超聲波測距系統設計

　　引言

　　在自主行走機器人系統中，機器人要實現在未知和不確定環境下行走，必須實時采集環境信息，以實現避障和導航，這必須依靠能實現感知環境信息的傳感器系統來實現。視覺、紅外、激光、超聲波等傳感器都在行走機器人中得到廣泛應用。由于超聲波測距方法設備簡單、價格便宜、體積小、設計簡單、易于做到實時控制，并且在測量距離、測量精度等方面能達到工業實用的要求，因此得到了廣泛的應用。本文所介紹的機器人采用三方超聲波測距系統，該系統可為機器人識別其運動的前方、左方和右方環境而提供關于運動距離的信息。

　　1　超聲波測距原理

　　超聲波發生器內部由兩個壓電片和一個共振板組成。當它的兩極外加脈沖信號，且其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發生共振，并帶動共振板振動，便產生超聲波。反之，如果兩極間未加外電壓，當共振板接收到超聲波時，就成為超聲波接收器。超聲波測距一般有兩種方法：①取輸出脈沖的平均電壓值，該電壓與距離成正比，測量電壓即可測量距離；②測量輸出脈沖的寬度，即發射超聲波與接收超聲波的時間間隔t，根據被測距離s=vt？2來得到測量距離，由于超聲波速度v與溫度有關，所以如果溫度變化比較大，應通過溫度補償的方法加以校正。

　　本測量系統采用第二種方法，由于測量精度要求不是特別高，所以可以認為溫度基本不變。

　　本系統以PIC16F877單片機為核心，通過軟件編程實現其對外圍電路的實時控制，并提供給外圍電路所需的信號，包括頻率振動信號、數據處理信號等，從而簡化了外圍電路，且移植性好。系統硬件電路方框圖見圖1。

　　由于本系統只需要清楚機器人前方、左方、右方是否有障礙物，并不需要知道障礙物與機器人的具體距離，因此不需要顯示電路，只需要設定一距離閥值，使障礙物與機器人的距離達到某一值時，單片機控制機器人電機停轉，這可通過軟件編程實現。

　　2　超聲波發射電路

　　超聲波的中心頻率為40kHz，該頻率可以通過以下程序產生（部分源程序）：

　　2.1　超聲波發射電路

　　超聲波發射電路以PIC16F877為核心，當單片機上電時，單片機從RA0口產生40kHz的超聲波信號，但是此時該信號無法通過與非門進入放大電路使超聲波發射頭發射超聲波，只有閉合開關S1時，從RA1口發射出一門控信號，該信號的頻率為4kHz，同時啟動單片機內部的定時器TMR1，開始計數。該門控信號每發射一個周期的波形，超聲波就會發射10個完整的波形，這可由它們的頻率得出。超聲波的周期為1（40kHz）=01025ms，而門控信號的周期為1（4kHz）=0125ms。最后根據s=vt2求出障礙物與移動機器人的距離。當超聲波接收頭收到反射回來的超聲波時，計數器停止計數，時間t可以根據計數器的計數與門控信號的周期求出。RA2口接RS觸發器，RS觸發器可以自動控制超聲波的發射和停止。本系統的電路還包括人工復位電路，由單片機的MCLR引腳接S2來控制，超聲波發射電路圖見圖2。

　　2.2　門控電路（RS觸發器）

　　為實現對超聲波發射和接收的自動控制，須在電路中加一門控電路，該門控信號頻率為4kHz，如把輸出脈沖作為閘門信號，讓已知頻率fc的脈沖恰好通過閘門，那么t=NTc，其中，Tc為已知脈沖的周期，N為脈沖的個數。

　　門控電路由RS觸發器組成，當輸入端R=1（S=0）時復位，即輸出端Q=0;當R=0（S=1）時置位，即Q=1。RS觸發器與單片機的RA2口相連。

　　2.3　超聲波放大電路

　　超聲波放大電路由三極管等組成，由于單片機RA口最多只有20mA～25mA上拉電流，而超聲波發射器最小需要60mA的電流，所以在與非門后加一級放大電路來放大電流，以完成超聲波的發射。超聲波放大發射電路見圖3。

　　3　超聲波接收電路

　　3.1　超聲波接收放大電路

　　由于超聲波接收頭接收到的超聲波信號很微弱，所以在其后需加一超聲波接收放大電路。該電路采用兩個集成運放，設計為兩級，兩級都為同相輸入，因為同相輸入的電壓放大倍數為1+RfR，所以每一級的放大倍數為10，兩級放大倍數接近100倍，這樣后續電路就可以很容易地檢測到輸入的信號。集成運放采用雙電源供電，超聲波接收放大電路見圖4。

　　3.2　信號濾波電路

　　從信號放大電路出來的聲波帶有一定的干擾，為了去除干擾信號，需要一濾波電路，信號濾波電路選用帶通濾波器電路，使其中心頻率為40kHz、帶寬為2kHz，外加一過零比較器，使輸出信號轉化為方波信號。信號濾波電路見圖5。

　　3.3　信號整形電路

　　從信號濾波電路出來的方波信號很不規則，故其后加一整形電路，整形電路由兩級非門串聯，并聯一電阻組成，整形后再送單片機進行處理，信號整形電路見圖6。

　　4　軟件程序設計

　　軟件采用模塊化設計，由主程序、發射子程序等組成，軟件程序框圖見圖7。

　　5　結語

　　本文設計的超聲波測距系統采用了單片機編程技術，配合硬件完成了系統的要求，其精度能滿足大部分的工程需要。與傳統的測距系統相比，具有結構簡單、價格便宜、移植性好等特點。
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