引言

　　傳感器檢測技術(shù),、無線電通訊技術(shù),、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱，它們分別構(gòu)成了信息技術(shù)系統(tǒng)的“感官”,、“神經(jīng)”和“大腦”,。傳感器技術(shù)是信息社會的重要技術(shù)基礎(chǔ)，其品種,、性能和質(zhì)量直接決定了信息技術(shù)系統(tǒng)的功能和質(zhì)量,。因此有人說：“征服了傳感器就等于征服了科學(xué)技術(shù)”。由此可見,，傳感器的開發(fā)與運(yùn)用具有重大的意義,。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對傳感器的性能水平及運(yùn)用方式提出了更高的要求,，而在被人們廣泛運(yùn)用的傳感器家族中,，超聲波傳感器和紅外線傳感器以其優(yōu)異的性能得到人們的青睞，廣泛用于軍事,、醫(yī)療,、工業(yè)和家電產(chǎn)品。但目前超聲波傳感器和紅外線傳感器一般都是單獨(dú)使用,，由于這兩種傳感器具有功能互補(bǔ)的特點(diǎn),，故而應(yīng)把這兩種傳感器綜合起來，以制作出功能更全,、精度更高,、結(jié)構(gòu)更簡,、成本更低的傳感器探測系統(tǒng)?；谏鲜隹紤],，本文開展了基于超聲波與紅外線探測技術(shù)的測距定位系統(tǒng)的研究。

　　1　測距原理分析

　　目前,，超聲波傳感器廣泛用作測距傳感器,，常作為一種輔助視覺手段與其他視覺工具（如CCD圖像傳感器）配合使用，可有效提高機(jī)器的視覺功能,。

　　1.1　超聲波發(fā)生器

　　超聲波發(fā)生器可分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波,；一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣類包括壓電型,、磁致伸縮型和電動型等,；機(jī)械類包括加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等,。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率,、功率和聲波特性各不相同，因而用途也有所不同,。目前常用的是壓電式超聲波發(fā)生器,。

　　1.2　壓電式超聲波發(fā)生器工作原理

　　壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的，其外觀結(jié)構(gòu)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)分別如圖1和圖2所示,。

　　圖1　超聲波發(fā)生器外觀結(jié)構(gòu)

　　圖2　超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

 　　該傳感器有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板,，當(dāng)其兩極外加脈沖信號，且頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí),，壓電晶片將會發(fā)生共振,，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波。反之,，如果兩電極間未外加電壓,，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將迫使壓電晶片振動,，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號,，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。

　　1.3　超聲波測距原理

　　超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波,，在發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí),，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回,，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí),。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離S,，即：S=340t/2,。

　　2　定位原理分析

　　由于超聲波傳感器的波束發(fā)散比較嚴(yán)重，當(dāng)超聲波發(fā)射點(diǎn)距障礙物較遠(yuǎn)時(shí),，超聲波傳感器的方向定位精度較差,，因而有必要引入其它方法或傳感器來改善其性能。經(jīng)查閱資料得知,，紅外線傳感器可彌補(bǔ)其性能上的不足,。紅外線具有光束發(fā)散小的優(yōu)點(diǎn)，目前很容易得到光束視角小于5°的紅外線傳感器,。

　　相對于超聲波傳感器,，其定向精度有了很大的提高。而且,，還可以采用反應(yīng)速度較快的紅外線傳感器（如光導(dǎo)紅外傳感器,，其響應(yīng)時(shí)間達(dá)到了微秒級）來消除超聲波傳感器盲區(qū)，提高系統(tǒng)的整體性能,。

　　當(dāng)紅外線反射型傳感器接通電源后,，即從模塊內(nèi)部的紅外線反射管向前方發(fā)射紅外線，一旦有物體或人體進(jìn)入其有效探測范圍內(nèi)時(shí),，紅外線就會有一部分被反射回來,，被與發(fā)射管同排安裝的光敏接收管所接收，光敏接收管的電阻將因此減少,，引起與其串連的電阻出現(xiàn)電壓變化，由電壓比較器處理后,，在輸出端給出低電平信號,，引起單片機(jī)中斷，從而進(jìn)行有效控制,。

