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1、安全避障是移动机器人研究的一个基本问题。 障碍物 与机器人之间距离的获得是研究安全避障的前提， 超声波传感器 以其信息处理简单、价格低廉、硬件容易实现等优点， 被广泛用作测距传感器。 本超声波测距系统选用了 SensComp公司生产的 Polaroid 6500 系列超声波距离模块和 600 系列传感器， 微处理器采用了 ATMEL公司的 AT89C51。本文对此超声波测距系统进行了详细的分析与介绍。1、 超声波传感器及其测距原理超声波是指频率高于 20KHz的机械波 1 。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波
2、探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应 1 的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电 信号 。超声波测距的原理一般采用渡越时间法 TOF（ time of flight ） 2 。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离，即1 、 硬件电路设计我们设计的超声波测距系统由 Polaroid 600 系列传感器、 Polaroid 6500 系列超声波距离模块和 AT89C51单片机 构
3、成。2.1 Polaroid 600 系列传感器此超声波传感器是集发送与接收一体的一种传感器。传感器里面有一个圆形的薄片，薄片的材料是塑料，在其正面涂了一层金属薄膜，在其背面有一个铝制的后板。薄片和后板构成了一个电容器，当给薄片加上频率为 49.4kHz 、电压为 300VAC pk-pk 的方波电压时，薄片以同样的频率震动，从而产生频率为 49.4kHz 的超声波。当接收回波时， Polaroid 6500 内有一个调谐电路，使得只有频率接近 49.4kHz 的信号才能被接收，而其它频率的信号则被过滤。Polaroid 600 超声传感器发送的超声波具有角度为 30 度的波束角 3 ，如图
4、1 所示：图 1 波束角超声波传感器既可以作为发射器又可以作为接收器，传感器用一段时间发射一串超声波束，只有待发送结束后才能启动接收，设发送波束的时间为 D，则在 D时间内从物体反射回的信号就无法捕捉；另外，超声波传感器有一定的惯性，发送结束后还留有一定的余振，这种余振经换能器同样产生电压信号，扰乱了系统捕捉返回信号的工作。因此，在余振未消失以前，还不能启动系统进行回波接收，以上两个原因造成了超声传感器具有测量一定的测量范围。此超声波最近可以测量 37cm。 nbsp; 2.2 Polaroid 6500 系列 超声波 距离模块Polaroid 6500 系列超声波距离模块的硬件电路如图 2
5、所示：图 2 Polaroid 6500 系列超声波距离模块的硬件电路TL851 是一个经济的数字 12 步测距控制集成电路。内部有一个 420KHz的陶瓷晶振， 6500 系列超声波距离模块开始工作时，在发送的前 16 个周期，陶瓷晶振被 8.5 分频，形成 49.4KHz 的超声波 信号 ，然后通过三极管 Q1和变压器 T1 输送至超声波 传感器 。发送之后陶瓷晶振被 4.5 分频，以供 单片机 定时用。 TL852 是专门为接收超声波而设计的芯片。因为返回的超声波信号比较微弱，需要进行放大才能被单片机接收， TL852 主要提供了放大电路，当 TL852 接收到 4 个脉冲信号时，就通过
6、 REC给 TL851 发送高电平表明超声波已经接收。2.3 AT89C51 单片机本系统采用 AT89C51来实现对 Polaroid 600 系列传感器和 Polaroid 6500 系列超声波距离模块的控制。单片机通过 P1.0 引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测 INT0 引脚，当 INT0 引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与 障碍物 之间的距离。 超声波测距的硬件示意图如图 3 所示：图 3 超声波测距的硬件示意图 3 、系统软件设计系统程序流程图如图 4 所示：图 4 超声波测距程
7、序流程图工作时，微处理器 AT89C51先把 P1.0 置 0，启动超声波传感器发射超声波，同时启动内部定时器 T0 开始计时。由于我们采用的超声波传感器是收发一体的，所以在发送完 16 个脉冲后超声波传感器还有余震，为了从返回信号识别消除超声波传感器的发送信号，要检测返回信号必须在启动发射信号后 2.38ms 才可以检测，这样就可以抑制输出得干扰。当超声波信号碰到障碍物时信号立刻返回，微处理器不停的扫描 INT0 引脚，如果 INT0 接收的 信号 由高电平变为低电平，此时表明信号已经返回，微处理器进入中断关闭定时器。再把定时器中的数据经过换算就可以得出 超声波传感器 与 障碍物 8 楼：
8、参与讨论作者： tyw 于 2007-3-18 11:49:00 发布：续超声波测距电路设计文铎超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现1 开关电源和电源 1 传感器控制技术 1 气体放电灯电源 1 高低电压逆变技术 1 本站制作电源技术 1 电器维修技术经验 1 单片机编程及应用 1 电子小制作技术 1电子电路基础 1 电子应用技术 1 电工基础知识 1 电子实用电路 1 手机技术和维修 1 数据通信载波技术 1 音响功放音箱技术 1 简易电子电源制作低频 400Hz 的 HID 全桥驱动模块是设计气体放
