超声装置在移动机器人探测功能中的应用.doc

I 超声装置在移动机器人探测功能中的应用超声装置在移动机器人探测功能中的应用 摘 要 随着社会的发展 人们对距离或长度测量的要求越来越高 在社会生活中超 声装置在移动机器人探测功能中的应用已很广泛 如汽车倒车雷达 测距仪和物 位测量仪等都可以通过超声波来实现 超声装置在移动机器人探测功能应用中控 制系统的核心部分是超声波测距仪的研制 因此设计好的超声测距仪就显得非常 重要了 针对移动机器人在移动过程中会遇到各种障碍物并需要合理的避开 以 移动机器人为平台 利用超声测距原理 以单片机为核心设计一种基于超声装置 的移动机器人避障系统 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖 本设计采用以STC12C2052单片机为核心的低成本 高精度 微型化数字显示 超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法 整个电路采用模块化设计 由主程序 预置子程序 发射子程序 接收子程序 显示子程序等模块组成 各探头的信 号经单片机综合分析处理 实现超声装置在移动机器人中的测距及避障 在此基 础上设计了系统的总体方案 最后通过硬件和软件实现了各个功能模块 相关部 分附有硬件电路图 程序流程图 聞創沟燴鐺險爱氇谴净 经实验证明 这套系统软硬件设计合理 抗干扰能力强 实时性良好 很好 的应用于移动机器人探测功能中 以软硬件实现移动机器人利用超声装置实现测 距以及避障功能 具有很好的实际意义 残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟 关键词 单片机 超声波 测距 II Ultrasonic device application in mobile robot detection function酽锕极額閉镇桧猪訣锥 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 has a wide range of applications in social life such as cars reversing radar range finder and level measurement and so on Control System is the core component of the development of ultrasonic range finder Therefore it is very important to design a good ultrasonic range finder For mobile robot moving process will encounter various obstacles and avoid to move reasonably as a mobile robot platform the use of ultrasonic ranging principle a microcontroller as the core design of mobile ultrasound device based robot obstacle avoidance system彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑 At the core of the design using STC12C2052 mcu low cost high accuracy Micro figures show that the ultrasonic range finder hardware and software design methods Modular design of the whole circuit from the main program pre subroutine fired subroutine receive subroutine display subroutine modules form SCM comprehensive analysis of the probe signal processing and the ultrasonic range finder function On the basis of the overall system design hardware and software by the end of each module 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔 The research has led to the discovery that the software and hardware designing is justified the anti disturbance competence is powerful and the real time capability is III satisfactory With hardware and software for mobile robot using an ultrasonic device to achieve distance and obstacle avoidance capabilities It can be good for the mobile robot detection function and have the actual significance 厦礴恳蹒骈時盡继價骚 Key words MCU Silent Wave Measure Distance 1 第1章 绪 论 随着电子技术和计算机技术的发展 移动机器人在降低劳动强度和生产成本方面起着日益重要的作用 许多应用场合 都要求机器人在未知环境中能够自动识别行驶方向上的障碍物 超声波传感器成 本低 可以实现非接触式的距离测量 超声测距是一种非接触式的检测方式 与 其它方法相比 如电磁的或光学的方法 