引言
在自主行走機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)在未知和不確定環(huán)境下行走,，必須實(shí)時(shí)采集環(huán)境信息,，以實(shí)現(xiàn)避障和導(dǎo)航，這必須依靠能實(shí)現(xiàn)感知環(huán)境信息的傳感器系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn),。視覺(jué)、紅外,、激光,、超聲波" title="超聲波">超聲波等傳感器都在行走機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。由于超聲波測(cè)距" title="測(cè)距">測(cè)距方法設(shè)備簡(jiǎn)單,、價(jià)格便宜,、體積小、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,、易于做到實(shí)時(shí)控制,，并且在測(cè)量距離、測(cè)量精度等方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求,，因此得到了廣泛的應(yīng)用,。本文所介紹的機(jī)器人采用三方超聲波測(cè)距系統(tǒng)，該系統(tǒng)可為機(jī)器人識(shí)別其運(yùn)動(dòng)的前方,、左方和右方環(huán)境而提供關(guān)于運(yùn)動(dòng)距離的信息,。
1 超聲波測(cè)距原理
超聲波發(fā)生器內(nèi)部由兩個(gè)壓電片和一個(gè)共振板組成。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，且其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí),，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振,，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波,。反之,，如果兩極間未加外電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí),，就成為超聲波接收器,。超聲波測(cè)距一般有兩種方法：①取輸出脈沖的平均電壓值，該電壓與距離成正比,，測(cè)量電壓即可測(cè)量距離,；②測(cè)量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔t,根據(jù)被測(cè)距離s=vt?2來(lái)得到測(cè)量距離,，由于超聲波速度v與溫度有關(guān),，所以如果溫度變化比較大，應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?/font>
本測(cè)量系統(tǒng)采用第二種方法,，由于測(cè)量精度要求不是特別高,，所以可以認(rèn)為溫度基本不變。
本系統(tǒng)以PIC16F877單片機(jī)" title="單片機(jī)">單片機(jī)為核心,，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)其對(duì)外圍電路的實(shí)時(shí)控制,，并提供給外圍電路所需的信號(hào)，包括頻率振動(dòng)信號(hào),、數(shù)據(jù)處理信號(hào)等,，從而簡(jiǎn)化了外圍電路，且移植性好,。系統(tǒng)硬件電路方框圖見(jiàn)圖1,。
由于本系統(tǒng)只需要清楚機(jī)器人前方、左方,、右方是否有障礙物,，并不需要知道障礙物與機(jī)器人的具體距離，因此不需要顯示電路,，只需要設(shè)定一距離閥值,，使障礙物與機(jī)器人的距離達(dá)到某一值時(shí)，單片機(jī)控制機(jī)器人電機(jī)停轉(zhuǎn),，這可通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn),。
2 超聲波發(fā)射電路
超聲波的中心頻率為40kHz,該頻率可以通過(guò)以下程序產(chǎn)生（部分源程序）：
2.1 超聲波發(fā)射電路
超聲波發(fā)射電路以PIC16F877為核心，當(dāng)單片機(jī)上電時(shí),，單片機(jī)從RA0口產(chǎn)生40kHz的超聲波信號(hào),，但是此時(shí)該信號(hào)無(wú)法通過(guò)與非門進(jìn)入放大電路使超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波,，只有閉合開(kāi)關(guān)S1時(shí)，從RA1口發(fā)射出一門控信號(hào),，該信號(hào)的頻率為4kHz,同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器TMR1,開(kāi)始計(jì)數(shù),。該門控信號(hào)每發(fā)射一個(gè)周期的波形，超聲波就會(huì)發(fā)射10個(gè)完整的波形,，這可由它們的頻率得出,。超聲波的周期為1（40kHz）=01025ms,而門控信號(hào)的周期為1（4kHz）=0125ms。最后根據(jù)s=vt2求出障礙物與移動(dòng)機(jī)器人的距離,。當(dāng)超聲波接收頭收到反射回來(lái)的超聲波時(shí),，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，時(shí)間t可以根據(jù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)與門控信號(hào)的周期求出,。RA2口接RS觸發(fā)器,，RS觸發(fā)器可以自動(dòng)控制超聲波的發(fā)射和停止。本系統(tǒng)的電路還包括人工復(fù)位電路,，由單片機(jī)的MCLR引腳接S2來(lái)控制,，超聲波發(fā)射電路圖見(jiàn)圖2。
2.2 門控電路（RS觸發(fā)器）
為實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波發(fā)射和接收的自動(dòng)控制,，須在電路中加一門控電路,，該門控信號(hào)頻率為4kHz,如把輸出脈沖作為閘門信號(hào)，讓已知頻率fc的脈沖恰好通過(guò)閘門,，那么t=NTc,其中,，Tc為已知脈沖的周期，N為脈沖的個(gè)數(shù),。
門控電路由RS觸發(fā)器組成,，當(dāng)輸入端R=1（S=0）時(shí)復(fù)位，即輸出端Q=0;當(dāng)R=0（S=1）時(shí)置位,，即Q=1,。RS觸發(fā)器與單片機(jī)的RA2口相連。
2.3 超聲波放大電路
超聲波放大電路由三極管等組成,，由于單片機(jī)RA口最多只有20mA～25mA上拉電流，而超聲波發(fā)射器最小需要60mA的電流,，所以在與非門后加一級(jí)放大電路來(lái)放大電流,，以完成超聲波的發(fā)射。超聲波放大發(fā)射電路見(jiàn)圖3,。
3 超聲波接收電路
3.1 超聲波接收放大電路
由于超聲波接收頭接收到的超聲波信號(hào)很微弱,，所以在其后需加一超聲波接收放大電路。該電路采用兩個(gè)集成運(yùn)放,，設(shè)計(jì)為兩級(jí),，兩級(jí)都為同相輸入，因?yàn)橥噍斎氲碾妷悍糯蟊稊?shù)為1+RfR,所以每一級(jí)的放大倍數(shù)為10,兩級(jí)放大倍數(shù)接近100倍，這樣后續(xù)電路就可以很容易地檢測(cè)到輸入的信號(hào),。集成運(yùn)放采用雙電源供電,，超聲波接收放大電路見(jiàn)圖4。
3.2 信號(hào)濾波電路
從信號(hào)放大電路出來(lái)的聲波帶有一定的干擾,，為了去除干擾信號(hào),，需要一濾波電路，信號(hào)濾波電路選用帶通濾波器電路,，使其中心頻率為40kHz,、帶寬為2kHz,外加一過(guò)零比較器，使輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為方波信號(hào),。信號(hào)濾波電路見(jiàn)圖5,。
3.3 信號(hào)整形電路
從信號(hào)濾波電路出來(lái)的方波信號(hào)很不規(guī)則，故其后加一整形電路,，整形電路由兩級(jí)非門串聯(lián),，并聯(lián)一電阻組成，整形后再送單片機(jī)進(jìn)行處理,，信號(hào)整形電路見(jiàn)圖6,。
4 軟件程序設(shè)計(jì)
軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序,、發(fā)射子程序等組成,，軟件程序框圖見(jiàn)圖7。
5 結(jié)語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)采用了單片機(jī)編程技術(shù),，配合硬件完成了系統(tǒng)的要求,，其精度能滿足大部分的工程需要。與傳統(tǒng)的測(cè)距系統(tǒng)相比,，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、價(jià)格便宜、移植性好等特點(diǎn),。