【正文】 弦波。這么小的電壓信號，如果要服務(wù)于后續(xù)電路，必須要進行放大。前兩級的放大電路如圖 2 所示： 運算放大器采用美國國家半導(dǎo)體公司的 TL074，這是一種很常見的運放，使用比較簡單。另外它的噪聲較小，工作帶寬較大[2]。Ca1 跨接到運放的 2 腳兩端，可以部分地濾除高頻信號，放大倍數(shù)的大小可以由 Rb 動態(tài)調(diào)節(jié)。但還是太小，后續(xù)電路不能使用，必須再次放大。為此，第三級運放采用了帶通放大電路，如圖 3 所示。它的 Q 值、放大倍數(shù) A 和中心頻率 f 均可調(diào)。將中心頻率設(shè)定為 40kHz，可以有效地濾除大部分干擾波形，輸出清晰的回波放大信號。 經(jīng)過三級放大后的回波信號，根據(jù)距離的不同幅值也相應(yīng)變化。不可限制地增大其中某一級的放大倍數(shù)也是不可取的，在增益帶寬積限定的情況下，必須折衷取舍增益和帶寬的大小。如果想使運放較為理想的工作，采用負反饋放大的時候，其放大倍數(shù)盡量不要太大。如果單片機本身帶有比較器功能，信號可以直接接入，如果沒有這項功能，則必須外接模擬比較器。 模擬整形電路的主要工作是將幅值不定的一簇正弦波整理為一個有明確上升沿的脈沖信號，以供單片機中斷使用。通過RX_CON 的開關(guān)，可以很容易地控制回波信號的進入。通過調(diào)整 RL3 的大小，可以隔離那些不能被濾除的背景噪聲信號。上面電路的另一個優(yōu)點是，如果進入比較器的是間或的一兩個干擾脈沖，如果它沒有充足的電量使 CL2 的電壓升高到足夠值，第二級比較電路便不會有輸出，在硬件上提高了抗干擾能力。為了將它們分開，本電路選用了通道開關(guān)芯片 CD4051。 發(fā)射驅(qū)動電路 發(fā)射驅(qū)動電路的主要功能是產(chǎn)生足夠的功率來利用 40kHz 的脈沖波驅(qū)動超聲傳感器發(fā)射超聲信號。本電路中采用中周變壓器耦合放大來驅(qū)動超聲傳感器，設(shè)計電路如圖 6 所示。CT1 在發(fā)射時為中周的初級線圈提供所需的瞬間大電流。因為超聲傳感器是收發(fā)同體的，所以在發(fā)射的時候，發(fā)射信號也會毫無阻礙地到達第一級運放進行放大。過渡電路的主要功能是在發(fā)射時，限制運放端的信號幅值在安全范圍以內(nèi)，同時又不能影響接收信號的傳輸。 在加上電源處理、溫度檢測電路和顯示報警電路后，倒車雷達硬件電路設(shè)計基本完成了。 軟件設(shè)計 倒車雷達的功能較為單一，任務(wù)不多，所以使用前后臺工作方式，主程序流程如圖 7 所示。在功能實現(xiàn)方面，要注意的主要問題有： （1）發(fā)射后，超聲傳感器會有 2mS 左右的余震時間，這段時間要關(guān)閉接收。 在技術(shù)實現(xiàn)上，充分利用了 T0 和 T1 兩個定時器。T1 定時器用于確定發(fā)射和接收之間的時間差，如果 T1 溢出，則表示沒有檢測到障礙物，置相應(yīng)標(biāo)志位。INT0 中斷會停止 T1計時，并置位標(biāo)志位。也可以使用硬件產(chǎn)生發(fā)射脈沖。為了使軟件的工作流程更加直觀清晰，下面以時間軸方式列出在 Debugger 模式下各函數(shù)運行情況。 圖 8 是測試程序在 Debugger 模式下各任務(wù)占用時間的明細，目的是直觀地了解在哪一個階段時間比較寬裕，可以安排別的工作，比如通訊（這里假設(shè)通訊是異步的，位于從屬地位；如果通訊是周期性的，周期時間又比較短的話，就應(yīng)該充分考慮各任務(wù)的優(yōu)先級并合理安排時間） 。其中10 到 0 的區(qū)間是初始化時間（這是沒有故障的正常初始化時間，如果有探頭故障，因為要提供聲音提示，所以占用的時間將根據(jù)故障探頭的數(shù)目多少達到幾秒或是十幾秒） ，0 到 131mS 的區(qū)間是循環(huán)程序時間。發(fā)射時間約為 100μS，這期間各中斷是關(guān)閉的；接下來的 2mS 是余震時間，外部中斷要關(guān)閉，別的中斷，如有需要，可以開啟。如果接收到了回波并引發(fā)中斷的話，中斷程序?qū)Ｖ筎1 計時并讀取數(shù)值，同時置位接收標(biāo)志位。最后的距離顯示并不是每個循環(huán)都有的，而是 4 個循環(huán)發(fā)生一次（這里是假設(shè) 4 個探頭均工作在自發(fā)自收狀態(tài)，如果需要使探頭相互收發(fā)進行交叉測量，那么循環(huán)數(shù)根據(jù)實際次數(shù)重新確定） 。