【正文】 “三人行，必有我?guī)熝伞保敬卧O(shè)計(jì)中，在老師和同學(xué)們身上學(xué)到很多可貴的東西，我認(rèn)識(shí)到交流的重要性，學(xué)習(xí)更需要交流。從論文的選題，技術(shù)路線(xiàn)及實(shí)施方案的制定，到論文的審定等，論文工作中的每一個(gè)環(huán)節(jié)都得到了老師的精心指導(dǎo)。如果需要擴(kuò)大測(cè)距范圍，可以根據(jù)實(shí)際情況添加更合適的溫度傳感器。 最后論述了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的問(wèn)題與特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距 與避障系統(tǒng) ，可以對(duì)不同距離進(jìn)行測(cè)試，并可以進(jìn)行 躲避障礙物 。角時(shí)，接收的效果最好。實(shí)際測(cè)量結(jié)果能得到的有效障礙物距離為 9cm。在設(shè)計(jì)中可以給串?dāng)_信號(hào)加上加窗信 號(hào)，加窗信號(hào)就是盲區(qū)信號(hào)。此時(shí)對(duì)單次測(cè)距影響不大，在采用中斷方式響應(yīng)檢測(cè)信號(hào)時(shí)，側(cè)到第一個(gè)脈沖下降沿就關(guān)閉中斷，不再響應(yīng)后續(xù)進(jìn)入的信號(hào)。由此， 101/40000=250μs ，即需要250μs 一個(gè)的脈沖。 超聲波發(fā)生子程序的作用是通過(guò) 端口發(fā)送十個(gè)左右的超聲波脈沖信號(hào)（頻率約為 40KHz 的方波），脈沖寬度為12us 左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器 T0 打開(kāi)進(jìn)行計(jì)時(shí)。 其中： T0為計(jì)數(shù)器 T0 的計(jì)數(shù)值。 32 圖 主程序流程圖 圖 內(nèi)部定時(shí)器 0中斷服務(wù)程序流程圖 單片機(jī)初始化 發(fā)射超聲波 有回波嗎？ 讀取計(jì)算 S值 開(kāi)始 否 是 避障 算法 D/A轉(zhuǎn)換 返回 定時(shí)器 0中斷入口 關(guān)閉中斷允許位 EA 定時(shí)器初始化 打開(kāi)中斷允許位 EA 延時(shí) 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。 (5)顯示測(cè)量結(jié)果。系統(tǒng)軟件程序大體上包括下面幾個(gè)過(guò)程 : (1)初始化 LED，顯示開(kāi)機(jī)界面為“ 00”，表示測(cè)量沒(méi)有開(kāi)始 。主機(jī)將接收到的信息經(jīng)過(guò)處理后輸入到模糊控制器，然后模糊控制器向驅(qū)動(dòng)模塊輸出速度和轉(zhuǎn)角信號(hào)，控制機(jī)器人避障。通過(guò)分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的 COM 端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。 ① 靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)：靜態(tài)驅(qū)動(dòng)也稱(chēng)直流驅(qū)動(dòng)。 LED 數(shù)碼管由七段發(fā)光線(xiàn)段組成，每條線(xiàn)段可以使一個(gè)或者幾個(gè)發(fā)光二極管，七段數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖如圖 3— 11所示 。 顯示模塊選用 3 個(gè)共陰極段式 LED 數(shù)碼管來(lái)顯示測(cè)量結(jié)果，顯示范圍為0~999 厘米。常使用的小電容為 的瓷片電容，當(dāng)頻率更高時(shí)，還可并聯(lián)更小的電容，例如幾pF，幾百 pF 的。 （ 3）在一個(gè)大電容并連一個(gè)小電容的原因 大電容由于容量大，所以體積一般也比較大，且通常使用多層卷繞的方式 制作，這就導(dǎo)致了大電容的分布電感比較大（也叫等效串聯(lián)電感，英文簡(jiǎn)稱(chēng)ESL）。 6 腳：該腳與地之 間接一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為 330pF，如果該電容取得太大，會(huì)使探測(cè)距離變短?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率 38KHz 與測(cè)距超聲波頻率40KHz 較為接近，可以利用它作為超聲波檢測(cè)電路。 3 腳：該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大，易造成誤動(dòng)作，推薦參數(shù)為 。 1腳：超聲信號(hào)輸入端，該腳的輸入阻 抗約為 40KΩ 。 （ 1） 使用 CX20206A 存在的優(yōu)缺點(diǎn) 如下： 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單易用，電路簡(jiǎn)單，減少了生產(chǎn)調(diào)試的麻煩。也有一些遙控系統(tǒng)采用 36KHz、 40KHz、 56KHz等 ， 一般由發(fā)射端晶振的振蕩頻率來(lái)決定。 CX20206A 也有不少用于超聲波測(cè)試。 經(jīng)過(guò) R6 分壓后到達(dá) A966 基極通過(guò)集電極輸出后經(jīng)過(guò)中周變壓器組成諧振回路，最終將頻率為 40KHZ 的信號(hào)作用于發(fā)射探頭上，使其產(chǎn)生共振后，發(fā)射出超聲波。 選擇 STC12C2052AD 系列單片機(jī)的理由 （ 1） 加密性強(qiáng) ,無(wú)法解密 （ 2） 超強(qiáng)抗干擾 : A、高抗靜電（ E S D 保護(hù)） B、輕松過(guò) 4KV 快速脈沖干擾 (EFT 測(cè)試） C、寬電壓，不怕電源抖動(dòng) D、寬溫度范圍 ,40℃ ～ 85℃ E、 I/O 口經(jīng)過(guò)特殊處理 F、單片機(jī)內(nèi) 部的電源供電系統(tǒng)經(jīng)過(guò)特殊處理 G、單片機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘電路經(jīng)過(guò)特殊處理 H、單片機(jī)內(nèi)部的復(fù)位電路經(jīng)過(guò)特殊處理 I、單片機(jī)內(nèi)部的看門(mén)狗電路經(jīng)過(guò)特殊處理 J、 1 個(gè)時(shí)鐘 /機(jī)器周期，可用低頻晶振，大幅降低 E MI （ 3） 超低功耗 : A、掉電模式：典型功耗 B、空閑模式：典型功耗 1mA C、正常工作模式：典型功耗 4mA～ 7mA D、 掉電模式可由外部中斷喚醒，適用于電池供電系統(tǒng)，如水表、氣表、便攜設(shè)備等。 STC12C2052 單片機(jī)引腳 如圖 3— 6所示。 STC12 系列是從 引 腳到內(nèi)核及指令上都完全兼容 8051 的單片機(jī) 。10 pF，而如果使用陶瓷諧振器建議選擇 40pF177。 引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是該放大器輸入端和輸出端。穩(wěn)壓電路的作用是采取措施使輸出的直流電壓在電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)保持穩(wěn)定。因此，常常需要將電網(wǎng)電壓先經(jīng)過(guò)電源變壓器，然后將變換以后的副邊電壓再去整流、濾波和穩(wěn)壓，最后得到所需的直流電壓幅值。 圖 L7805CV 的外形圖 這是一個(gè)三端集成穩(wěn)壓電源應(yīng)用電路，整流濾波后得到的 +12V 電壓，在輸出端即可得到穩(wěn)定的輸出電壓 +5V，為了改善紋波電壓，在輸入端接入電容 C0，其值為 100uF。 圖 超聲波測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 主要電路具體設(shè)計(jì)及主要器件介紹 電路 采用 L7805CV 作為電源電路將 +12V 電壓轉(zhuǎn)換為 +5V 電壓，控制器選用STC12C2052 單片機(jī) ,晶振 為 ,單片 機(jī) INT0 口輸出超聲波換能器所需的40KHz 方波信號(hào) ,由 CX20206A 紅外接收芯片和 TCT4010 系列 超聲波換能器 來(lái)實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)的接受和發(fā)射 控制 ，經(jīng)計(jì)算，距 離由顯 示電路 顯示， 采用簡(jiǎn)單的 3位共 陽(yáng)極 LED 數(shù)碼管 進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示 。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。噪聲有兩類(lèi)，一類(lèi)電噪聲，在處理上同其它電子儀器一樣，另一類(lèi) 為機(jī)械噪聲，其中工業(yè)噪聲頻率較低，對(duì)液介式超聲測(cè)距儀，工作頻率較高，可以避開(kāi)工業(yè)噪聲頻譜段。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 。對(duì)一定介質(zhì)，通常采用對(duì)溫度進(jìn)行修正的方法，可以測(cè)得比較準(zhǔn)確的距離。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。當(dāng)開(kāi)始計(jì)時(shí)，測(cè)量超聲波在空氣中的傳播時(shí)間才有效。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)。在距離過(guò)近時(shí)，接收信號(hào)將落進(jìn)盲區(qū)中而無(wú)法分辨出來(lái)，這是近限所以存在的原因。