基于超声波与红外线探测技术的测距定位系统的研究

来源:维库发布时间:2018-09-0653浏览

引言　

　　传感器检测技术、无线电通讯技术、计算机控制技术是现代信息技术的三大支柱，它们分别构成了信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”。传感器技术是信息社会的重要技术基础，其品种、性能和质量直接决定了信息技术系统的功能和质量。因此有人说：“征服了传感器就等于征服了科学技术”。由此可见，传感器的开发与运用具有重大的意义。随着现代科学技术的发展，人们对传感器的性能水平及运用方式提出了更高的要求，而在被人们广泛运用的传感器家族中，超声波传感器和红外线传感器以其优异的性能得到人们的青睐，广泛用于军事、医疗、工业和家电产品。但目前超声波传感器和红外线传感器一般都是单独使用，由于这两种传感器具有功能互补的特点，故而应把这两种传感器综合起来，以制作出功能更全、精度更高、结构更简、成本更低的传感器探测系统。基于上述考虑，本文开展了基于超声波与红外线探测技术的测距定位系统的研究。

1　测距原理分析

　　目前，超声波传感器广泛用作测距传感器，常作为一种辅助视觉手段与其他视觉工具（如CCD图像传感器）配合使用，可有效提高机器的视觉功能。

　　1.1　超声波发生器

　　超声波发生器可分为两大类：一类是用电气方式产生超声波；一类是用机械方式产生超声波。电气类包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械类包括加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也有所不同。目前常用的是压电式超声波发生器。

　　1.2　压电式超声波发生器工作原理

　　压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的，其外观结构与内部结构分别如图1和图2所示。

　　图1　超声波发生器外观结构

　　图2　超声波发生器内部结构

　　该传感器有两个压电晶片和一个共振板，当其两极外加脉冲信号，且频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将迫使压电晶片振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。

　　1.3　超声波测距原理

　　超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离S，即：S=340t/2。

2　定位原理分析

　　由于超声波传感器的波束发散比较严重，当超声波发射点距障碍物较远时，超声波传感器的方向定位精度较差，因而有必要引入其它方法或传感器来改善其性能。经查阅资料得知，红外线传感器可弥补其性能上的不足。红外线具有光束发散小的优点，目前很容易得到光束视角小于5°的红外线传感器。

　　相对于超声波传感器，其定向精度有了很大的提高。而且，还可以采用反应速度较快的红外线传感器（如光导红外传感器，其响应时间达到了微秒级）来消除超声波传感器盲区，提高系统的整体性能。

　　当红外线反射型传感器接通电源后，即从模块内部的红外线反射管向前方发射红外线，一旦有物体或人体进入其有效探测范围内时，红外线就会有一部分被反射回来，被与发射管同排安装的光敏接收管所接收，光敏接收管的电阻将因此减少，引起与其串连的电阻出现电压变化，由电压比较器处理后，在输出端给出低电平信号，引起单片机中断，从而进行有效控制。

　　红外线反射型传感器的检测距离与工作电压密切相关。工作电压越高，红外线反射功率越强，检测距离就越远；反之，电压低，检测距离就相对较近。

3　系统总体方案

　　本文研究目标是利用单片机应用技术及传感器探测技术，开发一套传感器定位测距系统。该系统将采用超声波传感器来测距，采用红外线传感器来定位，其组成框图如图3所示。

　　系统包括四部分：超声波收发部分、红外线收发部分、控制部分和显示部分。控制部分是一个单片机系统，包括信号发射功能、信号判断和分析功能以及控制显示功能。

　　图3　系统总体框图

4　系统硬件设计

　　4.1　微控制器单元设计

　　微控制器单元设计是本系统的核心部分，针对系统要求体积小、功耗低的特点，选用AIMEL公司的AT89C51。这是一个带有4K字节闪速可编程可擦除只读存储器的低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，可与工业标准80C51的指令设置和管脚输出兼容，因而具有较好的实用性［2］。在选定单片机型号以后，还需完成以下电路的设计工作。

　　4.1.1　复位电路设计

　　控制系统的复位电路应具有上电复位和手动复位功能。由于复位电路易受噪声干扰，故在设计时，一要保证整个系统可靠复位；二要使之具有一定的抗干扰能力，这可通过以下设计加以保障。

　　（1）复位电路RC参数的选择

　　微控制器的复位脉冲高电平必须大于2个机器周期，若系统选用6MHz晶振，则1个机器周期为2μs，那么复位脉冲宽度最小应为4μs。在实际应用中，考虑到电源稳定时间、参数漂移、晶振稳定时间以及复位可靠性等因素，必须留有足够的余量。图4是利用RC充电原理实现上电复位的电路原理图。实践证明，上电瞬间RC电路充电，RESET引脚端出现正脉冲。只要RESET端保持10μs以上的高电平，就能使微控制器有效复位。

　　图4　复位电路原理图

　　应当指出，在图4（a）所示电路中，非门的最小输入高电平U′IH=210V，因而当充电时间t=016RC，则充电电压UC=0145VCC=0145×5V≈2V，其中t为复位时间。由于在该电路中，有R=1kΩ和C=22μF，则有t=016×103×22×10-6=13ms。