如果再加上 CAN 驅(qū)動器芯片，并設(shè)計好通訊部分的軟件協(xié)議，也可以作為一個節(jié)點聯(lián)入車身 CAN 網(wǎng)絡(luò)中。示波器通道 1 用于測量運放輸出的波形，電壓比例常數(shù)為 2V；通道 2 測量單片機的 INT 引腳，電壓比例常數(shù)為 5V；時基為 2mS。這是由于中周性能不良造成的，有待于進一步完善。 單片機設(shè)計超聲波測距儀原理及應(yīng)用1 51 系列單片機的功能特點 5l 系列單片機中典型芯片(女[1AT89C51)采用 40 引腳雙列直插封裝(DIP) 形式，內(nèi)部由 CPU，4kB 的ROM，256 B 的 RAM，2 個 16b 的定時／計數(shù)器 TO 和 T1，4 個 8 b 的工／O 端 I：IP0，P1 ，P2，P3 ，一個全雙功串行通信口等組成。該系列單片機引腳與封裝如圖 1 所示?？臻e方式：CPU 停止工作，而讓 RAM、定時／計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。5l 系列單片機為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。2 單片機實現(xiàn)測距原理 單片機發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差 tr，然后求出距離 S＝Ct／2，式中的 C 為超聲波波速。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能 力將決定最小的可測距離。由于超聲波屬于聲波 范圍，其波速 C 與溫度有關(guān)，表 1。 在測距時由于溫度變化，可通過溫度傳感器自動探測環(huán)境溫度、確定計算距離時的波速 C，較精確地得出該環(huán)境下超聲波經(jīng)過的路程，提高了測量精確度。其系統(tǒng)原理框圖如圖 2 所示。AT89C51 通過外部引腳 P2．0 輸出脈沖寬度為 25／us、載波為 40kHz 的超聲波脈沖串，加到射隨器的基級，經(jīng)功率放大推動超聲波發(fā)射器發(fā)射出 去。經(jīng)處理后輸出低電平，送到 AT89C51 的引腳利用該原理設(shè)計的實 例：汽車防撞雷達3．1 系統(tǒng)硬件設(shè)計汽車防撞雷達可以幫助駕駛員及時了解車周圍阻礙情況，防止汽車在轉(zhuǎn)彎、倒車等情況下撞傷、劃傷。sP3．2，提供給軟件進行處理。兩位 LED可表示 4．9～0．1 m 的距離，滿足顯示精度；若該距離小于預(yù)置的汽車低速安全剎車范圍(如：1 n)或 0．5m)，報警電路發(fā)出適當(dāng)?shù)木嫣崾疽?，?P2．1 的輸出控制報警電路的工作。整個軟件采用模塊化設(shè)計，由主程序、預(yù)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。當(dāng)測得距離小于預(yù)置距離時，聲音報警程序被調(diào)用。4 結(jié) 語利用 51 系列單片機設(shè)計的測距儀便于操作、讀數(shù)直觀。由 于該系統(tǒng)中鎖相環(huán)鎖定需要一定時間，測得的距離有誤差，在汽車雷達應(yīng)用中此誤差為 3C111 可忽略不計；但在精度要求較高的工業(yè)領(lǐng)域如機器人自動測距等方 面，此誤差不能忽略，只有通過改變些硬件的應(yīng)用實現(xiàn)對超聲波的快速鎖定，使誤差進一步減小到0．31llnl，可以滿足更高要求。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到工業(yè)實用的要求，因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。本文所介紹的三方向（前、左、右）超聲波測距系統(tǒng)，就是為機器人了解其前方、左側(cè)和右側(cè)的環(huán)境而提供一個運動距離信息。 總 體 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 械 方 式 產(chǎn) 生 超 聲 波 。 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 。 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。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。 