【文章內(nèi)容簡介】 圖 行車距離檢測電路所示： 圖 碼盤 檢測電路 為了避免在變換狀態(tài)時產(chǎn)生“毛刺”， 整形電路 是利用運(yùn)放設(shè)計了“施密特”電路，用回差消除之。 之所以用運(yùn)放，而不是直接 使用施密特觸發(fā)器，是因為這樣可以方便的改變回差大小。 電機(jī)電流、電壓檢測 電流檢測電路： 第 11 頁 圖 電流 檢測電路 電流的取樣電阻為 歐姆（見 H 橋驅(qū)動電路的 R5），按上圖參數(shù)，放大倍數(shù) 11 倍，電機(jī)電流最大 左右，所以實際的輸出信號應(yīng)在 0 – ，如使用 供電的單片機(jī)，其 AD 輸入范圍為 0 ‐ ，考慮電機(jī)的電流偏差和器件的偏差，留些余量。 電路中 C2作用是減小電機(jī)電流波動的影響，是針對 125Hz 的 PWM頻率設(shè)計的 ，如提高 PWM 的頻率，此參數(shù)應(yīng)該相應(yīng)修改。 本設(shè)計中未采用，簡述之。 電壓檢測電路： 第 12 頁 圖 電壓 檢測電路 電壓采用簡單的分壓處理，設(shè)計了一個跟隨器以減少 AD 輸入阻抗對分壓的影響。 電池的電壓應(yīng)在 4– 6V， 分壓后為 2– 3V，符合 AD 輸入不大于 的要求。 本設(shè)計中未采用，簡述之。 超聲波測距 由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如 測距儀 和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實用的要求，因此在移動機(jī)器人研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。 為了使移動機(jī)器人能自動避障行走，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）。 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) 第 13 頁 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，它有兩個壓電晶片和一個共振板。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，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，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，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時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)射時刻的同時開始計時，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時。超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據(jù) 計時器 記錄的時間 t，就可以計算出發(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間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實際距離。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間差 (T為發(fā)射到接收時間數(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，提高測量時間差到微秒級，以 第 14 頁 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)計超聲波傳感器為外購件，其硬件原理僅作簡要說明： 圖 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)動電路驅(qū)動超聲波發(fā)生器發(fā)出一簇信號。單片機(jī)此時開始計時。 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時，計算出距離值，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 STC12LE405 TL85 16mm 超聲波收、發(fā)器。采用 5V供電，因為 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 供電的單片機(jī)，使用目前常用的 三端穩(wěn)壓器將 5V降到 ，減小電源擾動的影響，增加可靠性。 第 15 頁 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“自動測量”和“單輪測量”兩種模式。 “自動測量”時，傳感器按一定周期自動完成測量過程，并保存測量數(shù)據(jù)。 “自動測量”又分為“被動數(shù)據(jù)返回”和“主動數(shù)據(jù)返回”兩種方式。 “被動數(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，并返回數(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)） 校驗和（ 1 字節(jié)） 其中： 幀頭 —— 由 2 個特殊的字節(jié) 0x55 0xAA 構(gòu)成； 第 16 頁 接收方地址 —— 通訊對象的“名字”，在有線通訊時也許多余，但無線時就需要了。 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)一個完整的含義。 校驗和 —— 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)計的讀寫內(nèi)存命令。 ? 命令一 ：讀內(nèi)存，實現(xiàn)讀指定地址開始的 N 個字節(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： 第 17 頁 0x55 0xAA XX XX 0x04 0x01 0x56 0x00 0x03 0xA5 返回數(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，實現(xiàn)寫指定地址開始的 N 個字節(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。 返回數(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)） 第 18 頁 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)，自動測量時為測量周期，單位 10ms；單輪測量時為測量的次數(shù)，暫定最多為 8次。 返回數(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) 校驗和 對于自動模式，測量數(shù)據(jù)返回一個字節(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)。 自動模式對應(yīng)的子模式： a) 自動數(shù)據(jù)返回 —— 每測完一個數(shù)據(jù)都返回，命令位置返回工作模式； b) 被動數(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)命令實際 上只對自動模 式的被動數(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，返回數(shù)據(jù)比指定數(shù)少 2 個，當(dāng)指定的測量次數(shù)小于 3 時，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 第 19 頁 于 4 時，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數(shù)據(jù)處理方式 。 ? 命令四：讀測量數(shù)據(jù)，對于自動測量方式的被動數(shù)據(jù)返回模式，需要此命令。 命