【正文】 個電容器和 1 個電阻器串并聯(lián)電路如圖 31 所示。在 f S 和 f P 處出現(xiàn) 2 個阻抗最低點(diǎn) ,因此 ,有 2 個諧振峰。電路激勵和接收頻率要考慮在此諧振點(diǎn)工作 ,此外 ,由于通常需要大功 率驅(qū)動 ,考慮用諧振升壓推動是必要的。 鑒于此， 在發(fā)射部分使用了變壓器升壓再驅(qū)動超聲波換能器，同時變壓器的次級與超聲波探頭構(gòu)成諧振回路，這都極大的提高發(fā)射效率，但副作用是發(fā)射后的余波時間較長，導(dǎo)致近距離的回波被淹沒 ，因此設(shè)計了兩種余波抑制電路。 另外，值得一提的是該單片機(jī) I/O 口可設(shè)置為 推挽輸出模式（這是經(jīng)典 51 不具備的），拉電流、灌電流均可達(dá) 20mA，保證了 D882 有足夠的驅(qū)動能力和快速的通斷性能。 變壓器 T1 副線圈上 , 并聯(lián)阻尼電阻 R6， 通過增加諧振回路的損耗加速余波結(jié)束，這種方式不需 要控制，但由于同時也消耗了發(fā)射的功率，所以阻值不能太小。余波從發(fā)射探頭和新振源經(jīng)電路板傳至接收探頭 ,由于傳播路徑短 , 當(dāng)超聲波信號發(fā)射后 ,信號總是存在著衰減震蕩如圖 33,這就叫做“拖尾” ，即余波。因此 ,若要縮小盲區(qū)就要 減小余波，減少發(fā)射脈沖數(shù)目、增加阻尼都能夠有效的減少余波干擾。 在變壓器 T1 原線圈上 ,并聯(lián)由 R R P1 組成的另外一個余波抑制電路 , 在發(fā)射完脈沖后強(qiáng)制短路次級達(dá)到快速消耗諧振能量的目的，從而取得了很好的余波抑制作用 。 發(fā)射脈沖個數(shù)決定了測距儀的測量盲區(qū) , 也影響測量精度 , 同時與信號的發(fā)射能量有關(guān)。但根據(jù)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn) , 由于壓電陶瓷晶片有一定的振動慣量 ,它收到回波后 ,振幅是按指數(shù)曲線增加的 ,要經(jīng)過幾個周波才達(dá)到飽和 ,另外當(dāng)發(fā)射信號結(jié)束時 ,晶片還保持幾個周期的余振 ,所以回波信號有十幾個波頭。在具體設(shè)計中 , 比較了 1 個 40KHz 脈沖方波 。 10 個 40KHz 脈沖方波 。此時 , 從接收回波信號幅度和測量盲區(qū)兩個方面來衡量比較淮南師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 17 適中。 超聲波接收控制電路設(shè)計 超聲波在空氣中傳播時 ,聲強(qiáng)會隨傳播距離的增加而減小 ,這就是所說的衰減現(xiàn)象 , 其規(guī)律是按指數(shù)形式衰減， 造成超聲波衰減的因素是由于聲束本身的擴(kuò)散以及以及由于反射、散射等原因造成 的聲 強(qiáng)度減弱。 由于不同距離的回波脈沖幅度差異較大 ,回波到達(dá)時間產(chǎn)生不確定性 ,導(dǎo)致測量誤差產(chǎn)生。因而 從較遠(yuǎn)距離反射的回波信號的放大倍數(shù)較大 ,而距離較近的反射信號 ,也就是時間上較早到達(dá)的回波信號的放大倍數(shù)較小 ,由此進(jìn)行的幅度補(bǔ)償稱為時間增益補(bǔ)償 ( Time Gain Compensa2tion ,TGC) ,也稱靈敏度時間補(bǔ)償 (STC) 。另外，由于輸入信號為正弦波，因此必須將放大電路設(shè)計成交流放大電路。前三級放大增益均為 10，距離較近時，兩級放大時的增益已經(jīng)能輸出足夠強(qiáng)度的信號了，第三級可能出現(xiàn)信號飽和，但距離較遠(yuǎn)時，必須采用三級放大。可由軟件來完成增益切換，切換的原理 是先進(jìn)行大增益搜索回波，一旦發(fā)現(xiàn)回波但后繼無回波的情況，說明增益過大，必須減少一級增益。其原因是第一回波不可能作為距離計算依據(jù)，采用的可能是第二或第三回波的前沿信號，存在時差問題。 R1 及 R2 為第一級運(yùn)放的輸入和反饋電阻， 通過改變兩者比值 可方便的改變 輸入的 靈敏度 。 