　　（2）复位电路的可靠性和抗干扰设计

　　微控制器复位端口的干扰主要来自电源和按钮传输线串入的噪声。这些噪声虽然不会完全导致系统复位，但有时会破坏CPU内的程序状态字的某些位的状态，对控制产生不良影响。以图4为例，电源噪声干扰过程如图5所示，其中u代表噪声源，为了分析方便起见，设u为阶跃扰动。图5中分别绘出了A点和B点的电压扰动波形。

　　图5　电源阶跃扰动示意图

　　由图5可以看出，图5（a）实质上是个低通滤波环节（惯性滞后环节），对于脉宽小于3τ的干扰信号有很好的抑制作用；图5（b）实质上是个高通滤波环节（微分超前环节），对脉冲干扰没有抑制作用。由此可见，对于图4所示的两种复位电路，图5（a）的抗电源噪声的能力要优于图5（b）。但为了精简系统电路，在电路系统设计中，还是采用了图5（b）所示的复位电路。

　　4.1.2　振荡器电路设计

　　晶振设计是单片机系统设计的重要环节之一，通常可用两种方式产生单片机所需的时钟信号。一种为内部方式，主要利用单片机内部的反相器作振荡电路，具体接法如图6所示。

　　图6　晶体振荡/陶瓷振荡电路

　　该方式利用外接晶体作定时单元。晶体的频率范围在112～12MHz之间任选。电阻RS用来防止晶振被过分驱动。

　　在晶体振荡下，电阻RF≈10MΩ。图中并联的两个小电容可在5～30pF之间选择，起频率微调的作用，当VDD》415V时，建议C1=C2≈30pF（C1为相位调节电容；C2为增益调节电容）；另一种为外部方式，此方式的时钟源直接来自外部硬件电路（见图7）。对此电路来说，MCS-51系列单片机可使用已集成在片内的振荡器，亦可使用由TTL门电路构成的简单振荡器电路。由于内部时钟发生器是一个二分频的触发器，所以对外部振荡源要求不严，通常是产生112～12MHz的方波。当外接振荡器时，外部振荡信号从XTAL1端，即内部三相波形发生器的输入端输入，XTAL2端可浮空。

　　图7　外部晶体振荡电路

　　图7所示为一种典型的外部并行谐振振荡电路。该电路主要应用晶体的基频来设计。其中，74AS04反相器用来实现振荡器所需的180°相移，417kΩ的电阻用来提供负反馈给反相器，10kΩ的电位器则用来提供偏压，从而使反相器74AS04工作在线性范围内。

　　图8　外部串行谐振振荡电路

　　图8所示为一种典型的外部串行谐振振荡电路。该电路也是应用晶体的基频来设计。其中，74AS04反相器用来提供振荡器所需的180°相移，330Ω的电阻用来提供负反馈，同时偏置电压。

　　4.1.3　RC振荡

　　RC振荡适合于对时间精度要求不高的低成本应用。RC振荡频率随电源电压VDD、RC值及工作环境温度的变化而变化。

　　由于工艺参数的差异，对不同芯片而言其振荡器频率将有所不同。另外，当外接电容CEXT值较小时，对振荡器频率的影响更大。同时，电阻电容本身的容差对振荡器频率也有影响。图9所示为RC振荡电路，如果REXT低于212kΩ，振荡器将处于不稳定工作状态，甚至停振。而REXT大于1MΩ时，振荡器又易受噪声、湿度、漏电流的干扰。因此，电阻REXT取值最好在3～100kΩ范围内。在不接外部电容时，振荡器仍可工作，但为了抗干扰及保证稳定性，建议接一20pF以上的电容。

　　图9　RC振荡电路

　　本系统选取晶体振荡器作为微控制器的时钟输入，并选取6MHz时钟频率作为系统时钟周期，既可以满足系统频率的要求，又可以克服阻容振荡器精度不足的缺点，是一种较为适宜的设计选择。

　　4.2　系统电路设计

　　在本测距定位系统中，系统电路可分成三部分，一是超声波发射与接收电路部分；二是红外线产生与接收电路部分；三是显示电路部分，具体设计思路及设计结果如下：

　　4.2.1　超声波发射与接收电路

　　图10所示为超声波发射电路。在该电路中，通过输入引脚p110来控制超声波，并经超声波发射头Tx发射出去；图11所示为超声波接收放大电路。在该电路中，先通过接收头Rx接收超声波，然后经两级放大器把信号放大60dB，再输送给超声波检波电路。

　　图10　超声波发射电路

　　图11　超声波接收放大电路

　　图12所示为超声波检波电路。在该电路中，超声波脉冲信号被整流为正相信号（经测试，该正相信号近似于直流信号），此正相信号转入电路中的电压比较器，引起比较器输出脚（即单片机的INT0脚）电压跳变，由此即可判断是否有回波信号存在。

　　图12　超声波检波电路

　　4.2.2　红外线产生与接收电路

　　图13所示为红外线发射电路。在该电路中，红外线传感器通过IN引脚输入接收到的信号，当三极管的基极有电流时，三极管导通，从而有电流从位于发射极的红外二极管流过，激发出红外线。图14所示为红外线接收电路。在该电路中，当接收到反射红外线信号时，光敏二极管的电阻将被降低，输入到电压比较器负端的电压将被升高，从而使比较器的输出端输出低电平，并通过发光二极管的熄灭显示出来，由此可判断前方是否有障碍物。