安全避障是移動機器人研究的一個基本問題。障礙物與機器人之間距離的獲得是研究安全避障的前提，超聲波傳感器以其信息處理簡單、價格低廉、硬件容易實現(xiàn)等優(yōu)點，被廣泛用作測距傳感器。本超聲波測距系統(tǒng)選用了senscomp公司生產(chǎn)的polaroid 6500系列超聲波距離模塊和600系列傳感器，微處理器采用了atmel公司的at89c51。本文對此超聲波測距系統(tǒng)進行了詳細的分析與介紹。

    1、 超聲波傳感器及其測距原理

    超聲波是指頻率高于20khz的機械波[1]。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應[1]的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。

    超聲波測距的原理一般采用渡越時間法tof（time of flight）[2]。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離，即

    1、 硬件電路設(shè)計

    我們設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)由polaroid 600系列傳感器、polaroid 6500系列超聲波距離模塊和at89c51單片機構(gòu)成。

    2.1 polaroid 600系列傳感器

    此超聲波傳感器是集發(fā)送與接收一體的一種傳感器。傳感器里面有一個圓形的薄片，薄片的材料是塑料，在其正面涂了一層金屬薄膜，在其背面有一個鋁制的后板。薄片和后板構(gòu)成了一個電容器，當給薄片加上頻率為49.4khz、電壓為300vac pk-pk的方波電壓時，薄片以同樣的頻率震動，從而產(chǎn)生頻率為49.4khz的超聲波。當接收回波時，polaroid 6500內(nèi)有一個調(diào)諧電路，使得只有頻率接近49.4khz的信號才能被接收，而其它頻率的信號則被過濾。

    polaroid 600超聲傳感器發(fā)送的超聲波具有角度為30度的波束角[3]，如圖1所示：

    超聲波傳感器既可以作為發(fā)射器又可以作為接收器，傳感器用一段時間發(fā)射一串超聲波束，只有待發(fā)送結(jié)束后才能啟動接收，設(shè)發(fā)送波束的時間為d，則在d時間內(nèi)從物體反射回的信號就無法捕捉；另外，超聲波傳感器有一定的慣性，發(fā)送結(jié)束后還留有一定的余振，這種余振經(jīng)換能器同樣產(chǎn)生電壓信號，擾亂了系統(tǒng)捕捉返回信號的工作。因此，在余振未消失以前，還不能啟動系統(tǒng)進行回波接收，以上兩個原因造成了超聲傳感器具有測量一定的測量范圍。此超聲波最近可以測量37cm。

    2.2 polaroid 6500系列超聲波距離模塊

    polaroid 6500系列超聲波距離模塊的硬件電路如圖2所示：

    tl851是一個經(jīng)濟的數(shù)字12步測距控制集成電路。內(nèi)部有一個420khz的陶瓷晶振，6500系列超聲波距離模塊開始工作時，在發(fā)送的前16個周期，陶瓷晶振被8.5分頻，形成49.4khz的超聲波信號，然后通過三極管q1和變壓器t1輸送至超聲波傳感器。發(fā)送之后陶瓷晶振被4.5分頻，以供單片機定時用。tl852是專門為接收超聲波而設(shè)計的芯片。因為返回的超聲波信號比較微弱，需要進行放大才能被單片機接收，tl852主要提供了放大電路，當tl852接收到4個脈沖信號時，就通過rec給tl851發(fā)送高電平表明超聲波已經(jīng)接收。

    2.3 at89c51單片機

    本系統(tǒng)采用at89c51來實現(xiàn)對polaroid 600系列傳感器和polaroid 6500系列超聲波距離模塊的控制。單片機通過p1.0引腳經(jīng)反相器來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不停的檢測int0引腳，當int0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認為超聲波已經(jīng)返回。計數(shù)器所計的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。 超聲波測距的硬件示意圖如圖3所示：

