 : v = 346. 285 m/ s。對(duì)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(dòng)。 頻率特性 圖 2— 2 是超聲波的頻率特性曲線。 逆壓電效應(yīng)是指將具有逆壓電效應(yīng)的介質(zhì)置于電場(chǎng)中，由于電場(chǎng)作用介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)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(chǎng)強(qiáng)度成正比。且 各種溫度傳感器均可用于本系統(tǒng)的溫度補(bǔ)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(yīng)。 聲阻 抗是當(dāng)聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)，在兩個(gè)介質(zhì)的分界面上一部分超聲波被反射，另一部分透射過(guò)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(guān)系。然而，由于超聲是人耳聽(tīng)不到的信號(hào)，直到 18 世紀(jì)，人們才開(kāi)始研究海豚、蝙蝠等動(dòng)物時(shí)，才推測(cè)自然界存在超聲。廈門大學(xué)的童峰提出了一種回波輪廓分析法，該方法在測(cè)距中通過(guò)兩次探測(cè)求取回波輪廓包絡(luò)曲線來(lái)求得回波的起點(diǎn)，通過(guò)這種方法使測(cè)量精度有了很大的提高。Q 超聲波超聲測(cè)距儀能快速測(cè)算距離、面積、體積，操作簡(jiǎn)易，使用方便，便宜實(shí)用，在建筑裝飾、房產(chǎn)評(píng)估、園林綠化、展館布置、管線鋪設(shè)、體育活動(dòng)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。而由于超聲波的速度相對(duì)光速小的多，其傳播時(shí)間比較容易檢測(cè)，并且易于定向發(fā)射，方向性好，強(qiáng)度好控制，因而人類采用仿真技能利用超 2 聲波測(cè)距。與其它方法相比 ,如電磁的或光學(xué)的方法 ,它不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等影響。 各探頭的信號(hào)經(jīng)單片機(jī)綜合分析處理，實(shí)現(xiàn) 超聲 裝置在移動(dòng)機(jī)器人中的測(cè)距及避障 。 I 超聲裝置在移動(dòng)機(jī)器人探測(cè)功能中的應(yīng)用 摘 要 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。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體方案，最后通過(guò)硬件和軟件實(shí)現(xiàn)了各個(gè)功能模塊。對(duì)于被測(cè)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(yīng)能力。超聲波測(cè)距是一種利用超聲波特性、電子技術(shù)、光電開(kāi)關(guān)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)非接觸式距離測(cè)量的方法?？蓛?chǔ)存 2 個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)或計(jì)算 結(jié)果，可計(jì)算面積和體積 。意大利的 Carullo 等人介紹了一種自適應(yīng)系統(tǒng)，發(fā)射特殊的波形來(lái)獲得好的回波包絡(luò)，設(shè)置一定的回波開(kāi)啟電平，并采用自動(dòng)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(jī)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(cè)量過(guò)程中，聲波信號(hào)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(cè)量聲波的整個(gè)運(yùn)行時(shí)間 ， 從而實(shí)現(xiàn)物位的測(cè)量。 為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。如電場(chǎng)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(jī)械波 最強(qiáng)，也就是說(shuō)，在 f0 處所產(chǎn)生的超 8 聲波聲壓能級(jí)最高。因此，超聲波接收器應(yīng)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(cè)距 超聲測(cè)距原理 為了使移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)避障，就必須裝備測(cè)距系統(tǒng)， 以使其及時(shí)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(xué)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(huì)略有改動(dòng)。其系統(tǒng)原理框圖如圖 所示 圖 測(cè)距系統(tǒng)原理框圖 單片機(jī)發(fā)出短暫的 40kHz 信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大后通過(guò)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(duì)此信號(hào)鎖定，產(chǎn)生鎖定信號(hào) 12 啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，得出時(shí)間 t，再由系統(tǒng)軟件對(duì)其進(jìn)行計(jì)算、判別后，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果被送至 LED 顯示。這就構(gòu)成了遠(yuǎn)限的問(wèn)題。 所以，在本實(shí)驗(yàn)中，我們選取了雙探頭的工作方式，減小盲區(qū)，同時(shí)提高檢測(cè)的距離精度。 (3)信噪比問(wèn)題 超聲波測(cè)距儀都有確定的量程。單片機(jī)通過(guò) INT0 引腳來(lái)控制超聲波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停的檢測(cè) INT1 引腳，當(dāng) INT0 引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就 認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。同時(shí)在輸出端上接入電容 C0，其值為 100uF,以改善負(fù)載的瞬態(tài)響 17 應(yīng)。這個(gè)電源就是根具其基本原組成在其基礎(chǔ)上按實(shí)際需要和實(shí)際情況設(shè)計(jì)的。10 pF連接方式。 圖 STC12C2052 單片機(jī)引腳 STC12C2052 為 20 引腳小型封裝， 2K 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器， 15 個(gè)可編程 I/O 線，沒(méi)有 P0 口和 P2 口的 16 根 I/O 線，內(nèi)部集成了一個(gè)模擬比較器。 23 超聲波測(cè)距的制作和調(diào)試 都較為簡(jiǎn)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(shí)應(yīng)保持 兩換能器 中心軸線平行并相距 4～ 8cm，其余元件無(wú)特殊要求 ，若 將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來(lái)，那可以大大提高抗干擾能力。 