TL852 通過 GCD、 GCC、GCB 和 GCA 4 個管腳與 STC12C5410 連接，實(shí)現(xiàn)第二級可控增益放大器隨時間成指數(shù)變化。 圖 37 TL851 內(nèi) 部功能框圖 實(shí)測中，采用時間增益放大器后， 測距范圍從 提高到 ，而相對誤差不超過 %。 U4B 構(gòu)成一個比較電路， 其同相輸入端為 2 個 1N4148 串聯(lián)構(gòu)成的 基準(zhǔn)電壓，因?yàn)楣?PN 結(jié)的正向壓降為 。電壓比較器的閾值電壓過大 ,過小都是不適宜的。過小則不能有效抗干擾 , 因?yàn)榉糯蠛蟮男盘栔泻幸欢ǚ档脑肼?，這樣一來，即使沒有接收信號，也會造成比較器反復(fù)觸發(fā)，從而無法判斷那個信號是真正的接收信號 。 不一定是第一個回波的過零點(diǎn)觸發(fā) 。當(dāng)待測距離發(fā)生變化時 ,接收電路輸出信號的幅值就發(fā)生變化 ,距離近輸出信號幅值較大 ,此時在回波信號的第二周幅值就有可能超過規(guī)定的閾值 ,進(jìn)而發(fā)出停止計時信號 ,距離較遠(yuǎn)時 ,輸出信號幅值較小 ,回波信號的第 3 周 (甚至第 4 周 ) 幅值才有可能超過規(guī)定的閾值 , 并發(fā)出停止計時信號。 若沒有采用時間增益放大器，假設(shè) 本次設(shè)計發(fā)出的超聲波頻率為 40 K,寬度為 5 個周期 ,距離較遠(yuǎn)時在回波的第 4 周才發(fā)出停止計時的信號。 設(shè)計中，超聲波發(fā)射極和接收極距離較近，當(dāng)發(fā)射極發(fā)射超聲波后，有部分超聲波沒經(jīng)過障礙物發(fā)射就直接繞射到接收極上，這部分信號是無用的，會引起系統(tǒng)誤測。此時 T0 所記錄的CPU 發(fā)送脈沖信號的前沿到回波脈沖信號之間的 時間才是需要的。 圖 310 直射波解決前后超聲波接收信號的波形 圖 310 中 (a)為超聲波發(fā)射波形， (b)為超聲波接收 波形， (c)為干擾去除后超聲波接受波形 ,圖 (b)中 1為 為干擾信號，波形 2為有效信號 。 DS18B20 是美國公司推出的 DS1820 替代產(chǎn)品，具有 11 和 12 位轉(zhuǎn)換精度，未編程時默認(rèn)精度為 12 位，測量精度 一般為℃，軟件處理后可達(dá) ℃。十六位溫度讀數(shù)形式為： S S S S S 26 25 24 23 22 21 20 21 22 23 24 其中，高 5 位為擴(kuò)展符號位。 DS18B20 的引腳判斷方法是：字面朝人，從左 到右分別是 1（ GND）、 2（輸入 /輸出）、 3（ VDD）。 淮南師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 26 第 4 章 上位機(jī)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 利用超聲波傳感器和紅外測距傳感器檢測到的障礙物與機(jī)器人間的距離信息必須進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制管理，為此本設(shè)計采用 AVR 單片機(jī)擴(kuò)展外圍電路實(shí)現(xiàn)這一功能要求。 圖 41 為控制電路功能框圖，具體原理圖見附錄 C。在本設(shè)計中，劃分的模塊有超聲波傳感器模塊、時鐘電路模塊、串行通信接口模塊等 [13]。超聲波測距模 塊如圖 213。與其它類型的產(chǎn)品相比，該模塊具有一下特點(diǎn)： 84*48 的點(diǎn)陣 LCD，可以顯示 4 行漢字，采用串行接口 SPI 通信，信號線僅有 5 條，傳輸速率高達(dá) 4Mbps,可全速寫入顯示數(shù)據(jù)，無等待時間，采用低電壓供電，正常顯示時的工作電流在 200uA 以下，且具有掉電模式，因此非常適合于電池供電的便攜式通信設(shè)備和測試設(shè)備中。 淮南師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 28 圖 43 NOKIYA 5110 LCD 語音模塊 WT588D 電路 WT588D 是一款功能強(qiáng)大的可重復(fù)擦除 燒寫的語音單片機(jī)芯片。