它不受光线 被测对象颜色等影响 对于 被测物处于黑暗 有灰尘 烟雾 电磁干扰 有毒等恶劣的环境下有一定的适应 能力 因此超声装置在移动机器人探测功能等方面有广泛应用 特别是应用于空 气测距 由于空气中波速较慢 其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容 易检测出来 具有很高的分辨力 因准确度也较其它方法为高 而且超声波传感器 具有结构简单 体积小 信号处理可靠等特点 茕桢广鳓鯡选块网羈泪 1 1 研究背景和意义 超声波测距是一种传统而实用的非接触测量方法 和激光 涡流和无线电测 距方法相比 具有不受外界光及电磁场等因素的影响的优点 在比较恶劣的环境 中也具有一定的适应能力 且结构简单 成本低 因此在工业控制 建筑测量 机器人定位避障方面得到了广泛的应用 但由于超声波传播声时难于精确捕捉 温度对声速的影响等原因 使得超声波测距的精度受到了很大的影响 限制了超 声测距系统在测量精度要求更高的场合下的应用 鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴 距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数 测距成为数据采集中要 解决的一个问题 而由于超声波的速度相对光速小的多 其传播时间比较容易检 测 并且易于定向发射 方向性好 强度好控制 因而人类采用仿真技能利用超 2 声波测距 超声波测距是一种利用超声波特性 电子技术 光电开关相结合来实 现非接触式距离测量的方法 因为它是非接触式的 所以它就能够在某些特定场 合或环境比较恶劣的情况下使用 比如要测量有毒或有腐蚀性化学物质的液面高 度或高速公路上快速行驶汽车之间的距离 籟丛妈羥为贍偾蛏练淨 超声波测距是一种极有潜力的方法 本文结合超声波的特性设计了一个简单 实用的超声测距与避障系统 1 2 本领域的研究历史与现状 目前国内超声波测距仪的发展主要采用引进加仿制等手段 还有许多合资企 业代理国外相应产品 我国在该领域的发展相对国外还有很大差距 普遍存在产 品性能指标低 仪表可靠性差 企业技术力量及装备差等问题 預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴 深圳长泉机电C可作连续测距和单次测距 可省电的自动关闭电源功能 公英制单位转 换 渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦 杰创立仪器有限公司生产的UD2500型超声波测距仪 可以实现公英制直接转 换 测量基准选择 记忆 调出记忆数据 计算面积和体积 五组不同的记忆体 累加长度和 自动关机功能 LED背光显示 按键声提示 出错声提示 确认 声音提示 面积测量功能 距离测量功能 体积测量功能 累加求和功能 铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡 3 国内外的学者在提高超声波测距精度方面也作了大量的研究 影响超声波测 距精度的因素包括所测的超声波传输时间和超声波在介质中的传播速度 其中传 输时间的精度影响较大 许多人提出采用降低传输时间的不确定度来提高测量精 度 目前 相位探测法和声谱轮廓分析法或者二者的结合是主要的降低传输时间 不确定度的方法 厦门大学的童峰提出了一种回波轮廓分析法 该方法在测距中 通过两次探测求取回波轮廓包络曲线来求得回波的起点 通过这种方法使测量精 度有了很大的提高 意大利的Carullo等人介绍了一种自适应系统 发射特殊的 波形来获得好的回波包络 设置一定的回波开启电平 并采用自动增益的控制放 大器 也有文献提出通过数字信号处理技术和小波变换理论来提高测量精度 擁締 凤袜备訊顎轮烂蔷 1 3 课题主要内容和课题研究方案 本课题主要内容是设计一个超声波测距与避障系统 由于超声波在空气中的 传播速度为已知 测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间 根据发射和接 收的时间差 最终计算出发射点到障碍物的实际距离 并且设计出移动机器人的 避障系统 以躲避障碍物 贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷 课题研究方案是根据设计要求并综合各方面因素 采用单片机作为主控制器 控制超声波的接收和发射 并用动态扫描法实现LED数字显示 超声波驱动信 号用单片机的定时器完成因为不同的超声波发生器产生的超声波的频率 功率和 声波特性各不相同 本设计要进行近距离测量 所以选用利用电气方式产生超坛摶 乡囂忏蒌鍥铃氈淚 声波的超声波发生器 压电式超声波换能器 4 第2章 超声波测距系统的工作原理 2 1 超声波概述 声音是与人类生活紧密相联的一种自然现象 人们对声音早有认识 在人们 的日常生活中存在着各式各样的声音 在科学史上 声学是发展最早的学科之一 然而 由于超声是人耳听不到的信号 直到18世纪 人们才开始研究海豚 蝙 蝠等动物时 才推测自然界存在超声 声波是一种能在气体 液体和固体中传播 的机械波 根据声波振动频率的范围 可以分为次声波 声波 超声波和特超声 波 当声的频率高到超过人耳的频率极限时 人们就觉察不出声的存在 我们称 这种高频率的声为超声 频率高于人类听觉上限频率 约20000Hz 的声波 称为 超声波 或称超声 超声波在介质中传输的速度即介质的声速 它是一秒钟超声 波等相位面通过的距离 与介质的密度和弹性性质有关 对于液体介质 只能传 播纵波 声速参数与声介质 声阻抗及生衰减等有很大关系 蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘 声速是随着介质及其状态 如温度 的不同而不同 如在常温下 空气中的声 速约为334m s 在水中的声速约为1440m s 而在钢铁中约为5000m s 除水以外 大部分液体的声速随温度的升高而增加 流体中的声速随压力的增加而增加 買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄 声速与介质的许多特性有关 有的关系非常直接 可有精确的理论公式 有 的关系比较间接而复杂 但在特定条件下 也可建立一些经验公式 例如介质的 成分 混合物的比例 溶液的浓度 某些液体的比重等 都可以与声速建立一定 关系 这样就可以通过声速来测定这些特性参数 由于介质的温度 压强和流速 等状态参量的变化都会引起响应的声速变化 因此出现了超声温度计和超声流量 5 计等 在声速已知的介质中 可以利用身波传播距离L和传播时间t的关系L vt 进行超声测距 超声液位计和超声测厚计就是这方面的典型应用 綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚 糴 声阻抗是当声波从一种介质传播到另一种介质 在两个介质的分界面上一部 分超声波被反射 另一部分透射过界面 在另一种介质内部继续传播 这样的两 种情况称之为声波的反射和折射 驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦 由物理学可知 当波在界面上产生反射时 入射角的正弦之比等于波速之比 当入射波和反射波的波型相同时 波速相同 入射角度等于反射角 当波在界 面处生折射时 入射角的正弦与折射角的正弦之比 等于入射波在第一介质中的 波速与折射波在第二介质中的波速之比 猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑 超声波在两种介质的界面上的反射能量和透射能量的变化 取决于这两种介 质的声阻抗之比 声阻抗定义为传声介质的密度 与声速c的乘积 用Z表示 它 是介质固有的一个常数 它的数值对超声波在介质中的传播非常重要 单位为瑞 利 rayl 锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔 超声波在弹性介质中传播时 会发生能量的衰减 其产生原因可分为三个方 面 1 由于波前的扩展而产生的能量损失 2 超声波在介质中的散射而产生的能量损失 即散射衰减 3 由于介质内耗所产生的吸收衰减 2 2 超声波传感器 6 超声波传感器的工作原理是陶瓷的压电效应 超声波传感器在测量过程中 声波信号由传感器发出经液体或固体物体表面反射后折回由同一传感器接收 可 以测量声波的整个运行时间 从而实现物位的测量 本仪器是现场监控系统的液 位测量子功能模块 测距仪系统所用传感器是CUSS100 CUSS100 超声波传感器采用声波反射原理 从而避免传感器直接与介质接触 实现非接触 测量物位 这一点对固体散料 粘稠介质 固体 液体混合介质的物位测量非常 重要 其最佳工作频率75 kHz 适于中程范围测量 最大量程10 m 盲区20 cm 脉冲触发模式工作 此类传感器适应强 可在 40 90 环境下正常工作 散射角最大15 为测量更精确 鉴于声速受温度影响最大 测距数据处理过程采用了温度补偿 且各种温度传感器均可用于本系统的温度补 偿 構氽頑黉碩饨荠龈话骛 为了以超声波作为检测手段 必须产生超声波和接收超声波 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 或者超声波探头 3 4 压电式超声波传感器如图2 1所示 輒峄陽檉簖疖網儂號泶 7 图2 1 超声波传感器结构图 压电式超声传感器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将 外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件 超声换能器的种类很多 按 照实现超声传感器机电转换的物理效应的不同可将换能器分为电动式 电磁式 磁致式 压电式和电致伸缩式等 目前压电式换能器的理论研究和实际应用最为 广泛 本文超声波测距选用的也是压电式超声波换能器 常见的压电材料有石英 晶体 压电陶瓷 压电半导体 高分子压电材料等 压电效应包括正压电效应和 逆压电效应 尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅 逆压电效应是指将具有逆压电效应的介质置于电场中 由于电场作用介质内 部正负电荷中心发生位置变化 这种位置变化在宏观上表现为产生了形变 形变 与电场强度成正比 如电场反向 则形变亦相反 这一现象称为逆压电效应 利 用逆压电效应能产生超声波 将适当的交变电信号施加到晶体上 品体将发生交 替的压缩和拉伸 因而产生振动 振动频率与交变电压的频率相同 若把晶体藕 8 合到弹性介质中 晶体将充当一个超声源的作用 超声波将被辐射到那种介质 识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒 正压电效应是指当对某电介质施加应力时 产生的变形将引起内部正负电荷 中心发生相对位移而产生极化 在介质两端面上出现符号相反的束缚电荷 其电 荷密度与应力成正比 这种效应称为正压电效应 利用正压电效应将机械能 即 声能转换成电能 并用来接受超声波的装置 称为接收换能器 凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴 超声波传感器的基本特性分为频率特性和指向特性 1 频率特性 图2 2是超声波的频率特性曲线 图中 f0为超声波发射器的中心频率 在f0处 超声波发射器产生的超声机械波最强 也就是说 在f0处所产生的超 声波声压能级最高 而在f0两测 声压能级迅速减小 因此 超声波发射器一定 要使用非常接近中心频率的f0的交流电压来激励 由图知 f0为中心频率 曲线 在f0处最尖锐 输出电信号的幅度最大 信号f0处接收灵敏度最高 因此超声波 接收器具有很好的频率选择特性 在构成遥测系统时一般不再设置选频电路 另 外 超声波接收器的频率特性和输出端外接电阻有很大关系 如果R很大 如 大于100K 频率特性是尖锐共振的 并且在这个共振频率上灵敏度很高 如果R 较小 如小于10K 频率特性曲线变的平滑而且具有放宽的带宽 同时灵敏度 也随着降低 并且最大灵敏度向着稍低的频率移动 因此 超声波接收器应于输 入阻抗高的前置放大器配合使用 才能有较高的接收灵敏度 恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦 9 图2 2 超声波发射传感器的发射频率特性 2 指向特性 实际的超声波传感器中压电晶片是个小圆片 可以把表面上每个点看成1个振荡 源 辐射出一个半球面波 子波 这些子波没有指向性 但离开超声波传感器 的空间某一点的声压是这些子波叠加的结果 衍射 却有指向性 指向特性用 指向图表示 下图2 4就是超声波传感器的指向图 超声波传感器的指向图是由一个主瓣和几个副瓣 构成 其物理意义是 0声压最大 角度逐渐增大时 声压减小 超声波传感器 的指向角一般为40度 80度 5 超声波传感器指向特性图如图2 3所示 鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫 10 图2 3 超声波传感器指向特性图 2 3 超声波测距 2 3 1 超声测距原理 为了使移动机器人实现避障 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 脉冲法测距的原理如图2 4 所示 图2 4 脉冲法测距 首先超声波传感器向空气中发射声脉冲 声波遇到被测物体反射回来 若可以测出第一个回波达到的时间与发射脉冲间的时间差t 利用即可算得传感器与反射点间的距离s 测量距离若 1 s vt 2 22 h d s 2 11 时 则d s 本仪器采用收发同体传感器 故h 0 sh 则d 硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹 1 s vt 2 温度补偿 常温常压下 空气近似为理想气体 超声波在理想气体中传播速度为 式中 为气体摩尔质量 r 为气体的比热比 R 为气体常数 T 1 rvRT 为热力学温度 对于一定的气体r 为定值 由公式可知 声速与热力学温度的平方根成正比 温度越高声速越 大 温度越低声速越小 0 时 空气中声速的实验值为331 45 m s 空气中声速表达式为阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖 2 1 273 16 v331 45 273 16 m s 由实验分析得距离计算公式为 2 2 331 45273 16 15 273 16 r N smm f 式中N 为计数个数 f r 为参考频率 为摄氏温度 s 为距离 在25 时 为本仪器的距离计算公式 电路中未用温度传感器 所 0 173142515sNmm 以仅进行常温下的声速补偿 v 346 285 m s 在其它情况下 可根据具体需要而程序会略有改动 氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩 2 3 2单片机实现测距原理 单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回 波 从而测出发射和接收回波的时时间差t 然后求出距离S Ct 2 式中的C为超 声波波速 釷鹆資贏車贖孙滅獅赘 12 限制系统的最大可测距离存在4个因素 超声波的幅度 反射的质地 反射 和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度 接收换能器对声波脉冲的直接 接收能力将决定最小的可测距离 为了增加所测量的覆盖范围 减小测量误差 可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射 接收的设计方法 由于超声 波属于声波范围 其波速C与温度有关 表2 1列出了几种不同温度下的波速 怂阐 譜鯪迳導嘯畫長凉 表2 1 波速与温度的关系 温度 30 20 100102030100 声速 m s 313319325323338344349386 在测距时由于温度变化 可通过温度传感器自动探测环境温度 确定计算距 离时的波速C 较精确地得出该环境下超声波经过的路程 波速确定后 只要测 得超声波往返时间t 即可求得距离S 其系统原理框图如图2 5所示谚辞調担鈧谄动禪 泻類 图2 5 测距系统原理框图 13 单片机发出短暂的40kHz信号 经过放大后通过超声波换能器输出 反射后 的超声波经超声波换能器作为系统的输入 锁相环对此信号锁定 产生锁定信号 启动单片机中断程序 得出时间t 再由系统软件对其进行计算 判别后 相应 的计算结果被送至LED显示 嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩 2 4 超声波测量中盲区及近限和远限 用往返时间检测法测量距离时 障碍物与超声波传感器间的距离既不能太远 也不能太近 存在着距离测量的近限和远限 5 距离过远时 接收到的信号太 弱 以致无法从噪声信号中分辨出来 这是远限存在的原因 在距离过近时 接 收信号将落进盲区中而无法分辨出来 这是近限所以存在的原因 熒绐譏钲鏌觶鷹緇機 库 在使用一个探头同时充当发射和接收的情况下 由于在探头上施加的发射电 压强达几十伏甚至上百伏以上 虽然发射信号只维持一个极短的时间 但停止施 加发射信号后 探头上还存在一定的余振 因此在一段较长的时间内 加在接收 放大器输入端的发射信号幅值仍是相当强的 可以达到限幅电路 引起探头振动 不能进行正确的测量 同时 探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小 即使是离探头较近处的液面反射信号也达不到限幅电路的限幅电平 当液面离 探头越来越远时 接收信号与发射信号相隔时间越来越长 其幅值相应的越来越 小 同时 接收信号的衰减程度总是要比发射信号余振的衰减慢得多 为了保证 一定的信噪比 接收信号需要规定一个值 接收信号必须大于这个值 才能有输 出信号 这就构成了远限的问题 鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞 14 在使用一个探头的情况下 发射信号的幅值要维持到低于引起探头振动时 接收信号才基本上摆脱了发射信号的影响而能够明显地分辨出来 所以把这段时 间规定为盲区时间 