24 本設(shè)計(jì)中就是利用這一芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)接收電路，實(shí)驗(yàn)證明用集成電路CX20206A 接收超聲波（無(wú)信號(hào)時(shí)輸出高電平），具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。 2 腳：該腳與地之間連接 RC 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)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(shí)驗(yàn)證明其具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。大家知道，電感對(duì)高頻信號(hào)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(shí)用性的問(wèn)題 ，采用動(dòng)態(tài)顯示的方法進(jìn)行顯示。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)是指每個(gè)數(shù)碼管 的每一個(gè)段碼都由一個(gè)單片機(jī)的 I/O 端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者使用如 BCD 碼二 十進(jìn)制譯 29 碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 30 圖 機(jī)器人避障控制系統(tǒng) 單 片 機(jī) 主 機(jī) 發(fā)射電路 接收電路 發(fā)射探頭 接受探頭 障礙物 兩側(cè)障礙物距離信息 前方障礙物距離信息 模糊控制器 運(yùn)動(dòng)速度 旋轉(zhuǎn)角度 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)模塊 31 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)的總體方案 超聲波測(cè)距 和避障 系統(tǒng)的軟件部分是針對(duì)系統(tǒng)所需要實(shí)現(xiàn)的功能，以軟件模塊化設(shè)計(jì)的思路來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。 主程序流程圖 超聲波測(cè)距與避障系統(tǒng)的軟件流程見(jiàn)圖 ，根據(jù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)要求，軟件設(shè)計(jì)包括以下 2 個(gè)模塊：主程序流程、中斷程序流程。測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制 BCD 碼方式送往 LED 顯示約 ，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過(guò)程。由于采用的是 12MHZ 的晶振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是 1us，當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器 T0 中的數(shù)（即超聲波來(lái)回所用的時(shí)間）讀出，然后加以計(jì)算，就可以得出被測(cè)物體與測(cè)距器之間的距離，假設(shè)本設(shè)計(jì)中取 20℃ 時(shí)的聲速為 344m/s，則 如公式 ()進(jìn)行計(jì)算。盲區(qū)信號(hào)可以采用軟件延時(shí)開(kāi)中斷的方法，在發(fā)射后延時(shí)一段時(shí)間，避開(kāi)串?dāng)_信號(hào)后再開(kāi)中斷。由于發(fā)射功率不大，當(dāng)距離超聲波 1m時(shí)，接收到的信號(hào)極其微弱，雜波成分很大。 從以上結(jié)果可以看出，移動(dòng)機(jī)器人探測(cè)技術(shù)是一個(gè)理 論與實(shí)際結(jié)合非常緊密的前沿技術(shù)，涉及到多學(xué)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(xué)識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)，強(qiáng)烈的責(zé)任感，給我莫大的幫助，使我開(kāi)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(shè)計(jì)方面進(jìn)行自己的思考，其次在細(xì)節(jié)上又能循循善導(dǎo)，提出我設(shè)計(jì)的不足和 改進(jìn)辦法，培養(yǎng)了從事研究工作的能力。感謝我的同學(xué)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程，通過(guò)與同學(xué)們相互討論心得、相互鼓勵(lì)，使我對(duì)大學(xué)所學(xué)專業(yè)課程有了更全面的理解和初步的應(yīng)用。本篇超聲裝置在移動(dòng)機(jī)器人探測(cè)功能的應(yīng)用的設(shè)計(jì)方案雖已能完成機(jī)器人的測(cè)距和避障，但在設(shè)計(jì)中還有很多沒(méi)加進(jìn)去的性能及需要改進(jìn)的地方，也是以后要努力的方向，主要包括以下幾個(gè)方面： (1) 超聲波的測(cè)量距離與環(huán)境直接相關(guān)，由于本設(shè)計(jì) 中所用設(shè)定溫度為常溫，故應(yīng)用范圍相對(duì)較小。超聲波測(cè)距由于其能進(jìn)行非接觸測(cè)量和相對(duì) 較 高的精度，越來(lái)越被人們所重視。設(shè)計(jì)采用的超聲波傳感器的發(fā)射頻率為 39 ，響應(yīng)半波長(zhǎng)為 ，因此最小側(cè)到 的障礙物。在實(shí)驗(yàn)中，將超聲波傳感器指 向房間一個(gè)堆有雜亂物體的角落，超聲波經(jīng)過(guò)多次折射后，引起的接收系統(tǒng)不斷動(dòng)作。內(nèi)部中斷 服務(wù) 子程序 完成超聲波的定時(shí)發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時(shí)間外中斷入口 關(guān)中斷 EA，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行壓棧處 判斷 是否為零 比較寄存器的值相應(yīng)加 1 顯示子程序顯示設(shè)定值 延時(shí) 出棧處 返回 36 的讀取，距離計(jì)算，結(jié)果的輸出等工作。在中斷中，實(shí)現(xiàn)距離的計(jì)算及與上位機(jī)的通訊功能。軟件系統(tǒng)流程圖如圖所示。 ② 動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)：數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的 8 個(gè)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(gè)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(dú)立的 I/O 線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)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(kāi)，該位就顯示出字形，沒(méi)有選通的數(shù)碼管就不會(huì)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(lái)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(lán)、紫等各種單色光，發(fā)光二極管可以有多種形式，而應(yīng)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(hào)都可以很好的通過(guò)，就采用一個(gè)大電容再并上一個(gè)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(huì)影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動(dòng)，推薦選用參數(shù)為 R1= ，C1=1μF 。典型應(yīng)用電路如