9、电灯电源的简单方案，有 HID 全桥驱动模块的支持生产 HID 灯节能电子镇流器不再繁琐，电子制作网有了您的支持会为您提供更多的成品技术供您参考。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。本文所介绍的三方向（前、左、右）超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左
10、侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。二、 超声波测距原理1、 超声波发生器为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。2、压电式超声波发生器原理压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图 1 所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电
11、晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。3、超声波测距原理超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为 340m/s，根据计时器记录的时间 t ，就可以计算出发射点距障碍物的距离 (s) ，即： s=340t/2 图 1 超声波传感器结构这就是所谓的时间差测距法。 三、 超声波测距系统的电路设计图 2 超声波
12、测距电路原理图本系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时，单片机选用 8751，经济易用，且片内有 4K 的 ROM，便于编程。电路原理图如图2 所示。其中只画出前方测距电路的接线图，左侧和右侧测距电路与前方测距电路相同，故省略之。1、 40kHz 脉冲的产生与超声波发射测距系统中的超声波传感器采用 UCM40的压电陶瓷传感器，它的工作电压是 40kHz 的脉冲信号，这由单片机执行下面程序来产生。puzel ： mov 14h, #12h ；超声波发射持续 200ms here ： cpl p1.0 ；输出 40kHz 方波nop ；nop ；nop ；djn
13、z 14h ， here ；ret 前方测距电路的输入端接单片机 P1.0 端口，单片机执行上面的程序后，在 P1.0 端口输出一个 40kHz 的脉冲信号，经过三极管 T 放大，驱动超声波发射头 UCM40T，发出40kHz 的脉冲超声波，且持续发射 200ms。右侧和左侧测距电路的输入端分别接 P1.1 和 P1.2 端口，工作原理与前方测距电路相同。2、超声波的接收与处理接收头采用与发射头配对的 UCM40R， 将超声波调制脉冲变为交变电压信号， 经运算放大器 IC1A 和 IC1B 两极放大后加至 IC2。 IC2 是带有锁定环的音频译码集成块 LM567，内部的压控振荡器的中心频率
14、f0=1/1.1R8C3 ，电容 C4决定其锁定带宽。调节 R8 在发射的载频上，则 LM567输入信号大于 25mV，输出端 8 脚由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。前方测距电路的输出端接单片机 INT0 端口，中断优先级最高，左、右测距电路的输出通过与门 IC3A 的输出接单片机 INT1 端口，同时单片机 P1.3 和 P1.4 接到 IC3A 的输入端，中断源的识别由程序查询来处理，中断优先级为先右后左。部分源程序如下：receive1 ： push psw push acc clr ex1 ；关外部中断 1 jnb p1.1, right ； P1.1 引脚为
15、0, 转至右测距电路中断服务程序jnb p1.2, left ； P1.2 引脚为 0, 转至左测距电路中断服务程序return ： SETB EX1；开外部中断 1 pop? acc pop? psw reti right ： .? ；右测距电路中断服务程序入口? ajmp? return left ： . ；左测距电路中断服务程序入口? ajmp? return 3、计算超声波传播时间在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器 T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在 INT0 或 INT1 端产生一个中断请求
16、信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。其部分源程序如下：RECEIVE0： PUSH PSW PUSH ACC CLR EX0 ；关外部中断 0 ? MOV R7, TH0 ；读取时间值MOV R6, TL0? CLR C MOV A, R6 SUBB A, #0BBH；计算时间差MOV 31H, A ；存储结果MOV A, R7 SUBB A, #3CH MOV 30H, A? SETB EX0 ；开外部中断 0 POP ACC? POP PSW RETI 四、超声波测距系统的软件设计软件分为两部分，主程序和中断服务程序，如图 3（ a）（ b） (c) 所示。主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制。定时中断服务子程序完成三方向超声波的轮流发射，外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。五
