【文章內(nèi)容簡介】 量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。 為了使移動(dòng)機(jī)器人能自動(dòng)避障行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時(shí)獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。 超聲波測距原理 超聲波發(fā)生器 為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 壓電式超聲波發(fā)生器原理 壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。 超聲波測距原理 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2 。這就是所謂的時(shí)間差測距法。 超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達(dá)原理是一樣的。 測距的公式表示為：L=CT 式中L為測量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測量距離傳播的時(shí)間差(T為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半)。 超聲波測距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量，雖然目前的測距量程上能達(dá)到百米，但測量的精度往往只能達(dá)到厘米數(shù)量級。 由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達(dá)到毫米級的測量精度，但是目前國內(nèi)的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產(chǎn)生的原因，提高測量時(shí)間差到微秒級，以及用LM92溫度傳感器進(jìn)行聲波傳播速度的補(bǔ)償后，我們設(shè)計(jì)的高精度超聲波測距儀能達(dá)到毫米級的測量精度。 超聲波傳感器簡介本畢業(yè)設(shè)計(jì)超聲波傳感器為外購件，其硬件原理僅作簡要說明： 超聲波檢測原理電路框圖中，單片機(jī)為核心控制部分，根據(jù)設(shè)定的工作方式，產(chǎn)生 40kHz方波，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)生器發(fā)出一簇信號。單片機(jī)此時(shí)開始計(jì)時(shí)。 接收回路為諧振回路，將收到的微弱回波信號檢出，送信號放大電路放大，收到產(chǎn)生脈沖輸出送單片機(jī)中斷端，單片機(jī)收到中斷信號后停止計(jì)時(shí)，計(jì)算出距離值，保存等待讀出或直接經(jīng) UART 送出。接收過程中，單片機(jī)定時(shí)控制放大電路的增益，逐漸提高，以適應(yīng)距離越遠(yuǎn)越弱的回波信號。 超聲波傳感器接口說明核心器件為 STC12LE405TL8516mm超聲波收、發(fā)器。采用 5V供電，因?yàn)?5V是最常見的工作電壓，便于日后將傳感器應(yīng)用于裝置中。 為了減小干擾，選用了 ，使用目前常用的 5V降到 ，減小電源擾動(dòng)的影響，增加可靠性。 小車?yán)贸暡▊鞲衅鳒y距，測量值采用的是小車主控芯片與該智能傳感器串行通訊獲得，以下為串行通訊的有關(guān)協(xié)議、命令說明。傳感器的工作由通訊命令控制，上電狀態(tài)為待命狀態(tài)。 工作分為“自動(dòng)測量”和“單輪測量”兩種模式。 “自動(dòng)測量”時(shí)，傳感器按一定周期自動(dòng)完成測量過程，并保存測量數(shù)據(jù)。 “自動(dòng)測量”又分為“被動(dòng)數(shù)據(jù)返回”和“主動(dòng)數(shù)據(jù)返回”兩種方式。 “被動(dòng)數(shù)據(jù)返回”方式下，傳感器只將測量結(jié)果保存下來，等待系統(tǒng)讀取。“主動(dòng)數(shù)據(jù)返回”方式下，傳感器每完成一次測量均立即將數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)。 “自動(dòng)測量”可以設(shè)置測量周期。 “單輪測量”為接收到命令后開始測量，并返回?cái)?shù)據(jù)，測量命令可設(shè)置測量次數(shù)、數(shù)據(jù)處理方式，傳感器按要求返回，增加測量的可靠性。 通訊協(xié)議及命令定義： 基本通訊格式：（和圓夢小車及無線接口兼容） 標(biāo)準(zhǔn) UART格式 —— 19200 8 N 1 幀格式： 幀頭（2字節(jié)） 接收方地址（1字節(jié)） 發(fā)送方地址（1 字節(jié)） 幀長（1字節(jié)） 命令（1字節(jié)） 數(shù)據(jù)域（N字節(jié)） 校驗(yàn)和（1字節(jié)） 其中： 幀頭 —— 由 2 個(gè)特殊的字節(jié) 0x55 0xAA 構(gòu)成； 接收方地址 —— 通訊對象的“名字”，在有線通訊時(shí)也許多余，但無線時(shí)就需要了。發(fā)送方地址 —— 告訴接收方，便于接收方回答。 幀長 —— 命令和數(shù)據(jù)域字節(jié)之和， 命令 —— 說明操作內(nèi)容，詳見下面的定義 數(shù)據(jù)域 —— 與命令配合，表達(dá)一個(gè)完整的含義。 校驗(yàn)和 —— 從命令開始到數(shù)據(jù)域結(jié)束所有字節(jié)的算術(shù)和，取最低字節(jié)的反碼。命令定義： 為了便于調(diào)試，保留小車中設(shè)計(jì)的讀寫內(nèi)存命令。 ? 命令一 ：讀內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)讀指定地址開始的 N 個(gè)字節(jié)，地址用兩字節(jié)表示。 