    3、系統(tǒng)軟件設(shè)計

    系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示：

    安全避障是移動機器人研究的一個基本問題。障礙物與機器人之間距離的獲得是研究安全避障的前提，超聲波傳感器以其信息處理簡單、價格低廉、硬件容易實現(xiàn)等優(yōu)點，被廣泛用作測距傳感器。本超聲波測距系統(tǒng)選用了senscomp公司生產(chǎn)的polaroid 6500系列超聲波距離模塊和600系列傳感器，微處理器采用了atmel公司的at89c51。本文對此超聲波測距系統(tǒng)進行了詳細的分析與介紹。

    1、 超聲波傳感器及其測距原理

    超聲波是指頻率高于20khz的機械波[1]。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應[1]的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。

    超聲波測距的原理一般采用渡越時間法tof（time of flight）[2]。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離，即

    1、 硬件電路設(shè)計

    我們設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)由polaroid 600系列傳感器、polaroid 6500系列超聲波距離模塊和at89c51單片機構(gòu)成。

    2.1 polaroid 600系列傳感器

    此超聲波傳感器是集發(fā)送與接收一體的一種傳感器。傳感器里面有一個圓形的薄片，薄片的材料是塑料，在其正面涂了一層金屬薄膜，在其背面有一個鋁制的后板。薄片和后板構(gòu)成了一個電容器，當給薄片加上頻率為49.4khz、電壓為300vac pk-pk的方波電壓時，薄片以同樣的頻率震動，從而產(chǎn)生頻率為49.4khz的超聲波。當接收回波時，polaroid 6500內(nèi)有一個調(diào)諧電路，使得只有頻率接近49.4khz的信號才能被接收，而其它頻率的信號則被過濾。

    polaroid 600超聲傳感器發(fā)送的超聲波具有角度為30度的波束角[3]，如圖1所示：

    超聲波傳感器既可以作為發(fā)射器又可以作為接收器，傳感器用一段時間發(fā)射一串超聲波束，只有待發(fā)送結(jié)束后才能啟動接收，設(shè)發(fā)送波束的時間為d，則在d時間內(nèi)從物體反射回的信號就無法捕捉；另外，超聲波傳感器有一定的慣性，發(fā)送結(jié)束后還留有一定的余振，這種余振經(jīng)換能器同樣產(chǎn)生電壓信號，擾亂了系統(tǒng)捕捉返回信號的工作。因此，在余振未消失以前，還不能啟動系統(tǒng)進行回波接收，以上兩個原因造成了超聲傳感器具有測量一定的測量范圍。此超聲波最近可以測量37cm。

    2.2 polaroid 6500系列超聲波距離模塊

    polaroid 6500系列超聲波距離模塊的硬件電路如圖2所示：

    tl851是一個經(jīng)濟的數(shù)字12步測距控制集成電路。內(nèi)部有一個420khz的陶瓷晶振，6500系列超聲波距離模塊開始工作時，在發(fā)送的前16個周期，陶瓷晶振被8.5分頻，形成49.4khz的超聲波信號，然后通過三極管q1和變壓器t1輸送至超聲波傳感器。發(fā)送之后陶瓷晶振被4.5分頻，以供單片機定時用。tl852是專門為接收超聲波而設(shè)計的芯片。因為返回的超聲波信號比較微弱，需要進行放大才能被單片機接收，tl852主要提供了放大電路，當tl852接收到4個脈沖信號時，就通過rec給tl851發(fā)送高電平表明超聲波已經(jīng)接收。

    2.3 at89c51單片機

    本系統(tǒng)采用at89c51來實現(xiàn)對polaroid 600系列傳感器和polaroid 6500系列超聲波距離模塊的控制。單片機通過p1.0引腳經(jīng)反相器來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不停的檢測int0引腳，當int0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認為超聲波已經(jīng)返回。計數(shù)器所計的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。 超聲波測距的硬件示意圖如圖3所示：

    3、系統(tǒng)軟件設(shè)計

    系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示：