一种适用于机器人避障的超声波测距系统设计与实现

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仪表技术 2010年第7期

一种适用于机器人避障的超声波测距系统设计与实现

李会来,李小民,苏立军,陈静华

(军械工程学院光学与电子工程系,河北石家庄050003)

摘要:针对机器人安全避障问题,研究设计了一种基于超声波传感器的测距定位系统。探讨了超声波测距原理,详细地研究了系统的硬件设计、软件流程,对实验结果进行了分析。实验表明本测距定位系统电路简单、抗干扰性好,测量精度完全满足机器人避障的要求。

关键词:超声波传感器;PIC16F775单片机;测距定位;设计

中图分类号:TP273 文献标识码:B 文章编号:

1006-2394(2010)07-0032-03

DesignandRealizationofanUltrasonicRangingSystemadapted

toCollision avoidanceRobots

LIHui la,iLIXiao min,SULi jun,CHENJing hua

(DepartmentofOpticsandElectronicsEngineering,OrdnanceEngineeringCollege,Shijiazhuang050003,China)

Abstract:Todealwiththeavoidingobstacleproblemsfortherobots,arangepositioningsystembasedonultrason

icsensorisgiven.Theprincipleoftheultrasonicsensorrangingisdiscussed.Thesystemofhardwaredesignandthesoftwareprocessaredescribedindetai.lTheresultsoftheexperimentareanalyzed.Theexperimentresultsshowthatthecircuitofrangepositioningissimpleandtheanti interferencecapacityisrobus.tAlso,theprecisionofrangepositioningabsolutelyfulfillstherequestofthecollision avoidancerobots.

Keywords:ultrasonicsensor;PIC16F775MCU;rangepositioning;design1 超声波测距原理

超声波测距一般采用 渡越时间法!(timeofflight)。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间,再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离,即:

D=c t/2

c=

(1)(2)

图1 硬件电路组成

和显示部分组成。其硬件组成有PIC16CF775单片机最小系统、R/T40超声波探头、超声波发射接收系统、DS18B20测温系统、LED显示装置,硬件结构框图如图1所示。

式中:D为传感器与被测障碍物之间的距离;t为超声波发射到返回的时间间隔;c为声波在介质中的传输

速率; 为定压分子热容量与定容分子热容量的比值,空气是1.40;R为理想气体普适常数;T为绝对温度; 为气体的分子量;在空气中声波传波传输速率为341.4m/s。在测距精度不是很高的情况下,一般认为c为常数,并取c=341.4m/s。2 超声波测距系统硬件设计2.1 硬件电路组成

硬件系统主要由超声波发射接收系统、控制系统

由于超声波传感器的声压能级、灵敏度在40kHz

时最大,所以本系统采用40kHz作为传感器的使用频率。超声波信号经由单片机的I/O口产生,由功率放大电路驱动超声波发射换能器发射超声波。超声波接收电路所产生波形的强弱和它所能够测量的距离有直接关系。单片机内植程序控制发射脉冲个数及其时间间隔,脉冲发送间隔取决于要求测量的最大距离。若在有效测距范围内有障碍物,则在后一路探测波束发出之前应当接收到前一路发出的反射波,否则认为前一路波束没有探测到物体。按最大测量距离可以算出脉冲群发送的最短间隔时间。例如,本设计中考虑到

收稿日期:2010-01

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三段共阴极数码管最大显示测距距离为9.99m,脉冲间隔时间t=2D/c=2#10/340 60ms,实际应取t=80ms。

2.2 发送与接收信号电路设计

本系统由单片机软件产生40kHz脉冲经I/O口输出,驱动超声波换能器探头发射超声波。为了避免超声波换能器振子发射结束后的余震造成的系统盲区,设计采用了发射传感器与接收传感器分体形式。由于单片机的I/O口最多只有20mA的上拉电流,而超声波换能发射器需要的最小驱动电流比它高,所以信号产生后加入了三极管放大电路对发射信号进行放大,放大后信号经变压器驱动超声波发射探头发出40kHz的超声波,这样便很好地完成了超声波的发射。具体电路如图2

所示。

2.3 温度测量电路设计

由于超声波传输速度与温度有关,为了提高测量精度,设计了温度检测电路,具体电路如图4所示。本文采用美国DALLAS公司推出的单线串行数字温度计DS18B20来采集温度信号。它可以直接与单片机连接,测量范围从-25%~130%,正常使用时测量精度为0.5%,采取读取DS18B20内部寄存器的方法可将DS18B20的测温分辨率提高到0.1%~0.01%。根据实际测量的温度值利用式(2)来计算超声波速度,提高了测距精确度。

图4 温度测量电路

2.4 显示部分电路设计

本系统设计要求测距系统精度为1cm,故使用了三位数码管进行距离显示电路部分的设计,其有效显示范围为0.01~9.99m。为了节省硬件开销,距离显示

图2 超声波发射电路

超声波传感器接收输入信号幅度很小,而且混杂了很多干扰信号和噪音。本系统设计了放大电路和带通滤波、整形电路。为了方便后续的处理过程,首先将信号放大、整形成具有最佳特性的波形,该工作由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成。超声波接收处理部分电路前级采用两个三极管级联构成400倍放大器,对接收信号进行放大;后级采用LM393比较器构成双比较器整形电路将模拟信号转换成数字信号。放大滤波后信号同时接入比较器LM393A和LM393B反相输入端,两比较器的参考电压端分别接电压V1=2.5V和V2=3.8V,比较器LM393A引脚1接单片机的INT0,比较器LM393B引脚1接单片机的INT1。具体

电路如图3

所示。

电路没有使用译码器,而是直接有效地利用了单片机的有限端口来进行译码显示,显示部分采用共阴极数码管。单片机实现译码控制,单片机的P0口输出段码,P2口用作位码,用PNP型三极管驱动(本设计采用S9018)。由于单片机I/O口的驱动能力非常小,P0口需外接上拉电阻来增加驱动能力,以防止低电平时直接经电阻流进I/O的灌流电流太大而烧毁单片机。3 超声波测距系统软件设计3.1 软件总体设计

超声波测距系统软件由程序模块构成,主要包括:主程序模块、超声波发送模块、模拟比较器中断服务模块、室温补偿模块和显示处理模块5大部分。

(1)超声波发送模块,控制PB4发出持续200 s的40kHz的方波脉冲,控制超声波发送器发送超声波脉冲群;

(2)模拟比较器中断服务模块,控制计数器计数,实现回波时间的检测;

(3)室温补偿模块,通过ADC模块将温度模拟电压数值转换为数字量,计算当前温度下超声波在空气中的传播速度;

(4)三位LED显示模块,将测距的距离结果显示;

(5)主程序模块,实现初始化定时器、模拟比较器、模数转换器、端口等外设的工作方式,控制各个程

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3.2 主程序算法

本设计中,系统采用10.24MHz的晶振,系统测量间隔为0.6s,由定时器T1定时控制。超声波发射器发射超声波,关闭外部中断同时启动定时器T0、T1开始计时。系统延时0.3ms后避开5cm盲区开总中断允许,等待超声波接收器接收回波。微处理器不停的扫描INT0引脚,如果INT0接收的信号由高电平变为低电平,此时表明回波信号已经返回,微处理器进 …… 此处隐藏：3468字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……