基于超聲波傳感器的測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2008/5/29 0:00:00 訪問(wèn)次數(shù):360

安全避障是移動(dòng)機(jī)器人研究的一個(gè)基本問(wèn)題。障礙物與機(jī)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(jiǎn)單、價(jià)格低廉、硬件容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作測(cè)距傳感器。本超聲波測(cè)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(duì)此超聲波測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析與介紹。

1、超聲波傳感器及其測(cè)距原理

超聲波是指頻率高于20khz的機(jī)械波[1]。為了以超聲波作為檢測(cè)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(xí)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(gè)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(yīng)[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(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法tof（time of flight）[2]。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)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(jì)

我們?cè)O(shè)計(jì)的超聲波測(cè)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(jī)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(gè)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(gè)鋁制的后板。薄片和后板構(gòu)成了一個(gè)電容器，當(dāng)給薄片加上頻率為49.4khz、電壓為300vac pk-pk的方波電壓時(shí)，薄片以同樣的頻率震動(dòng)，從而產(chǎn)生頻率為49.4khz的超聲波。當(dāng)接收回波時(shí)，polaroid 6500內(nèi)有一個(gè)調(diào)諧電路，使得只有頻率接近49.4khz的信號(hào)才能被接收，而其它頻率的信號(hào)則被過(guò)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(shí)間發(fā)射一串超聲波束，只有待發(fā)送結(jié)束后才能啟動(dòng)接收，設(shè)發(fā)送波束的時(shí)間為d，則在d時(shí)間內(nèi)從物體反射回的信號(hào)就無(wú)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(hào)，擾亂了系統(tǒng)捕捉返回信號(hào)的工作。因此，在余振未消失以前，還不能啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行回波接收，以上兩個(gè)原因造成了超聲傳感器具有測(cè)量一定的測(cè)量范圍。此超聲波最近可以測(cè)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(gè)經(jīng)濟(jì)的數(shù)字12步測(cè)距控制集成電路。內(nèi)部有一個(gè)420khz的陶瓷晶振，6500系列超聲波距離模塊開(kāi)始工作時(shí)，在發(fā)送的前16個(gè)周期，陶瓷晶振被8.5分頻，形成49.4khz的超聲波信號(hào)，然后通過(guò)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(jī)定時(shí)用。tl852是專門(mén)為接收超聲波而設(shè)計(jì)的芯片。因?yàn)榉祷氐某暡ㄐ盘?hào)比較微弱，需要進(jìn)行放大才能被單片機(jī)接收，tl852主要提供了放大電路，當(dāng)tl852接收到4個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，就通過(guò)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(jī)

本系統(tǒng)采用at89c51來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)通過(guò)p1.0引腳經(jīng)反相器來(lái)控制超聲波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停的檢測(cè)int0引腳，當(dāng)int0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過(guò)換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。超聲波測(cè)距的硬件示意圖如圖3所示：

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示：