位差超聲波傳感器在智能玩具機器人中的應(yīng)用

摘要：超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器，它在非接觸性測量方面應(yīng)用非常廣泛，筆者根據(jù)智能玩具機器人的距離感知系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計過程，介紹了位差超聲波傳感器在智能玩具機器人中的應(yīng)用，給出了位差超聲波傳感器與單片機系統(tǒng)的硬件電路接口和距離檢測軟件的編程思路，并通過實驗，得出了其測量精度與測量距離以及與被測物體反射角之間的關(guān)系。
關(guān)鍵詞：超聲波；機器人；傳感器；距離檢測

目前國內(nèi)生產(chǎn)的電子玩具技術(shù)含量較低，由于不具備智能化，利潤空間小，受歡迎程度低。近年來，伴隨計算機技術(shù)的高速發(fā)展，智能控制器的發(fā)展迅速，一些典型的智能玩具如輪式移動機器人在部分院校教學中得到推廣，因為智能玩具機器人是一個典型的機電一體化系統(tǒng)，它融合制造技術(shù)、機械、電子、傳感器、計算機和人工智能等眾多先進技術(shù)，是進行工程訓練、教學實驗和研究的理想平臺，在電子學教學領(lǐng)域中有著諸多的研究價值。
傳感器是智能機器人獲取外界數(shù)據(jù)的“感知系統(tǒng)”，離開智能傳感器的機器人大多是些功能單一，不具備思維能力，有些甚至是底盤基座固定式的，使得這些機器人只能固定在某一位置按照事先設(shè)定動作進行機械式的重復(fù)操作，其應(yīng)用范圍僅限于工業(yè)生產(chǎn)中的重復(fù)性工作，不便于普及和推廣，可見基于傳感器的智能控制器在實現(xiàn)玩具機器人的智能化的作用中不可或缺，筆者介紹了一種基于超聲波原理的位差超聲波傳感器在智能玩具教育機器人中的應(yīng)用，通過較為具體的設(shè)計過程介紹了智能玩具機器人距離測試系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方法，并對位差超聲波傳感器的性能指標和一些關(guān)鍵技術(shù)作較深入地探討，提出了一些編程控制技巧及算法。

1 硬件設(shè)計
采用“MCU+傳感器+顯示設(shè)備+執(zhí)行機構(gòu)”的總體設(shè)計方案，要求MCU對非接觸式傳感器獲取的外部距離信息進行計算轉(zhuǎn)換，將得出的智能玩具機器人與前方障礙物的距離值送到顯示設(shè)備顯示，并根據(jù)程序設(shè)定的距離閾值控制智能玩具機器人實現(xiàn)自動導(dǎo)航功能，系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

其中系統(tǒng)MCU采用目前性價比較高的AT89C51單片機，利用“位差超聲波傳感器”作為距離傳感器，以非接觸的形式測量前方物體的距離；顯示設(shè)備采用LCD1602液晶顯示模塊；執(zhí)行機構(gòu)采用PARALLAX公司生產(chǎn)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服電機，其優(yōu)點是編程控制方便且不需額外增加驅(qū)動電路，圖1中超聲波傳感器測距的工作原理如圖2所示。

超聲波傳感器與單片機系統(tǒng)進行接口構(gòu)成距離檢測的硬件系統(tǒng)，在系統(tǒng)軟件的控制下，單片機向位差超聲波傳感器發(fā)送的一個觸發(fā)脈沖，位差超聲波傳感器被此脈沖觸發(fā)后會產(chǎn)生一道短40 kHz的脈沖電信號，此40 kHz的脈沖電信號通過激勵換能器處理以后，將轉(zhuǎn)換成機械振動的能量，其振動頻率約在20 kHz以上，由此形成了超聲波，該信號經(jīng)錐形“輻射口”處將超聲波信號在空氣中以每秒約1 130英尺的速度向外發(fā)射出去。當發(fā)射出去的超聲波信號遇到障礙物以后，立即被反射回來。接收器接收到反射回來的超聲波信號后，通過其內(nèi)部轉(zhuǎn)換，將超聲波變成微弱的電振蕩，并將信號進行放大，就可得到所需的脈沖信號，此脈沖信號再返回給單片機，表示回波被探測，這個脈沖寬度就是對應(yīng)于爆裂回聲返回到傳感器所需時間，其時序如圖3所示。