用于中央空调管道清洗机器人障碍探测的测距仪设计

1、用于中央空调管道清洗机器人障碍探测的测距仪器设计*南京工程学院品牌专业建设项目，南京工程学院大学生科技创新项目资助，远程测控技术江苏省重点实验室开放基金项目（YCCK200703），Design of Impedient Detect Range Finder for Central air-conditioning Piping Rise Robot杨颖红 温秀兰 金钊 葛傲 刘大伟 【作者简介】杨颖红，女，助教。工作单位：南京工程学院自动化学院。通讯地址：南京市鼓楼区鼓教新村29号402室，邮编：210013 Email:zdhxwxl 温秀兰、金钊 葛傲 刘大伟：南京工程学院自动化学院【

2、摘要】该设计基于声波在空气中传播遇到障碍物反射的原理，通过超声波的发射和接收来完成黑暗空调管道内的障碍探测。测距器由超声波发射模块、信号接收模块、单片机处理模块、数码显示以及声光告警显示模块等部分组成。文中详细介绍了测距器的硬件组成、检测原理、方法以及软件流程。【关键词】超声波；CX20106A芯片；AT89S51单片机；测距超声波纵向分辨率较高，对色彩、光照度、外界光线和电磁场不敏感，对于被测物处于黑暗、有灰尘或烟雾、强电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力，因此，超声波在机器人避障和定位、倒车雷达等方面有着广泛的运用。本文基于超声波测距特性及单片机控制性能设计了用于空调管道清洗机器人

3、障碍探测的非接触式测距器。1.系统总体设计系统由超声波发射、超声波接收、AT89S51单片机系统和距离显示、声光报警等部分组成，系统结构框图如图1所示。LED发光数码显示蜂鸣器告警CX20106A红外信号调理单元接收探头六位反向器发射电路.发射探头控制系统AT89S51图1 系统结构框图空调管道清洗机器人的避障探测系统启动时，AT89S51单片机上电复位，单片机控制数码管复位显示“0000”。六位反向器74LS04正常工作，产生能触发超声波振动的信号，由单片机定时给出控制信号以此来控制超声波发射探头发40KHz超声波，当发射超声波时，同时启动单片机内部定时器，由于超声波具有良好指向性，遇到障碍

4、物即反射回来，回波信号经CX20106A特定的信号处理单元进行处理成脉冲信号触发单片机中断，此时停止单片机内部定时器，并读出此时的值，由程序按照一定的算法计算出前方障碍的距离值并将相应值处理好送由数码管显示。当障碍物的距离超出测距器的有效测距范围时，单片机根据接收到回波的时间间隔判断是由于过远或者过近分别给出不同的指示灯同时驱动蜂鸣器工作，提醒操作者注意。 在图1中，信号产生单元由硬件电路6位反向器产生，单片机控制其允许输出端使发射探头按需要每隔一段时间工作一次。而红外信号调理单元的任务是将接收探头接收到的信号处理成单脉冲从而可以有效触发单片机进行中断，在单片机中断服务程序中，进行相关距离数据

5、的算法处理，实现测距避障功能。2. 软件实现2.1 测距原理超声波测距的原理，即超声波发生器T在某一时刻发出的一个超声波信号，当超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接受。这样只要计算出发生信号到接收返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。距离计算公式为：d= c*t/2 （1）限制该系统的最大可测距离主要有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。由于超声波属于声波范围，声速c与温度有关，如温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补

6、偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返时间t，即可求得距离。在系统加入温度传感器来监测环境温度，可实现温度被偿。2.2 主程序流程图主程序流程图见图2所示。主程序设计中，需要考虑的主要问题有：超声波发射部分程序与接收部分程序的设置位置；为保证动态显示的数码管不发生闪烁现象，在程序的一次大循环中要多次调用显示子程序；对于报警程序的设计需要嵌入到主程序中，需灵活安排这些程序的设置位置。3. 测距实例图3测距器工作的显示结果图3为测距器测距的显示结果。 是否开始单片机I/O、T0初始化T1中断定时发射超声波INT0中断接收回波信号标志位00H=0？工作指示灯D2亮屏蔽中断延时，保证测量间隔

7、清标志位00H调用距离计算子程序调用发射子程序(T0)<最小时间参数？(T0)>最大时间参数？否否是是点亮D1点亮D3灭D2启动蜂鸣器图2 主程序流程图4. 结论该测距器设计中超声波发射模块采用74LS04六位反向器，接收电路使用SONY公司的CX20106A红外检测专用芯片，控制电路采用AT89S51芯片。测距器使用数码管显示目标物的距离，有效测距范围通过最终调试标定，当目标物超出测距范围时，单片机触发声光告警电路工作，并根据不同的LED指示灯能够判别目标物过近或者过远。该测距器使用方便，测距准确，显示结果温定，实验证明该测距器适于在中央空调管道清洗机器人障碍探测中使用。参考文献1张德华 等超声波式物位测量计量与测试技术 2006.012 ATMEIL.8-bit Microcontroller with 2