軟件操作方式 也 簡潔易懂， 由于 撮合了語音組合技術(shù)，大大減少語音編輯的時間。 另外， 220 段可控制地址位，單個地 址位最多可加載 128 段語音，地址位內(nèi)的語音可組合播放。 本 設(shè)計中采用一線串口方式。 淮南師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 29 圖 44 語音模塊 WT588D 電路 串行通信接口電路 為了實(shí)現(xiàn) AVR 單片機(jī)與 STC 控制功能單片機(jī)系統(tǒng)的串行通信，控制電路設(shè)計中特設(shè)計了單片機(jī)串行通信接口電路。 圖 45 串行通信模塊電路 淮南師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 30 控制電路工作時，首先由驅(qū)動電源提供供給電壓， ATMega 16 單片機(jī)及各外圍電路初始化，單片機(jī)通過 和 管腳輸入觸發(fā)控制信號至超聲波傳感器，超聲波傳感器進(jìn)行距離測量后，通過 和 管腳將回聲信號輸入到單片機(jī)中，供單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過這 個接口傳來的超聲波 信號，單片機(jī)可以計算得出測得的距離數(shù)據(jù)；要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人避障系統(tǒng)的完整功能，此測距控制單片機(jī)必須要與上位機(jī)交互聯(lián)系，為了實(shí)現(xiàn)這種交互聯(lián)系的正常進(jìn)行，控制電路設(shè)計過程中擴(kuò) 展了串行通信接口電路。 系統(tǒng)控制選用了 STC與 AVR 雙 單片機(jī) 方案 ， 并根據(jù)需要設(shè)計了其外圍擴(kuò)展電路，最后完成了 系統(tǒng)測距 總 控制電路 圖 的設(shè)計 。 (1)機(jī)器語言 (Machine Langue)是 指直接用機(jī)器碼編寫的程序。機(jī)器語言一般只在簡單的開發(fā)裝置中使用，程序的設(shè)計、輸入、修改和調(diào)試都很麻煩。匯編語言程序結(jié)構(gòu)簡單、執(zhí)行速度快、程序易優(yōu)化，編譯后占用存儲空間小，使單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)中最常用的程序設(shè)計語言。 (3)高級語言 (Highlevel Language)是 在匯編語言的基礎(chǔ)上用自然語言語句來編寫程序，程序可讀性強(qiáng)，通用性好，適用于不熟悉單片機(jī)指令系統(tǒng)的用戶。 目前，大多數(shù)用戶仍然適用匯編語言進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計。在本設(shè)計中 根據(jù)課題所涉及的輪 椅機(jī)器人避障功能要求，結(jié)合 課題的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境， 總結(jié)出 本系統(tǒng)的軟件應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能： (1)控制超聲波發(fā)射、接收傳感器的工作狀態(tài)； (2)測出超聲波信號的往返時間， 利用超聲測距公式 計算出障礙物與機(jī)器人的距離； (3)能根據(jù)用戶的需求，改變傳感器模塊工作流程。 超聲波測距 控制程序 設(shè)計 結(jié)合 系統(tǒng) 中 Polaroid 6500 系列超聲 波測距 傳感器的測距工作原理， 分析出單片機(jī)與超聲波傳感器的連接控制過程，為實(shí)現(xiàn)每個超聲波傳感器合理的進(jìn)行距離測量，本設(shè)計中設(shè)計的 超聲波傳感器測距控制程序流程圖 如圖51 所示 。 