圖 1 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)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。 三、 超聲波測距系統(tǒng)的電路設(shè)計 本系統(tǒng)的特點是利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計時，單片機選用8751，經(jīng)濟易用，且片內(nèi)有 4K 的 ROM，便于編程。其中只畫出前方測距電路的接線圖，左側(cè)和右側(cè)測距電路與前方測距電路相同，故省略之。 PUZEL： MOV 14H, 12H； 超 聲 波 發(fā) 射 持 續(xù) 200?s HERE： CPL ； 輸 出 40kHz 方 波 NOP ； NOP ； NOP ； DJNZ 14H， HERE； RET 前方測距電路的輸入端接單片機 端口，單片機執(zhí)行上面的程序后，在 端口輸出一個 40kHz的脈沖信號，經(jīng)過三極管 T 放大，驅(qū)動超聲波發(fā)射頭 UCM40T，發(fā)出 40kHz 的脈沖超聲波，且持續(xù)發(fā)射200?s。 超聲波的接收與處理 接收頭采用與發(fā)射頭配對的 UCM40R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?，?jīng)運算放大器 IC1A和 IC1B兩極放大后加至 IC2。調(diào)節(jié) R8在發(fā)射的載頻上，則 LM567 輸入信號大于 25mV，輸出端 8 腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖?，作為中斷請求信號，送至單片機處理。部分源程序如下： 超聲測距數(shù)據(jù)的采集與處理摘要：介紹一種基于單片機控制的三種超聲測距系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理和誤差分析。 關(guān)鍵詞：機器人 超聲波測距 單片機 串行通訊 數(shù)據(jù)采集機 器人作為一種能代替人工作業(yè)的智能機器，有著廣泛的應(yīng)用前景。超聲波傳感器以其價格低廉、硬件容易實現(xiàn)等 優(yōu)點，被廣泛用作測距傳感器，實現(xiàn)定位及環(huán)境建模。超 聲測距原理很簡單，一般采用渡越時間法：即 D=CT/2，其中 D 為機器人與視測物之間的距離，C 為聲波在介質(zhì)中的傳播速度（ C= 乘以根呈號 (1+t/273)m/s，t 為攝氏溫度），T 為超聲發(fā)射到返回的時間間隔。本系統(tǒng)采用一片 89C51 單片機對三路超聲信號進行循環(huán)采集，并將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存儲[1,2]。當(dāng)上位機需要數(shù)據(jù)時， 向下位機發(fā)出申請，下位機通過中斷的方式向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)。1 系統(tǒng)硬件設(shè)計為 了能在測量距離的同時判斷出物體的大致形狀，應(yīng)設(shè)計成多傳感器測距系統(tǒng)。該測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。 超聲波發(fā)送這部分包括超聲波信號的產(chǎn)生、多路選擇及換能器等環(huán)節(jié)。40kHz 的超聲波發(fā)送脈沖信號由單片機 89C51 的 口送出，其脈沖寬度及脈沖間隔均由軟件控制。脈沖發(fā)送間隔取決于要求測量的最大距離及測量通道數(shù)。若在有效測距范圍內(nèi)有被測物的話，則在后一路超聲波束發(fā)出之前應(yīng)當(dāng)接收到前一路發(fā)同的反射波，否則認為前一路無被測物。例如：最大測距范圍為 5m 時，脈沖間隔時間 t=2s/v=25/340≈30ms，實際應(yīng)取 t≥30ms。采用緩沖器 CD4050 是考慮用其兩個門來驅(qū)動一路發(fā)送換能器，以加大發(fā)射驅(qū)動能力。由于在距離較遠的情況下，聲的回波很弱，因而轉(zhuǎn)換為電信號的幅值也較小，為此要求將信號放大 60 萬倍左右。放大后的交流信號經(jīng)光電隔離送入比較器，比較器的作用是將交流 信號整形輸出一個方波信號，此方波信號上升沿使 D 觸發(fā)器觸發(fā)，向 CPU 發(fā)中斷申請。圖