【導讀】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。位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。超聲裝置在移動機器人探測功能應用中控。制系統(tǒng)的核心部分是超聲波測距儀的研制。因此設計好的超聲測距儀就顯得非常。針對移動機器人在移動過程中會遇到各種障礙物并需要合理的避開，以。的移動機器人避障系統(tǒng)。示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設計方法。整個電路采用模塊化設計，由主程。序、預置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。信號經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。部分附有硬件電路圖、程序流程圖。距以及避障功能，具有很好的實際意義。它不受光線、被測對象顏色等影響。特別是應用于空氣測距,由于空氣中波速較慢,其回波信。機器人定位避障方面得到了廣泛的應用。合或環(huán)境比較惡劣的情況下使用。比如要測量有毒或有腐蝕性化學物質的液面高。度或高速公路上快速行駛汽車之間的距離。

　　

【正文】 在中斷中，實現(xiàn)距離的計算及與上位機的通訊功能。 32 圖 主程序流程圖 圖 內部定時器 0中斷服務程序流程圖 單片機初始化 發(fā)射超聲波 有回波嗎？ 讀取計算 S值 開始 否 是 避障 算法 D/A轉換 返回 定時器 0中斷入口 關閉中斷允許位 EA 定時器初始化 打開中斷允許位 EA 延時 65微秒 選通端置 0停止發(fā)送方波 返回 S=∞ 33 主程序完成初始化工作，超聲波發(fā)射的控制。 主函數(shù)程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設置定時器 T0 工作模式為 16 位定時計數(shù)器模式，置位總中斷允許位 EA并將顯示端口 P1 和 P3 清 0。然后調用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時約 （這也是超聲波測距器會有一個最小可測 距離的原因）后才打開外中斷 1 接受返回的超聲波信號。由于采用的是 12MHZ 的晶振，計數(shù)器每記一個數(shù)就是 1μs ,當主程序檢測到接受成功的標志位后，將計數(shù)器 T0 中的數(shù)（即超聲波往返所用的時間）按式 D=vt/2=172 T0/10000cm（ ） 計算，即可得被測物體與測距離之間的距離，設計時取 20℃ 時的聲速 344m/s。 其中： T0為計數(shù)器 T0 的計數(shù)值。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。 其部分源程序如下： RECEIVE0： PUSH PSW PUSH ACC CLR EX0 ；關外部中斷 0 MOV R7, TH0 ；讀取時間值 MOV R6, TL0 CLR C MOV A, R6 SUBB A, 0BBH；計算時間差 MOV 31H, A ；存儲結果 MOV A, R7 34 SUBB A, 3CH MOV 30H, A SETB EX0 ；開外部中斷 0 POP ACC POP PSW RETI 35 子程序流程圖 圖 外部中斷服務程序流程圖 內部 中斷服務子程序如圖 4— 2 所示，外部中斷服務子程序如圖 4— 3 所示 。內部中斷 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。 超聲波發(fā)生子程序的作用是通過 端口發(fā)送十個左右的超聲波脈沖信號（頻率約為 40KHz 的方波），脈沖寬度為12us 左右，同時把計數(shù)器 T0 打開進行計時。在開始發(fā)射超聲波的時刻 T0 開始計時，等待 INT1 中斷，在 INT0 中斷時停止計時，在中斷程序讀出 TH0、 TL0 的值。定時器 T1 工作方式 2，用于串口通訊，接受數(shù)據(jù)。超聲波發(fā)射中要發(fā)射一串脈沖，實 驗證明， 8～ 10 個脈沖最佳。由此， 101/40000=250μs ，即需要250μs 一個的脈沖。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。 37 第五章 系統(tǒng)設計的問題與特點 多次反射問題 當 障礙物較雜亂的時候，超聲波存在多次反射現(xiàn)象。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，超聲波經過多次折射后，引起的接收系統(tǒng)不斷動作。此時對單次測距影響不大，在采用中斷方式響應檢測信號時，側到第一個脈沖下降沿就關閉中斷，不再響應后續(xù)進入的信號。但對連續(xù)測距來說，要設置兩次測距間的時間間隔，等前一次發(fā)射的超聲波基本衰減消失后，再啟動下一次測距。 超聲波傳感器的盲區(qū) 分立式超聲波傳感器盲區(qū)主要是由信號串擾引起，發(fā)射信號未經反射就被接收探頭感應到。超聲波發(fā)射后，立即引起了接收探頭誤動作，如果此時計算從發(fā)射到接收的時間將得到錯誤值。在設計中可以給串擾信號加上加窗信 號，加窗信號就是盲區(qū)信號。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。 可測障礙物的極限參數(shù) 根據(jù)波得衍射傳播原理，當障礙物的距離小于波長的一半時，將發(fā)射波得繞射，當障礙物距離大于波長的一半時才能反射。