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。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。電路中未用溫度傳感器 ,所以?xún)H進(jìn)行常溫下的聲速補(bǔ)償 : v = 346. 285 m/ s。 f r 為參考頻率 。對(duì)于一定的氣體 r 、μ為定值。超聲波在理想氣體中傳播速度為? ?1rv RT ?? 式中μ為氣體摩爾質(zhì)量 。超聲波傳感器指向特性圖如圖 2— 3 所示。指向特性用指向圖表示。并且最大靈敏度向著稍低的頻率移動(dòng)。 由 圖 知 ， f0 為中心頻率 ，曲線(xiàn)在 f0 處最尖銳，輸出電信號(hào)的幅度最大，信號(hào) f0 處接收靈敏度最高。 頻率特性 圖 2— 2 是超聲波的頻率特性曲線(xiàn)。將適當(dāng)?shù)慕蛔冸娦盘?hào)施加到晶體上，品體將發(fā)生交替的壓縮和拉伸，因而產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)頻率與交變電壓的頻率相同，若把 晶體藕合到彈性介質(zhì)中，晶體將充當(dāng)一個(gè)超聲源的作用，超聲波將被輻射到那種介質(zhì) 。 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。 圖 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖 7 壓電式超聲傳感器是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)或者將外界聲場(chǎng)中的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換器件。且 各種溫度傳感器均可用于本系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償。 CUSS100 超聲波傳感器采用聲波反射原理 ， 從而避免傳感器直接與介質(zhì)接觸 ,實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量物位 ， 這一點(diǎn)對(duì)固體散料、粘稠介質(zhì) ,固體、液體混合介質(zhì)的物位測(cè)量非常重要。 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)。 超聲波在兩種介質(zhì)的界面上的反射能量和透射能量的變化，取決于這兩種介質(zhì)的聲阻抗之比。 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。流體中的 聲速隨壓力的增加而增加。聲速參數(shù)與聲介質(zhì)、聲阻抗及生衰減等有很大關(guān)系。頻率高于人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)上限頻率 (約 20200Hz)的聲波，稱(chēng)為超聲波，或稱(chēng)超聲。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。并且設(shè)計(jì)出移動(dòng)機(jī)器人的避障系統(tǒng)，以躲避障礙物。廈門(mén)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(xiàn)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。公英制單位轉(zhuǎn)換。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(xiàn)鋪設(shè)、體育活動(dòng)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。 超 聲波測(cè)距是一種極有潛力的方法，本文結(jié)合超聲波的特性設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的超聲測(cè)距 與避障 系統(tǒng)。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(lèi)采用仿真技能利用超 2 聲波測(cè)距。而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、信號(hào)處理可靠等特點(diǎn) 。與其它方法相比 ,如電磁的或光學(xué)的方法 ,它不受光線(xiàn)、被測(cè)對(duì)象顏色等影響。 關(guān)鍵詞： 單片機(jī) ； 超聲波 ； 測(cè)距 II Ultrasonic device application in mobile robot detection function Abstract With the development of society, the demand on the measurement of distance or length is increasing. Ultrasound device in the mobile robot detection function h