　　紅外線反射型傳感器的檢測距離與工作電壓密切相關(guān),。工作電壓越高，紅外線反射功率越強(qiáng),，檢測距離就越遠(yuǎn),；反之，電壓低,，檢測距離就相對較近,。

　　3　系統(tǒng)總體方案

　　本文研究目標(biāo)是利用單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)及傳感器探測技術(shù)，開發(fā)一套傳感器定位測距系統(tǒng),。該系統(tǒng)將采用超聲波傳感器來測距,，采用紅外線傳感器來定位，其組成框圖如圖3所示。

　　系統(tǒng)包括四部分：超聲波收發(fā)部分,、紅外線收發(fā)部分,、控制部分和顯示部分?？刂撇糠质且粋€(gè)單片機(jī)系統(tǒng),，包括信號發(fā)射功能、信號判斷和分析功能以及控制顯示功能,。

　　圖3　系統(tǒng)總體框圖

 　　 4　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

 　　4.1　微控制器單元設(shè)計(jì)

　　微控制器單元設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的核心部分,，針對系統(tǒng)要求體積小、功耗低的特點(diǎn),，選用AIMEL公司的AT89C51,。這是一個(gè)帶有4K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲器的低功耗、高性能的CMOS8位微控制器,，可與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)80C51的指令設(shè)置和管腳輸出兼容,，因而具有較好的實(shí)用性［2］。在選定單片機(jī)型號以后,，還需完成以下電路的設(shè)計(jì)工作,。

　　4.1.1　復(fù)位電路設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)的復(fù)位電路應(yīng)具有上電復(fù)位和手動復(fù)位功能。由于復(fù)位電路易受噪聲干擾,，故在設(shè)計(jì)時(shí),，一要保證整個(gè)系統(tǒng)可靠復(fù)位；二要使之具有一定的抗干擾能力,，這可通過以下設(shè)計(jì)加以保障,。

　　（1）復(fù)位電路RC參數(shù)的選擇

　　微控制器的復(fù)位脈沖高電平必須大于2個(gè)機(jī)器周期,，若系統(tǒng)選用6MHz晶振,，則1個(gè)機(jī)器周期為2μs，那么復(fù)位脈沖寬度最小應(yīng)為4μs,。在實(shí)際應(yīng)用中,，考慮到電源穩(wěn)定時(shí)間、參數(shù)漂移,、晶振穩(wěn)定時(shí)間以及復(fù)位可靠性等因素,，必須留有足夠的余量。圖4是利用RC充電原理實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位的電路原理圖,。實(shí)踐證明,，上電瞬間RC電路充電，RESET引腳端出現(xiàn)正脈沖,。只要RESET端保持10μs以上的高電平,，就能使微控制器有效復(fù)位,。

　　圖4　復(fù)位電路原理圖

 　　應(yīng)當(dāng)指出，在圖4（a）所示電路中,，非門的最小輸入高電平U′IH=210V,，因而當(dāng)充電時(shí)間t=016RC，則充電電壓UC=0145VCC=0145×5V≈2V,，其中t為復(fù)位時(shí)間,。由于在該電路中，有R=1kΩ和C=22μF,，則有t=016×103×22×10-6=13ms,。

　　（2）復(fù)位電路的可靠性和抗干擾設(shè)計(jì)

　　微控制器復(fù)位端口的干擾主要來自電源和按鈕傳輸線串入的噪聲,。這些噪聲雖然不會完全導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位,，但有時(shí)會破壞CPU內(nèi)的程序狀態(tài)字的某些位的狀態(tài)，對控制產(chǎn)生不良影響,。以圖4為例,，電源噪聲干擾過程如圖5所示，其中u代表噪聲源,，為了分析方便起見,，設(shè)u為階躍擾動。圖5中分別繪出了A點(diǎn)和B點(diǎn)的電壓擾動波形,。