当开始计时 测量超声波在空气中的传播时间才有效 纣忧蔣 氳頑莶驅藥悯骛 但是 当探测距离很远时 为了增大发射功率 须采用特殊形式的大功率超 声发射传感器 但这些传感器的接收灵敏度一般很低 甚至无法用于接收 在这 种情况下 选用两个换能器分别用于发送和接收 而使用双探头方式 不仅可以 增加探测距离 还可以减小盲区 由于发射探头上并不直接施加发射电压 所以 从理论上说 可以没有盲区 但是 由于接收电路多少会受到发射电路的感应 并且发射探头所发出的超声波可能有部分直接绕道接收探头 因此实际上仍存 在一定的盲区 不过它要比单探头方式的盲区小很多 颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷 所以 在本实验中 我们选取了双探头的工作方式 减小盲区 同时提高检 测的距离精度 2 5 提高测距仪性能的若干措施 1 声速校正 要想通过测量超声波传播时间确定距离 声速c必须恒定 实际上声速随介 质 温度 压力等变化而变化 一般情况下 由于大气压力变化很小 因此传播 速度主要考虑温度的影响 对一定介质 通常采用对温度进行修正的方法 可以 测得比较准确的距离 通过对温度修正来校正声速的方法 即用测温元件测量实 际环境 濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻 2 减小盲区措施 15 1 压缩发射脉冲宽度 发射端采用减幅振荡脉冲或单个脉冲 可使余震 拖尾 减少 此法常用于短 距离测量距离 2 采用自动距离增益控制 采用具有自动增益控制功能的接收放大器 使近距离的增益很小 远距离时 的增益较大 这样一方面发射信号的余震幅度变小 相应的延续时间缩短 可以 分辨出近处的接受回波信号 故可使盲区减少 另一方面 可使远处的回波信号 的幅度增大 以提高测量的精度 銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼 3 信噪比问题 超声波测距仪都有确定的量程 量程主要决定于接收信号的幅值应大于规定 的阐值 这个阂值决定信噪比 噪声有两类 一类电噪声 在处理上同其它电子 仪器一样 另一类为机械噪声 其中工业噪声频率较低 对液介式超声测距仪 工作频率较高 可以避开工业噪声频谱段 而气介式超声回波测距仪 一般频率 都较低 易引入工业噪声 这时要求对环境噪声进行频谱分析 尽量避免与噪声 频率重叠 挤貼綬电麥结鈺贖哓类 16 第三章 系统硬件设计 3 1 电路工作原理及设计 主要由单片机系统及显示电路 超声波发射电路和超声波接收电路三部分组 成 利用单片机来实现对超声波和超声波转换模块的控制 单片机通过INT0引脚 来控制超声波的发送 然后单片机不停的检测INT1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 结构框图如图3 1所示 赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈 图3 1 超声波测距系统结构框图 3 2 主要电路具体设计及主要器件介绍 电路采用L7805CV作为电源电路将 12V电压转换为 5V电压 控制器选用STC1 2C2052单片机 晶振为11 0592MHZ 单片机INT0口输出超声波换能器所需的40KHz 17 方波信号 由 CX20106A红外接收芯片和TCT40 10 系列超声波换能器来实现超声波信号的接受和发射控制 经计算 距离由显示电 路显示 采用简单的3位共阳极LED数码管进行动态显示 塤礙籟馐决穩賽釙冊庫 3 2 1 电源电路 图3 2 电源电路原理图 本系统中使用到的电源包括 5V和 12V 其中 12V电压由直流稳压电源提供 通 过电源接头提供给电路板 用L7805CV为主的电路将12V电压转换 5V电压 L7805 CV的外形如图3 3所示 裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺 18 图3 3 L7805CV的外形图 这是一个三端集成稳压电源应用电路 整流滤波后得到的 12V电压 在输出 端即可得到稳定的输出电压 5V 为了改善纹波电压 在输入端接入电容C0 其 值为100uF 同时在输出端上接入电容C0 其值为100uF 以改善负载的瞬态响应 以防输出电压过高 所以在输入端和输出端之间跨接一个保护二极管V2 IN400 7 其具体作用是在输入端短路时使输入端和地之间的电容C0通过二极管放电 以保护集成稳压器内部调整管 仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁 我国电源提供的交流电一般为220V 而各种电子设备所需要的直流电压的幅 值却各不相同 因此 常常需要将电网电压先经过电源变压器 然后将变换以后 的副边电压再去整流 滤波和稳压 最后得到所需的直流电压幅值 直流电源组 成如图3 4所示 绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧 图3 4 直流电源组成 其中整流电路的作用是利用具有单向导电性能的整流元件 将正负交替的正 弦交流电压整流成为单方向的脉动电压 但其中包含很大脉动成分 距理想电压 还差很远 滤波器由电容电感等储能元件组成 它的作用是尽量将单向脉动电压 中的脉动成分滤掉 输出比较平滑的直流电压 但当电网电压或负载电流发生变 化时 滤波器输出的直流电压的幅度也将随之变化 在要求比较高的电子电路中 19 这是不符合要求的 稳压电路的作用是采取措施使输出的直流电压在电网电压或 负载电流发生变化时保持稳定 这个电源就是根具其基本原组成在其基础上按实 际需要和实际情况设计的 骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙 3 2 2 微处理器电路 微处理器电路原理图如图3 5所示 图3 5 微处理器电路原理图 微处理器的时钟可以由两种方式产生 一种是内部方式 利用芯片内部的振 荡电路 另一种方式为外部方式 引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器输入端和输 