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。實際測量結果能得到的有效障礙物距離為 9cm。 測量距離與信號強度的關系 38 將超聲波接收器的信號引入示波器，測得接收到信號的強弱與障礙物距超聲波發(fā)射 接收器的 距離成反比。另外還與超聲波發(fā)射接收頭之間相對角度有關。當超聲波發(fā)射器與接收器互成 120176。角時，接收的效果最好。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。 39 第六章 總結與展望 總結 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。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。本設計的超聲波測距 與避障系統(tǒng) ，可以對不同距離進行測試，并可以進行 躲避障礙物 。 本文以檢測距離和避障為目標進行設計，具體而言，本論文的工作 歸納如下： 首先介紹了超聲波測距系統(tǒng)的工作原理，為接下來研究移動機器人的測距與避障打下了良好的基礎。 其次對該超聲裝置設計了硬件系統(tǒng)以實現(xiàn)測距和避障， 設計了 STC12C2052單片機為核心的超聲波界面檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示的特點。 再次對該裝置設計軟件系統(tǒng)，對系統(tǒng)的軟件需要實現(xiàn)的功能進行了分析，設計了系統(tǒng)的主程序流程，分析各個中斷程序和主程序之間的關系，用匯編語言和C語言逐個實現(xiàn)了各自的功能模塊。 最后論述了該系統(tǒng)設計的問題與特點。 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。 展望 移動機器人研究的一個基本問題是安全避障，實現(xiàn)安全避障的前提是準確獲取避障信息，準確的避障信息為移動機器人的避障處理提供了可靠的周邊環(huán)境信 40 息，對于測距和障礙探測，采用超聲裝置實現(xiàn)移動機器人探測功能。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。如果需要擴大測距范圍，可以根據(jù)實際情況添加更合適的溫度傳感器。 (2) 障礙物的材質對超聲波避障系統(tǒng)的影響不大，但障礙物表面形狀對避障辨識影響較大，故應該對機器人的辨識能力加以提高。 (3) 超聲波探頭相對安裝位置的影響，渡越時間延遲造成的誤差及其他誤差源的存在，從軟件角度，使用一些數(shù)據(jù)處理算法，消除誤差干擾，提高測量精度。 41 參考文獻 [1]劉君華，湯小軍 .控制系統(tǒng)設計指南 [M].北京： 電子工業(yè)出版社 ， 2020 [2]韓立群 .智能控制理論及應用 [M].北京： 機械工業(yè)出版社 ， 2020 [3]侯媛彬 ， 智能控制技術 [M].北京： 北京工業(yè)大學出版 ， 2020 [4]陳杰 ， 黃鴻 .傳感器與檢測技術 [M].北京： 高等教育出版社 ， 2020 [5]胡瑞，周錫青 .基于超聲波傳感器的測距報警系統(tǒng)設計 [J].科技信息 ， 2020,29(2):2631 [6]松井邦彥 .傳感器應用技巧 [M].北京： 科學出版社 ， 2020 [7]劉亮 .先進傳感器及應用 [M].北京： 北京化學工業(yè)出版社 ， 2020 [8]許力 .智能控制與智能系統(tǒng) [M].北京： 機械工業(yè)出版社 ， 2020 [9]徐科軍 .傳感器與檢測技術 [M].西安： 電子工業(yè)出版社 ， 2020 [10]高國富，謝少榮，羅均 .機器人傳感器及其應用 [M].北京： 化學工業(yè)出版社 ， 2020 [11] 趙占林，劉洪梅 .超聲測距系統(tǒng)誤差分析及修正 [J].科技情報開發(fā)與經濟 ，2020,27(3):3745 [12] 李光飛 ， 李良兒 ， 樓然苗 .單片機 C程序設計實例指導 [M].北京： 北京航空航天大學出版社 ， 2020 [13] 杜樹春 編著 .單片機 C語言和匯編語言混合編程實例詳解 [M].北京： 北京航空航天大學出版社 ， 2020 [14]張毅剛，彭喜 元 .新編 MCS51 單片機應用設計 .第一版， 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學出版社 ， 2020 [15] 王毅 .單片機器件應用手冊 [M].北京：人民郵電出版社， 1995 42 致 謝 本論文是在老師王海副教授的悉心指導下完成的。從論文的選題，技術路線及實施方案的制定，到論文的審定等，論文工作中的每一個環(huán)節(jié)都得到了老師的精心指導。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。在此，謹向王老師致以由衷的敬意和感謝 ! 論文的完成也離不開同課題組其他同學們的幫助，在此感謝他們。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?！叭诵?，必有我?guī)熝伞保敬卧O計中，在老師和同學們身上學到很多可貴的東西，我認識到交流的重要性，學習更需要交流。 最后，我要感謝我的家人，我的論文工作的順利進行，離不開他們對我的無私奉獻。向所有關心、支持和幫助過我的老師、親人和同學們表示衷心的感謝 !