　　圖5　電源階躍擾動示意圖

 　　由圖5可以看出,，圖5（a）實(shí)質(zhì)上是個(gè)低通濾波環(huán)節(jié)（慣性滯后環(huán)節(jié)），對于脈寬小于3τ的干擾信號有很好的抑制作用,；圖5（b）實(shí)質(zhì)上是個(gè)高通濾波環(huán)節(jié)（微分超前環(huán)節(jié)）,，對脈沖干擾沒有抑制作用。由此可見,，對于圖4所示的兩種復(fù)位電路,，圖5（a）的抗電源噪聲的能力要優(yōu)于圖5（b）。但為了精簡系統(tǒng)電路,，在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，還是采用了圖5（b）所示的復(fù)位電路,。

　　4.1.2　振蕩器電路設(shè)計(jì)

　　晶振設(shè)計(jì)是單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)之一,，通常可用兩種方式產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘信號,。一種為內(nèi)部方式,，主要利用單片機(jī)內(nèi)部的反相器作振蕩電路，具體接法如圖6所示,。

　　圖6　晶體振蕩/陶瓷振蕩電路

　　該方式利用外接晶體作定時(shí)單元,。晶體的頻率范圍在112～12MHz之間任選。電阻RS用來防止晶振被過分驅(qū)動。

　　在晶體振蕩下,，電阻RF≈10MΩ,。圖中并聯(lián)的兩個(gè)小電容可在5～30pF之間選擇，起頻率微調(diào)的作用,，當(dāng)VDD》415V時(shí),，建議C1=C2≈30pF（C1為相位調(diào)節(jié)電容；C2為增益調(diào)節(jié)電容）,；另一種為外部方式,，此方式的時(shí)鐘源直接來自外部硬件電路（見圖7）。對此電路來說,，MCS-51系列單片機(jī)可使用已集成在片內(nèi)的振蕩器,，亦可使用由TTL門電路構(gòu)成的簡單振蕩器電路。由于內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器是一個(gè)二分頻的觸發(fā)器,，所以對外部振蕩源要求不嚴(yán),，通常是產(chǎn)生112～12MHz的方波。當(dāng)外接振蕩器時(shí),，外部振蕩信號從XTAL1端,，即內(nèi)部三相波形發(fā)生器的輸入端輸入，XTAL2端可浮空,。

　　圖7　外部晶體振蕩電路

 　　圖7所示為一種典型的外部并行諧振振蕩電路,。該電路主要應(yīng)用晶體的基頻來設(shè)計(jì)。其中,，74AS04反相器用來實(shí)現(xiàn)振蕩器所需的180°相移,，417kΩ的電阻用來提供負(fù)反饋給反相器，10kΩ的電位器則用來提供偏壓,，從而使反相器74AS04工作在線性范圍內(nèi),。

　　圖8　外部串行諧振振蕩電路

 　　圖8所示為一種典型的外部串行諧振振蕩電路。該電路也是應(yīng)用晶體的基頻來設(shè)計(jì),。其中,，74AS04反相器用來提供振蕩器所需的180°相移，330Ω的電阻用來提供負(fù)反饋,，同時(shí)偏置電壓,。

　　4.1.3　RC振蕩

　　RC振蕩適合于對時(shí)間精度要求不高的低成本應(yīng)用。RC振蕩頻率隨電源電壓VDD,、RC值及工作環(huán)境溫度的變化而變化,。

　　由于工藝參數(shù)的差異，對不同芯片而言其振蕩器頻率將有所不同,。另外,，當(dāng)外接電容CEXT值較小時(shí),，對振蕩器頻率的影響更大。同時(shí),，電阻電容本身的容差對振蕩器頻率也有影響,。圖9所示為RC振蕩電路，如果REXT低于212kΩ,，振蕩器將處于不穩(wěn)定工作狀態(tài),，甚至停振。而REXT大于1MΩ時(shí),，振蕩器又易受噪聲,、濕度、漏電流的干擾,。因此,，電阻REXT取值最好在3～100kΩ范圍內(nèi)。在不接外部電容時(shí),，振蕩器仍可工作,，但為了抗干擾及保證穩(wěn)定性，建議接一20pF以上的電容,。