20 出端 这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振 荡器 外接石英晶体 或陶瓷谐振器 及电容C1 C2接在放大器的反馈回路中构成 并联振荡电路 对外接电容C1 C2虽然没有十分严格的要求 但电容容量的大小 会轻微影响振荡频率的高低 振荡器工作的稳定性 起振的难易程序及温度稳定 性 如果使用石英晶体 建议电容使用30pF 10pF 而如果使用陶瓷谐振器建议 选择40pF 10pF连接方式 本设计采用内部方式 晶振用11 0592MHz 瑣钋濺暧惲锟 缟馭篩凉 1 微处理器命名 STC12系列单片机是美国STC公司在8051单片机标准的内核结构基础上对芯片 内核进行了较大改进后推出的一个增一强型功能的8051的单片机 具有很多很强 的新功能 STC12系列是从引脚到内核及指令上都完全兼容8051的单片机 有32脚 PLCC 27个I 0口 28脚DIR 23个I O口 20脚DIP 15个I O口 三种封装形式 在芯片型号命名上 12代表工作频率是普通8051速度的8 12倍 C代表工作电压5 5 V 3 8V LE代表2 0V 3 8V 20代表2K字节 52代表RAM是256字节 AD表示有A D转换功能 鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類 2 STC12C2052单片机引脚如图3 6所示 21 图3 6 STC12C2052单片机引脚 STC12C2052为20引脚小型封装 2K内部程序存储器 15个可编程I O线 没 有P0口和P2口的16根I O线 内部集成了一个模拟比较器 芯片引脚的排列顺序 为从靠芯片的缺口 见上图 左边那列引脚逆时针数起 依次为1 2 3 2 0 在单片机的20个引脚中 电源引脚2根 外接晶体振荡器引脚2根 复位引脚1 根以及P1 P3口可编程I O引脚15根 栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬 主电源引脚 2根 1 VCC Pin20 电源输入 接 5V电源 2 GND Pin10 接地线 外接晶振引脚 2根 1 XTAL1 Pin5 片内振荡电路的输入端 2 XTAL2 Pin4 片内振荡电路的输出端 控制引脚 1根 RST 复位引脚 可编程输入 输出引脚 15根 1 P1口 8位准双向I O口线 P1 0 P1 7 共8根 22 2 P3口 8位准双向I O口线 P3 0 P3 5 P3 7 共7根 3 芯片特点 1 增强型1T流水线 精简指令集结构8051 CPU 2 工作电压 2 4V 3 8V 3 4V 5 5V 3 工作频率范围 0 35MHz 相当于普通8051的0 420MHz 4 用户应用程序空间512 1K 2K 3K 4K 5K字节 5 片上集成256字节RAM 6 15个通用I O口 复位后为 准双向 口 弱上拉可设置成四种模式 准双向口 弱上拉 推挽 强上拉 仅为输入 高阻 开漏 7 EEPROM功能 8 共2个16位定时器 计数器 9 PWM 2路 P CA 可编程计数器阵列 10 ADC 8路8位精度 11 通用异步串行口 UAR T 12 SPI同步通信口 主模式 从模式 13 看门狗 14 内部集成R C振荡器 精度要求不高时可省外部晶体 15 ISP IAP 16 工作温度范围 0 75 40 85 17 封装 PDIP 20 SOP 20 宽体 TSSOP 20 超小封状 辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应 4 选择STC12C2052AD系列单片机的理由 1 加密性强 无法解密 2 超强抗干扰 A 高抗静电 E S D保护 B 轻松过4KV快速脉冲干扰 EFT测试 C 宽电压 不怕电源抖动 D 宽温度范围 40 85 E I O口经过特殊处理 23 F 单片机内部的电源供电系统经过特殊处理 G 单片机内部的时钟电路经过特殊处理 H 单片机内部的复位电路经过特殊处理 I 单片机内部的看门狗电路经过特殊处理 J 1个时钟 机器周期 可用低频晶振 大幅降低E MI 3 超低功耗 A 掉电模式 典型功耗 0 1 A B 空闲模式 典型功耗 1mA C 正常工作模式 典型功耗4mA 7mA D 掉电模式可由外部中断唤醒 适用于电池供电系统 如水表 气表 便携设 备等 E 在系统可编程 无需编程器 可远程升级 F 内部集成MAX810专用复位电路 原复位电路可以保留 也可以不用 不用时r eset脚直接短到地 3 2 3 超声波发射电路 超声波发射电路如图3 7所示 24 图3 7 发射电路 在超声探测电路中 发射端得到输出脉冲为一系列方波 其宽度为发射超声 的时间间隔 被测物距离越大 脉冲宽度越大 输出脉冲个数与被测距离成正比 经过R6分压后到达A966基极通过集电极输出后经过中周变压器组成谐振回路 最终将频率为40KHZ的信号作用于发射探头上 使其产生共振后 发射出超声波 峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺 超声波测距的制作和调试都较为简单 其中超声波发射和接收采用超声波传 感器TCT40 10F1 T发射 和TCT40 10S1 R接收 中心频率为40KHz 安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距 4 8cm 其余元件无特殊要求 若将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来 那可以 大大提高抗干扰能力 詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜 3 2 4 超声波接收电路 25 超声波接收电路原理图如图3 8所示 图3 8 超声波接收电路原理图 集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片 常用于电视机红外遥 控接收器 