命令字 —— 0x01 數(shù)據(jù)域 —— 低地址（1字節(jié)） 高地址（1字節(jié)） 讀字節(jié)數(shù)（1字節(jié)） 地址與硬件的對應(yīng)關(guān)系： 0x0000 — 0x00FF —— 對應(yīng) STC12LE4052 的 256字節(jié)內(nèi)部 RAM（idata）； 0x0100 — 0x7FFF —— 保留，為大 RAM的單片機(jī)預(yù)留； 0x7F80 — 0x7FFF —— 對應(yīng) STC12LE2052的 128字節(jié) SFR； 0x8000 — 0x87FF —— 對應(yīng) STC12LE2052 的 2K FlashROM（Code）；0x8700 — 0xFFFF —— 保留，為大 ROM的單片機(jī)預(yù)留； 例：要讀地址 0x56起始的 3字節(jié)內(nèi)部 RAM數(shù)據(jù)，命令幀如下： 0x55 0xAA XX XX 0x04 0x01 0x56 0x00 0x03 0xA5 返回?cái)?shù)據(jù)幀為: 幀頭 發(fā)送方地址 自己的地址 幀長 命令 低地址 高地址 讀字節(jié)數(shù) N字節(jié)數(shù)據(jù) 校驗(yàn)和 返回幀中將命令及附屬信息（地址、讀字節(jié)數(shù) ）包含在內(nèi)，雖然有些冗余，但保證了信息的完備性，不需要接收時(shí)還要查找原來讀的是什么？為通訊需求日漸復(fù)雜提供方便。 ? 命令二：寫內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)寫指定地址開始的 N 個(gè)字節(jié)，地址用兩字節(jié)表示。 命令字 —— 0x02 數(shù)據(jù)域 —— 低地址（1字節(jié)） 高地址（1字節(jié)） 寫字節(jié)數(shù)（1字節(jié)）數(shù)據(jù)（N字節(jié)） 其地址與硬件的關(guān)系與讀命令相同。返回?cái)?shù)據(jù)幀為： 幀頭 發(fā)送方地址 自己的地址 幀長 命令 低地址 高地址 寫成功字節(jié)數(shù) 校驗(yàn)和 通過“寫成功字節(jié)數(shù)”來告之發(fā)送方是否寫成功，如果為“0”，表示寫操作失敗。 ? 命令三：設(shè)置工作模式，設(shè)置測量模式，并啟動(dòng)測量。 命令字 —— 0x03 數(shù)據(jù)域 —— 工作模式（1字節(jié)） 工作參數(shù)（1字節(jié)） 其中： 工作模式 —— 高 4位為主模式，低 4位為子模式； 工作參數(shù) —— 與工作模式對應(yīng)，自動(dòng)測量時(shí)為測量周期，單位 10ms；單輪測量時(shí)為測量的次數(shù)，暫定最多為 8次。 返回?cái)?shù)據(jù)幀為： 幀頭 發(fā)送方地址 自己的地址 幀長 命令 測量數(shù)據(jù) 校驗(yàn)和對于自動(dòng)模式，測量數(shù)據(jù)返回一個(gè)字節(jié)“0”，說明 OK。 對于單輪測量模式，測量數(shù)據(jù)為工作模式中所要求的數(shù)據(jù)。 自動(dòng)模式對應(yīng)的子模式： a) 自動(dòng)數(shù)據(jù)返回 —— 每測完一個(gè)數(shù)據(jù)都返回，命令位置返回工作模式； b) 被動(dòng)數(shù)據(jù)返回 —— 內(nèi)部只是測量、保存數(shù)據(jù)，等待讀數(shù)據(jù)命令讀回，讀數(shù)據(jù)命令實(shí)際上只對自動(dòng)模式的被動(dòng)數(shù)據(jù)返回有效。 單輪測量對應(yīng)的子模式： a) 無數(shù)據(jù)處理返回 —— 只是將命令中要求測量的數(shù)據(jù)全部返回 b) 剔除最大最小值返回 —— 將測量數(shù)據(jù)中最大、最小值剔除，返回?cái)?shù)據(jù)比指定數(shù)少 2個(gè)，當(dāng)指定的測量次數(shù)小于 3 時(shí)，強(qiáng)制切換到“無數(shù)據(jù)處理模式”；c) 平均值返回 —— 將指定的測量數(shù)據(jù)平均后返回，只有一個(gè)平均值； d) 剔除最大最小后平均值返回 —— 先剔除最大最小值，剩下的再取平均值，當(dāng)數(shù)據(jù)數(shù)小于 4時(shí)，強(qiáng)制切換到“剔除最大最小值” 模式。 上述返回幀中命令位置返回?cái)?shù)據(jù)處理方式。 ? 命令四：讀測量數(shù)據(jù)，對于自動(dòng)測量方式的被動(dòng)數(shù)據(jù)返回模式，需要此命令。 命令字 —— 0x04 數(shù)據(jù)域 —— 讀最近幾次的數(shù)據(jù)（1 字節(jié)） 返回?cái)?shù)據(jù)幀為： 幀頭 發(fā)送方地址 自己的地址 幀長 命令 測量數(shù)據(jù) 校驗(yàn)和 通訊是個(gè)過程，包含等待處理，所以需要定義狀態(tài)變量，以控制處理的內(nèi)容和方式。 通訊分為兩個(gè)狀態(tài)：一是什么也沒有收到；二是收到了幀頭，等待幀結(jié)束。因此可以用位標(biāo)志 g_bStartRcv 來表示，為“假”表示沒有收到幀頭，為“真”表示收到幀頭，正在收剩余的內(nèi)容。通訊部分實(shí)現(xiàn)以下功能： 1） 接收數(shù)據(jù) 2） 判斷幀格式 3） 解析命令，執(zhí)行相應(yīng)操作 4） 返回?cái)?shù)據(jù) 本設(shè)計(jì)超聲波通訊方式本設(shè)計(jì)采用的方式為單輪測量，通訊較為簡便，但控制精度不高，為靜態(tài)測量，因此，小車對前方突然產(chǎn)生的變化不能及時(shí)監(jiān)測。如要實(shí)時(shí)監(jiān)測需要采用自動(dòng)測量，但大大增加了編程難度。程序如下：