摘  要: 為了提高移動機(jī)器人的定位能力,，提出了一種測障系統(tǒng)。硬件電路以STC12C5A60S2單片機(jī)為主控核心,，外圍電路主要由超聲波測距,、電子羅盤測方位、數(shù)字測溫和液晶顯示電路組成,。測距由超聲波渡越時間法實現(xiàn),，利用所測溫度實時修正參數(shù)，提高了測距精度,。方位由電子羅盤采集并以數(shù)字量輸出,，簡化了電路。系統(tǒng)軟件是一個微內(nèi)核,、多任務(wù)的實時系統(tǒng),，將μC/OS-II嵌入單片機(jī)，多參數(shù)采集程序運(yùn)行之上,，彌補(bǔ)了前后臺系統(tǒng)處理多參數(shù)實時性差的不足,。實際運(yùn)行表明，系統(tǒng)具有測試精度高,、實時好和擴(kuò)展性好等優(yōu)點,。
關(guān)鍵詞: 測障系統(tǒng); μC/OS-II；多任務(wù),；單片機(jī)

     測障系統(tǒng)由測距和測方位等功能組成,，它是一個多參數(shù),、多功能采集系統(tǒng)，而基于過程處理的前后臺系統(tǒng)已很難在實時性和可靠性上滿足要求,。隨著技術(shù)的進(jìn)步,一些8位及以上微控制器已能嵌入實時操作系統(tǒng)(RTOS),，應(yīng)用程序運(yùn)行之上，兩者相互協(xié)作,，組成一個多任務(wù),、多功能、可裁剪的測控系統(tǒng),，有效地克服了傳統(tǒng)設(shè)計方案的不足,。
    μC/OS-II是嵌入式實時操作系統(tǒng)，它具有的微內(nèi)核,、多任務(wù),、實時性和穩(wěn)定可靠等特點使其特別適用于構(gòu)建基于微處理器或單片機(jī)(這類處理器對存儲空間要求極其苛刻)的測控系統(tǒng)，其被成功應(yīng)用于航天工程,、生命科學(xué),、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域就是很好的例證[1]。
　　STC12C5A60S2單片機(jī)是具有8051內(nèi)核的增強(qiáng)型單片機(jī),，無需外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器就能很好地運(yùn)行裁剪的μC/OS-II系統(tǒng),。本文將?滋C/OS-II移植進(jìn)STC12C5A60S2單片機(jī)，設(shè)計了基于單片機(jī)的多參數(shù),、多功能測障系統(tǒng),。
1 系統(tǒng)方案和主要電路  
　系統(tǒng)硬件主要由STC12C5A60S2單片機(jī)、超聲波電路,、數(shù)字溫度傳感器DS18B20,、時鐘芯片DS1302、液晶顯示器LCD12864(ST7920)組成,，硬件框圖如圖1所示,。

　STC12C5A60S2單片機(jī)運(yùn)行μC/OS-II和應(yīng)用程序，是測控系統(tǒng)的核心,。單片機(jī)內(nèi)置60 KB Flash程序存儲器,、集成1 280 B數(shù)據(jù)存儲器和1 KB數(shù)據(jù)Flash存儲器[1]。 這些硬件配置使其能構(gòu)成基于μC/OS-II的多參數(shù),、多功能的實時測控系統(tǒng),。超聲波電路實現(xiàn)測距；電子羅盤電路實現(xiàn)測方位,；數(shù)字溫度傳感器測試溫度,，用于測距參數(shù)的修正；時鐘芯片輸出時間,；液晶顯示器實時顯示距離,、方位,、溫度等參數(shù)。
1.1 超聲波電路
    超聲波電路是利用超聲脈沖回波渡越時間法來實現(xiàn)測距,根據(jù)系統(tǒng)發(fā)射超聲波與接收反射波的時間差,結(jié)合修正后的波速計算出與障礙物的距離[2],。測距公式如下:
    S=vt/2             (1)
    v=331.5+0.6Δ  (2)
其中,，S為與障礙物的距離，單位為m,；v為帶溫度補(bǔ)償?shù)某暡▊鞑ニ俣?單位為m/s,；t為超聲波發(fā)射與接收到反射波時的時間差，單位為s,；331.5是0℃時超聲波在空氣中的傳播速度, 單位為m/s,；Δ為實測溫度,由測溫電路測得，單位為℃,。
    超聲波電路由超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路組成,，選用壓電式超聲波傳感器(型號TCT40-16T/R，中心頻率40.0±1.0 kHz),。
    超聲波發(fā)射電路由555定時器,、CD4069,、TCT40-16T發(fā)射器等組成,如圖2所示,。它是利用發(fā)射器的逆壓電效應(yīng),將高頻電振動轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動,產(chǎn)生超聲波發(fā)射出去的電路。電路中,，當(dāng)單片機(jī)控制引腳P1.1為低電平時,，555定時器產(chǎn)生中心頻率40 kHz的高頻信號，由引腳3輸出至CD4069,，CD4069將其整形后驅(qū)動發(fā)射器發(fā)射超聲波,。

    超聲波接收電路由TCT40-16R接收器和紅外線檢波芯片CX20106A等組成，如圖3所示,。它是利用接收器的壓電效應(yīng),將接收的超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號,，實現(xiàn)微弱反射回波的放大、濾波,、檢波,、整形輸出的電路[3]。電路中,，反射波由引腳1輸入,，此信號被處理后由引腳7輸出低電平，此負(fù)跳變通過P1.2引入單片機(jī),，單片機(jī)以查詢的方式獲取該信號的變化(反射波),。