CX20106A也有不少用于超声波测试 红外遥控常用的载波频率为38KH z 这是由发射端所使用的455KHZ晶振来决定的 在发射端要对晶振进行整数分 频 分频系数一般取12 所以455KHz 12 37 9KHz 38KHz 也有一些遥控系统 采用36KHz 40KHz 56KHz等 一般由发射端晶振的振荡频率来决定 则鯤愜韋瘓賈晖 园栋泷 本设计中就是利用这一芯片来实现检测接收电路 实验证明用集成电路CX20 106A接收超声波 无信号时输出高电平 具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能 力 CX20106A工作原理 日本索尼公司生产的红外解调集成电路 采用8脚单列直插式 塑料封装 内部含有前置放大 自动偏置 限幅放大 通带滤波 峰值检波 积 26 分比较及施密特整形输出等电路 典型应用电路如图所示 其主要功能是从40kHz 红外载波信号中 将编码信号解调出来 并加以放大和整形 然后再送到微处理 器 CPU 进行处理 以实现遥控操作功能 胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻 1 使用CX20106A存在的优缺点如下 优点 简单易用 电路简单 减少了生产调试的麻烦 缺点 必须保证接收到的信号为40KHz 否则无法解调出 鳃躋峽祷紉诵帮废掃減 2 其引脚如图3 9所示 图3 9 CX20106引脚图 图3 9中 引脚从上至下依次为1 2 3 4 5 6 7 8 1脚 超声信号输入端 该脚的输入阻抗约为40K 2脚 该脚与地之间连接RC串联网络 它们是负反馈串联网络的一个组成部 分 改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性 增大电阻R1或减小C1 27 将使负反馈量增大 放大倍数下降 反之则放大倍数增大 但C1的改变会影响 到频率特性 一般在实际使用中不必改动 推荐选用参数为R1 4 7 C1 1 F 稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜 3脚 该脚与地之间连接检波电容 电容量大为平均值检波 瞬间相应灵敏 度低 若容量小 则为峰值检波 瞬间相应灵敏度高 但检波输出的脉冲宽度变 动大 易造成误动作 推荐参数为3 3 f 陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟 4脚 接地端 5脚 该脚与电源间接入一个电阻 用以设置带通滤波器的中心频率f0 阻 值越大 中心频率越低 例如 取R 200k 时 f0 42kHz 若取R 220k 则 中心频率f0 38kHz 考虑到红外遥控常用的载波频率 38KHz与测距超声波频率40KHz较为接近 可以利用它作为超声波检测电路 实验 证明其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力 适当改变C4的大小 可改变接受 电路的灵敏度和抗干扰能力 CX20106A 的第5脚的电阻决定接收的中心频率 200k的电阻决定了接收的中心频率为40KHz 沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應 6脚 该脚与地之间接一个积分电容 标准值为330pF 如果该电容取得太大 会使探测距离变短 7脚 遥控命令输出端 它是集电极开路输出方式 因此该引脚必须接上一 个上拉电阻到电源端 推荐阻值为22k 没有接受信号是该端输出为高电平 有信号时则产生下降 当 CX20106A 接收到40KHz的信号时 会在第7脚产生一个低电平下降脉冲 这个信号可以接到 28 单片机的外部中断引脚作为中断信号输入 钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺 8脚 电源正极 4 5 5V 3 在一个大电容并连一个小电容的原因 大电容由于容量大 所以体积一般也比较大 且通常使用多层卷绕的方式制 作 这就导致了大电容的分布电感比较大 也叫等效串联电感 英文简称ESL 大家知道 电感对高频信号的阻抗是很大的 所以 大电容的高频性能不好 而一些小容量电容则刚刚相反 由于容量小 因此体积可以做得很小 缩短了引 线 就减小了ESL 因为一段导线也可以看成是一个电感的 而且常使用平板 电容的结构 这样小容量电容就有很小ESL这样它就具有了很好的高频性能 但 由于容量小的缘故 对低频信号的阻抗大 所以 如果我们为了让低频 高频信 号都可以很好的通过 就采用一个大电容再并上一个小电容的方式 常使用的小 电容为 0 1uF的瓷片电容 当频率更高时 还可并联更小的电容 例如几pF 几百pF的 而在数字电路中 一般要给每个芯片的电源引脚上并联一个0 1uF的电容到地 这个电容叫做退耦电容 当然也可以理解为电源滤波电容 越靠近芯片越好 因为在这些地方的信号主要是高频信号 使用较小的电容滤波就可以了 懨俠劑 鈍触乐鹇烬觶騮 就是根据这个特性在电路图设计时将C7和C0并在一起后接到地上 3 2 5 显示电路 显示电路原理图如图3 10所示 29 显示模块选用3个共阴极段式LED数码管来显示测量结果 显示范围为0 999 厘米 考虑到节省管脚和实用性的问题 采用动态显示的方法进行显示 P1 0到 P1 6为段接口 3个控制端T0 T1和P3 7作为动态显示的位选信号 考虑到单片 机的驱动能力有限 采用3个PNP型三极管9012来提高端口的驱动能力 謾饱兗争詣繚 鮐癞别瀘 图3 10 超声波显示电路原理图 其中的发光二极管LED显示模块通常用来显示数字和状态 发光二极管根据 不同制造材料 可发出红 黄 蓝 紫等各种单色光 发光二极管可以有多种形 式 而应用最多的是七段发光二极管显示模块 呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚 30 LED数码管由七段发光线段组成 每条线段可以使一个或者几个发光二极管 七段数码管结构图如图3 11所示 莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减 