實(shí)現(xiàn)此智能化功能，除了 要設(shè)計出各 傳感器的測距功能控制 子 程序，還 需 設(shè)計出 系統(tǒng) 總 控制程序。 開始程序初始化選擇第i個 超聲傳感器 選擇第i個 紅外傳感器運(yùn)行超聲傳感器測距程序 運(yùn)行紅外傳感器測距程序執(zhí)行傳感器選擇程序得到超聲距離數(shù)據(jù) 得到紅外距離數(shù)據(jù)傳輸距離數(shù)據(jù)到上位機(jī)結(jié)束 圖 52 測距系統(tǒng)總控制程序流程圖 根據(jù)以上所規(guī)劃的程序設(shè)計流程圖，使用編程語言編制了單片機(jī)控制下的超聲波檢測程序 。根據(jù)硬件電路的設(shè)計，規(guī)劃出了硬件電 路工作的程序功能框圖，并針對 測距 系統(tǒng)的超聲波 設(shè)計出了 程序模塊來控制測距過程；最后根據(jù)劃分的 各部分程序功能模塊，提出了系統(tǒng)控制軟件設(shè)計要求。 淮南師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 34 第 6 章 硬件調(diào)試及測量分析 超聲波發(fā)射電路的調(diào)試 先斷開跳線器，檢測單片機(jī)輸出的波形是否正確，測量 R3 接 MCU 的信號，保證波形的頻率、占空比及脈沖的個數(shù)正確 (符合程序控制的要求，目前的程序是發(fā)送 10 個脈沖 )，如圖 61 所示： 圖 61 然后測試 余波減弱控制信號 (如果選擇了初級余波減弱電路，并在軟件上設(shè)計了 )，檢測 R4 接 MCU 的端子。驅(qū)動波形測量 D882 的 C 端，也就是跳線器上。 另外，可以檢測一下有無余波消除的 差別，因?yàn)橐陀嗖刂菩盘柾瑫r觀察，所以用驅(qū)動信號代替輸出，由于變壓器的耦合作用，信號是一樣的，只是幅值不同。 當(dāng)改變 R5 的數(shù)值時， 圖 64 右側(cè)波形會發(fā)生變化，此外，要想確定是否達(dá)到諧振狀態(tài)，可檢測沒有余波抑制時的余波信號，此時的頻率即為諧振頻率 (圖中用余波抑制控制信號來指明后面的波不是由 MCU 產(chǎn)生的 )。 淮南師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 37 超聲波接收電路的調(diào)試 超聲波接收部分硬件比較簡單，關(guān)鍵是軟件上能控制好增益的變化，以及內(nèi)部計時。 淮南師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 38 圖 67 圖 67 為增益控制最低位 GCA 的波形，注意圖中光標(biāo)所示的時間，對照 TL851 資料，確定增益控制有效后，檢測 SOUT 端（或者 C14），可以看到輸出。之后在收到回波后，設(shè)計的程序會根據(jù)設(shè)定的時間決定是否再次短路 SOUT 輸出，以避免由于附近兩側(cè)的 物體反射干擾。這個功能在設(shè)計程序時確定是否需要，此處只是作為參考。 因?yàn)榍笆鎏幚矸绞?，中斷?波形可能會比較窄，不容易測到，需要使用示波器的信號觸發(fā)掃描功能，如圖 69： 圖 69 至此，超聲波接收 部分基本調(diào)試完成。 測試用儀器： 卷尺 、秒表、溫度計 測試數(shù)據(jù) 室內(nèi)環(huán)境測試結(jié)果 當(dāng)時環(huán)境 溫度 ： ℃ 次數(shù) 項(xiàng)目 單位（ m） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 卷尺測距值 顯示 測距值 測距誤差 顯示速度值 室外環(huán)境測試結(jié)果 當(dāng)時 環(huán)境溫度 ： ℃ 次數(shù) 項(xiàng)目 1 2 3 4 5 6 7 8 9 卷 尺 測 距值 顯示 測距值 測距誤差 顯 示 速 度值 淮南師范學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 41 溫度的影響 理想環(huán)境下 ，超聲波在一種介質(zhì)