引言
在自主行走機器人系統(tǒng)中,，機器人要實現(xiàn)在未知和不確定環(huán)境下行走,，必須實時采集環(huán)境信息，以實現(xiàn)避障和導航,，這必須依靠能實現(xiàn)感知環(huán)境信息的傳感器系統(tǒng)來實現(xiàn),。視覺、紅外,、激光,、超聲波" title="超聲波">超聲波等傳感器都在行走機器人中得到廣泛應用。由于超聲波測距" title="測距">測距方法設備簡單,、價格便宜,、體積小、設計簡單,、易于做到實時控制,，并且在測量距離、測量精度等方面能達到工業(yè)實用的要求,，因此得到了廣泛的應用,。本文所介紹的機器人采用三方超聲波測距系統(tǒng)，該系統(tǒng)可為機器人識別其運動的前方、左方和右方環(huán)境而提供關(guān)于運動距離的信息,。
1 超聲波測距原理
超聲波發(fā)生器內(nèi)部由兩個壓電片和一個共振板組成,。當它的兩極外加脈沖信號，且其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時,，壓電晶片將會發(fā)生共振,，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波,。反之,，如果兩極間未加外電壓，當共振板接收到超聲波時,，就成為超聲波接收器,。超聲波測距一般有兩種方法：①取輸出脈沖的平均電壓值，該電壓與距離成正比,，測量電壓即可測量距離,；②測量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔t,根據(jù)被測距離s=vt?2來得到測量距離,，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，應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?/font>
本測量系統(tǒng)采用第二種方法,，由于測量精度要求不是特別高,，所以可以認為溫度基本不變。
本系統(tǒng)以PIC16F877單片機" title="單片機">單片機為核心,，通過軟件編程實現(xiàn)其對外圍電路的實時控制,，并提供給外圍電路所需的信號，包括頻率振動信號,、數(shù)據(jù)處理信號等,，從而簡化了外圍電路，且移植性好,。系統(tǒng)硬件電路方框圖見圖1,。
由于本系統(tǒng)只需要清楚機器人前方、左方,、右方是否有障礙物,，并不需要知道障礙物與機器人的具體距離，因此不需要顯示電路,，只需要設定一距離閥值,，使障礙物與機器人的距離達到某一值時，單片機控制機器人電機停轉(zhuǎn),，這可通過軟件編程實現(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，當單片機上電時,，單片機從RA0口產(chǎn)生40kHz的超聲波信號,，但是此時該信號無法通過與非門進入放大電路使超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波，只有閉合開關(guān)S1時,，從RA1口發(fā)射出一門控信號,，該信號的頻率為4kHz,同時啟動單片機內(nèi)部的定時器TMR1,開始計數(shù)。該門控信號每發(fā)射一個周期的波形,，超聲波就會發(fā)射10個完整的波形,，這可由它們的頻率得出。超聲波的周期為1（40kHz）=01025ms,而門控信號的周期為1（4kHz）=0125ms,。最后根據(jù)s=vt2求出障礙物與移動機器人的距離,。當超聲波接收頭收到反射回來的超聲波時，計數(shù)器停止計數(shù),，時間t可以根據(jù)計數(shù)器的計數(shù)與門控信號的周期求出,。RA2口接RS觸發(fā)器，RS觸發(fā)器可以自動控制超聲波的發(fā)射和停止,。本系統(tǒng)的電路還包括人工復位電路,，由單片機的MCLR引腳接S2來控制，超聲波發(fā)射電路圖見圖2,。
2.2 門控電路（RS觸發(fā)器）
為實現(xiàn)對超聲波發(fā)射和接收的自動控制,，須在電路中加一門控電路，該門控信號頻率為4kHz,如把輸出脈沖作為閘門信號,，讓已知頻率fc的脈沖恰好通過閘門,，那么t=NTc,其中，Tc為已知脈沖的周期,，N為脈沖的個數(shù),。
門控電路由RS觸發(fā)器組成，當輸入端R=1（S=0）時復位,，即輸出端Q=0;當R=0（S=1）時置位,，即Q=1。RS觸發(fā)器與單片機的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放大電路來放大電流,，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,。該電路采用兩個集成運放，設計為兩級,，兩級都為同相輸入,，因為同相輸入的電壓放大倍數(shù)為1+RfR,所以每一級的放大倍數(shù)為10,兩級放大倍數(shù)接近100倍，這樣后續(xù)電路就可以很容易地檢測到輸入的信號,。集成運放采用雙電源供電,，超聲波接收放大電路見圖4。
3.2 信號濾波電路
從信號放大電路出來的聲波帶有一定的干擾,，為了去除干擾信號,，需要一濾波電路，信號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,外加一過零比較器，使輸出信號轉(zhuǎn)化為方波信號,。信號濾波電路見圖5,。
3.3 信號整形電路
從信號濾波電路出來的方波信號很不規(guī)則，故其后加一整形電路,，整形電路由兩級非門串聯(lián),，并聯(lián)一電阻組成，整形后再送單片機進行處理,，信號整形電路見圖6,。
4 軟件程序設計
軟件采用模塊化設計，由主程序,、發(fā)射子程序等組成,，軟件程序框圖見圖7。
5 結(jié)語
本文設計的超聲波測距系統(tǒng)采用了單片機編程技術(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)的測距系統(tǒng)相比,，具有結(jié)構(gòu)簡單,、價格便宜、移植性好等特點,。