图3 11 七段数码管结构图 在图3 11中 只要使不同段的发光二极管 即可改变所显示的数字和字母 LED七段数码管根据内部LED的连接方法不同 有共阴极和共阳极两种接法 在共 阳极接法中 当某一段发光二极管输入为低电平时 该发光二极管亮 反之则熄 灭 而在共阴极接法中 刚好与共阳极接法相反 麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶 数码管要正常显示 就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码 从而显示出 我们要的数字 因此根据数码管的驱动方式的不同 可以分为静态式和动态式两 类 納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬 静态显示驱动 静态驱动也称直流驱动 静态驱动是指每个数码管的每一个段码 都由一个单片机的I O端口进行驱动 或者使用如BCD码二 十进制译码器译码进行驱动 静态驱动的优点是编程简单 显示亮度高 缺点是 占用I O端口多 如驱动5个数码管静态显示则需要5 8 40根I O端口来驱动 31 要知道一个89S51单片机可用的I O端口才32个 实际应用时必须增加译码驱动器 进行驱动 增加了硬件电路的复杂性 風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙 动态显示驱动 数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之 一 动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划 a b c d e f g dp 的同名端连在 一起 另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路 位选通由各自独立 的I O线控制 当单片机输出字形码时 所有数码管都接收到相同的字形码 但 究竟是那个数码管会显示出字形 取决于单片机对位选通COM端电路的控制 所 以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开 该位就显示出字形 没有选通 的数码管就不会亮 通过分时轮流控制各个数码管的的COM端 就使各个数码管 轮流受控显示 这就是动态驱动 灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹 在轮流显示过程中 每位数码管的点亮时间为1 2ms 由于人的视觉暂留现 象及发光二极管的余辉效应 尽管实际上各位数码管并非同时点亮 但只要扫描 的速度足够快 给人的印象就是一组稳定的显示数据 不会有闪烁感 动态显示 的效果和静态显示是一样的 能够节省大量的I O端口 而且功耗更低 铹鸝饷飾镡 閌赀诨癱骝 3 3 避障系统的总体设计 机器人避障控制系统如图3 12所示 当机器人遇到障碍物时 超声测距系统将获得的距离信息送入单片机 单片机通过中断的方式向主机发送数据 主机与单片机通过串行口相连 主机将 接收到的信息经过处理后输入到模糊控制器 然后模糊控制器向驱动模块输出速 32 度和转角信号 控制机器人避障 攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸 单 片 机 主 机 发射电路 接收电路 发射探头 接受探头 障 碍 物 两侧障碍物距离信息 前方障碍物距离信息 模 糊 控 制 器 运动速度 旋转角度 机 器 人 驱 动 模 块 趕輾雏纨颗锊讨跃满賺 图3 12 机器人避障控制系统 33 第四章 系统软件设计 4 1 软件设计的总体方案 超声波测距和避障系统的软件部分是针对系统所需要实现的功能 以软件模 块化设计的思路来进行设计的 系统的主要功能是距离测量 整个系统软件程序 包括主程序 测距子程序 显示子程序以及各种中断子程序 软件系统流程图如 图所示 系统软件程序大体上包括下面几个过程 夹覡闾辁駁档驀迁锬減 1 初始化LED 显示开机界面为 00 表示测量没有开始 2 单片机连续发射40KHZ的脉冲波 立即启动INT0 系统进入中断后激活系 统 等待计数值满产生中断 开始启动接收程序 视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝 3 回波信号到达 立即关闭计数器 捕获INT1的值 4 单片机捕获计数值 调用及计算程序 5 显示测量结果 4 2 主程序流程图 超声波测距与避障系统的软件流程见图4 1 根据系统的硬件设计要求 软 件设计包括以下2个模块 主程序流程 中断程序流程 在主程序中 循环发出 高电平 触发超声波信号处理电路发射超声波 当处理器检测到接收电路的中断 请求后 进入中断程序 在中断中 实现距离的计算及与上位机的通讯功能 偽澀 锟攢鴛擋緬铹鈞錠 34 单片机初始化 发射超声波 有回波吗 读取计算S值 开始 否 是 避障算法 D A转换 返回 定时器0中 断入口 关闭中断 允许位EA 定时器初始化 打开中断 允许位EA 延时65微秒 选通端置0停止 发送方波 返回 S 35 图4 1 主程序流程图 图4 2 内部定时器0中断服务程序流程图 主程序完成初始化工作 超声波发射的控制 主函数程序首先是对系统环境 初始化 设置定时器T0工作模式为16位定时计数器模式 置位总中断允许位EA并 将显示端口P1和P3清0 然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲 为了 避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发 需要延时约0 1s 这 也是超声波测距器会有一个最小可测距离的原因 后才打开外中断1接受返回的 超声波信号 由于采用的是12MHZ的晶振 计数器每记一个数就是1 s 当主程序 检测到接受成功的标志位后 将计数器T0中的数 即超声波往返所用的时间 按 式D vt 2 172 T0 10000cm 4 1 计算