　　圖9　RC振蕩電路

 　　本系統(tǒng)選取晶體振蕩器作為微控制器的時(shí)鐘輸入,，并選取6MHz時(shí)鐘頻率作為系統(tǒng)時(shí)鐘周期，既可以滿足系統(tǒng)頻率的要求,，又可以克服阻容振蕩器精度不足的缺點(diǎn),，是一種較為適宜的設(shè)計(jì)選擇。

　　4.2　系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

　　在本測距定位系統(tǒng)中,，系統(tǒng)電路可分成三部分,，一是超聲波發(fā)射與接收電路部分；二是紅外線產(chǎn)生與接收電路部分,；三是顯示電路部分,，具體設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)結(jié)果如下：

　　4.2.1　超聲波發(fā)射與接收電路

　　圖10所示為超聲波發(fā)射電路。在該電路中,，通過輸入引腳p110來控制超聲波,，并經(jīng)超聲波發(fā)射頭Tx發(fā)射出去；圖11所示為超聲波接收放大電路,。在該電路中,，先通過接收頭Rx接收超聲波，然后經(jīng)兩級放大器把信號放大60dB,，再輸送給超聲波檢波電路,。

　　圖10　超聲波發(fā)射電路　　

　　圖11　超聲波接收放大電路

 　　圖12所示為超聲波檢波電路,。在該電路中,，超聲波脈沖信號被整流為正相信號（經(jīng)測試,，該正相信號近似于直流信號），此正相信號轉(zhuǎn)入電路中的電壓比較器,，引起比較器輸出腳（即單片機(jī)的INT0腳）電壓跳變,，由此即可判斷是否有回波信號存在。

　　圖12　超聲波檢波電路

　　4.2.2　紅外線產(chǎn)生與接收電路

　　圖13所示為紅外線發(fā)射電路,。在該電路中,，紅外線傳感器通過IN引腳輸入接收到的信號，當(dāng)三極管的基極有電流時(shí),，三極管導(dǎo)通,，從而有電流從位于發(fā)射極的紅外二極管流過，激發(fā)出紅外線,。圖14所示為紅外線接收電路,。在該電路中，當(dāng)接收到反射紅外線信號時(shí),，光敏二極管的電阻將被降低,，輸入到電壓比較器負(fù)端的電壓將被升高，從而使比較器的輸出端輸出低電平,，并通過發(fā)光二極管的熄滅顯示出來,，由此可判斷前方是否有障礙物。

　　圖13　經(jīng)外線發(fā)射電路

　　圖14　紅外線接收電路

 　　4.2.3　顯示電路

　　單片機(jī)接收到前面兩部分電路反饋回來的信息并經(jīng)過相應(yīng)算法的處理后,，得出前方物體的距離與方向等信息,，一方面可以控制相應(yīng)的被控對象進(jìn)行相應(yīng)的動作，另一方面可以通過LED顯示相應(yīng)的距離,。本設(shè)計(jì)采用動態(tài)顯示,，以節(jié)省單片機(jī)的輸出管腳，有利于簡化系統(tǒng),，具體電路如圖15所示,。

　　圖15　系統(tǒng)顯示電路

　　5　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)工作時(shí)首先啟動紅外線傳感器進(jìn)行探測，當(dāng)檢測到有障礙物存在時(shí),，再啟動超聲波傳感器進(jìn)行測距,，然后通過LED進(jìn)行顯示。如果檢測到的物體在超聲波傳感器的測量盲區(qū)內(nèi),，則根據(jù)紅外線傳感器的響應(yīng)情況對距離進(jìn)行估計(jì)顯示,。對應(yīng)上述功能的程序框圖如圖16所示。

　　圖16　系統(tǒng)程序框圖

 　　6　結(jié)語

　　本文采用超聲波傳感器和紅外線傳感器組成綜合測距定位系統(tǒng),，克服了由單一傳感器所構(gòu)成探測系統(tǒng)的不足,，同時(shí)具備了超聲波傳感器和紅外線傳感器探測的優(yōu)點(diǎn)，能夠比較精確地測距和定向,。同時(shí),，系統(tǒng)還采用了單片機(jī)控制技術(shù),，使系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性和實(shí)用性。