1.2 電子羅盤電路
    電子羅盤電路用于測試與障礙物的方位(角度和方向)。其工作原理是利用磁阻傳感器測試與地磁場的偏移關(guān)系從而獲取方位信息[4],。
    電子羅盤電路由電源電路和HMC5883L集成模塊組成,。HMC5883L內(nèi)置磁阻傳感器,、12位ADC、放大器,、I2C數(shù)字接口,、測量精度達(dá)到1°~2°[5]。電子羅盤電路與單片機(jī)接口如圖4所示,。

1.3 數(shù)字測溫/時鐘電路

    數(shù)字測溫電路由數(shù)字溫度傳感器DS18B20組成,。它具有以下特點[6]: (1)測溫范圍為-55℃~+125℃， 最高12 bit分辨率,，精度可達(dá)±0.5℃;(2)可通過編程的方式實現(xiàn)9 bit~12 bit的數(shù)字溫度直讀; (3)可設(shè)置超限溫度報警,，并有搜索命令識別報警條件;(4)單總線接口,僅需一條輸入/輸出線(DQ)就能與單片機(jī)(P1.0)通信。DS18B20數(shù)字測溫電路如圖5所示,。

    時鐘電路由時鐘芯片DS1302組成,。它是一種高性能、低功耗,、采用三線接口的實時時鐘電路,，可以對時間和日期進(jìn)行計時[7]。DS1302時鐘電路如圖6所示,。

2 系統(tǒng)軟件
    系統(tǒng)軟件是運(yùn)行于?滋C/OS-II之上的程序,，它將RTOS與應(yīng)用程序有機(jī)融合在一起。RTOS負(fù)責(zé)任務(wù)管理與調(diào)度,、任務(wù)間同步和通信等功能,；應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)具體功能，如測距,、測方位和參數(shù)顯示等,。
2.1 μC/OS_II移植
　　μC/OS-II必須裁剪才能在STC12C5A60S2單片機(jī)中正常運(yùn)行,主要涉及4個文件[1]: 處理器相關(guān)文件(OS_CPU_C.C、OS_CPU.H),、 配置文件(OS_CFG.H),、 匯編文件(OS_CPU_A.ASM)、啟動文件(STARTUP.A5),。
2.2 應(yīng)用程序組成
　程序流程框圖如圖7所示,。主文件由系統(tǒng)和應(yīng)用程序初始化功能函數(shù)、任務(wù)1和任務(wù)2的功能函數(shù),、時鐘中斷函數(shù)UserTickTimer()等組成,。

2.2.1 系統(tǒng)和應(yīng)用程序初始化主要功能函數(shù)
    (1) OSInit()
    初始化操作系統(tǒng)。
    (2) InitHardware()/InitLcdBase()/ Init DS1302 ()/Init
Hmc5883()
　初始化定時器T0/T1:方式1,，T0定時50 ms中斷一次,，T1為超聲波計數(shù)，初值為0。
　初始化液晶顯示器LCD12864,、數(shù)字時鐘芯片DS1302和電子羅盤芯片HMC5883,。
　(3) OSTaskCreate()
　OSTaskCreate(Task1,(void*)0,&Task1Stk[0],1);
　OSTaskCreate(Task2,(void*)0,&Task2Stk[0],2);
　創(chuàng)建Task1和Task2兩個任務(wù)，級別為1和2,，并分配堆棧,。
　(4) myMbox=OSMboxCreate((void*)1);
　創(chuàng)建消息郵箱并賦初值，作為1 s到的時間標(biāo)識,。
　(5) OSStart()
　啟動多任務(wù),。
2.2.2 任務(wù)1和任務(wù)2的功能函數(shù)
　(1) 任務(wù)1的功能函數(shù)
　① Hmc5883Process()/DisplayGoniometer()
　測方位并用數(shù)字/指針顯示,，每1 s刷新一次,。
　② OSTimeDly(20)
　任務(wù)1被掛起20個時鐘節(jié)拍,，讓出CPU資源,。
    (２) 任務(wù)2的功能函數(shù)
    ① OSMboxPend(myMbox,0,&err)
    當(dāng)接收到系統(tǒng)每隔1 s發(fā)過來的消息時,執(zhí)行以下函數(shù)，否則等待,。
    ② Get1302Data()/Display1302DigitalClock()  
    讀取DS1302的值并顯示時間,。
    ③ Ds18b20DataToString()/DisplayDs18b20Tempe()
    讀取DS18b20溫度值并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)格式,顯示溫度值。
    ④ UltraShowDistance()
    顯示基于超聲回波渡越時間波測試的距離值,。
    ⑤ OSTimeDly(5)
    任務(wù)2被掛起5個時鐘節(jié)拍,，讓出CPU資源。
3 實驗
    基于單片機(jī)的測障系統(tǒng)實際運(yùn)行結(jié)果如圖8所示,。

    圖8(a)~(d)中,，第1行為交替顯示時間和日期信息,，日期格式為年/月/日,；數(shù)字時鐘格式為小時:分鐘:秒。初始時間和日期可通過程序設(shè)定,。
    第2行:“E:XXX.X°” 為方位信息,，即與以東為參考點的夾角(角度為0時指向東)，單位為度(°),。指針的指向與角度一致,。
    第3行:“XXX.XCM”為實測的與障礙物的距離，單位為cm,，測試范圍<600 cm,。
    第4行:“±XX.XX℃”為實測溫度,單位為攝氏度(℃)。
    系統(tǒng)硬件以增強(qiáng)型單片機(jī)為測控核心,，外圍電路采用模塊化設(shè)計,，整個電路穩(wěn)定、可靠。系統(tǒng)軟件設(shè)計為基于嵌入式實時操作系統(tǒng)的多任務(wù)系統(tǒng),。實際運(yùn)行表明,，系統(tǒng)測試精度高,功能多，實時性好,可擴(kuò)展性好,，為深入研究機(jī)器人定位系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ),。
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