超聲波測(cè)距電子電路設(shè)計(jì)詳解

在自主行走機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)在未知和不確定環(huán)境下行走，必須實(shí)時(shí)采集環(huán)境信息，以實(shí)現(xiàn)避障和導(dǎo)航，這必須依靠能實(shí)現(xiàn)感知環(huán)境信息的傳感器系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。視覺(jué)、紅外、激光、超聲波等傳感器都在行走機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。由于超聲波測(cè)距方法設(shè)備簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、體積小、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量距離、測(cè)量精度等方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。本文所介紹的機(jī)器人采用三方超聲波測(cè)距系統(tǒng)，該系統(tǒng)可為機(jī)器人識(shí)別其運(yùn)動(dòng)的前方、左方和右方環(huán)境而提供關(guān)于運(yùn)動(dòng)距離的信息。

超聲波測(cè)距原理

超聲波發(fā)生器內(nèi)部由兩個(gè)壓電片和一個(gè)共振板組成。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，且其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩極間未加外電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，就成為超聲波接收器。超聲波測(cè)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(cè)量電壓即可測(cè)量距離;②測(cè)量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔t，根據(jù)被測(cè)距離s=vt?2來(lái)得到測(cè)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(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?/p>

本測(cè)量系統(tǒng)采用第二種方法，由于測(cè)量精度要求不是特別高，所以可以認(rèn)為溫度基本不變。本系統(tǒng)以PIC16F877單片機(jī)為核心，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)其對(duì)外圍電路的實(shí)時(shí)控制，并提供給外圍電路所需的信號(hào)，包括頻率振動(dòng)信號(hào)、數(shù)據(jù)處理信號(hào)等，從而簡(jiǎn)化了外圍電路，且移植性好。系統(tǒng)硬件電路方框圖見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)硬件電路方框圖

由于本系統(tǒng)只需要清楚機(jī)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(jī)器人的具體距離，因此不需要顯示電路，只需要設(shè)定一距離閥值，使障礙物與機(jī)器人的距離達(dá)到某一值時(shí)，單片機(jī)控制機(jī)器人電機(jī)停轉(zhuǎn)，這可通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)。

超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射電路以PIC16F877為核心，當(dāng)單片機(jī)上電時(shí)，單片機(jī)從RA0口產(chǎn)生40kHz的超聲波信號(hào)，但是此時(shí)該信號(hào)無(wú)法通過(guò)與非門(mén)進(jìn)入放大電路使超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波，只有閉合開(kāi)關(guān)S1時(shí)，從RA1口發(fā)射出一門(mén)控信號(hào)，該信號(hào)的頻率為4kHz，同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器TMR1，開(kāi)始計(jì)數(shù)。該門(mén)控信號(hào)每發(fā)射一個(gè)周期的波形，超聲波就會(huì)發(fā)射10個(gè)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(mén)控信號(hào)的周期為1(4kHz)=0125ms。最后根據(jù)s=vt2求出障礙物與移動(dòng)機(jī)器人的距離。當(dāng)超聲波接收頭收到反射回來(lái)的超聲波時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，時(shí)間t  可以根據(jù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)與門(mén)控信號(hào)的周期求出。RA2口接RS觸發(fā)器，RS觸發(fā)器可以自動(dòng)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(fù)位電路，由單片機(jī)的MCLR引腳接S2來(lái)控制，超聲波發(fā)射電路圖見(jiàn)圖2。

圖2 超聲波發(fā)射電路圖

門(mén)控電路(RS觸發(fā)器)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波發(fā)射和接收的自動(dòng)控制，須在電路中加一門(mén)控電路，該門(mén)控信號(hào)頻率為4kHz，如把輸出脈沖作為閘門(mén)信號(hào)，讓已知頻率fc的脈沖恰好通過(guò)閘門(mén)，那么t=NTc，其中，Tc為已知脈沖的周期，N為脈沖的個(gè)數(shù)。門(mén)控電路由RS觸發(fā)器組成，當(dāng)輸入端R=1(S=0)時(shí)復(fù)位，即輸出端Q=0;當(dāng)R=0(S=1)時(shí)置位，即Q=1。RS觸發(fā)器與單片機(jī)的RA2口相連。

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(jī)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(mén)后加一級(jí)放大電路來(lái)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(jiàn)圖3。

圖3 超聲波放大發(fā)射電路圖

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(hào)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(gè)集成運(yùn)放，設(shè)計(jì)為兩級(jí)，兩級(jí)都為同相輸入，因?yàn)橥噍斎氲碾妷悍糯蟊稊?shù)為1+RfR，所以每一級(jí)的放大倍數(shù)為10，兩級(jí)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(cè)到輸入的信號(hào)。集成運(yùn)放采用雙電源供電，超聲波接收放大電路見(jiàn)圖4。

圖4 超聲波接收放大電路圖

信號(hào)濾波電路

從信號(hào)放大電路出來(lái)的聲波帶有一定的干擾，為了去除干擾信號(hào)，需要一濾波電路，信號(hào)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(guò)零比較器，使輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)。信號(hào)濾波電路見(jiàn)圖5。

圖5 信號(hào)濾波電路圖

信號(hào)整形電路

從信號(hào)濾波電路出來(lái)的方波信號(hào)很不規(guī)則，故其后加一整形電路，整形電路由兩級(jí)非門(mén)串聯(lián)，并聯(lián)一電阻組成，整形后再送單片機(jī)進(jìn)行處理，信號(hào)整形電路見(jiàn)圖6。

圖6 信號(hào)整形電路圖

本文設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)采用了單片機(jī)編程技術(shù)，配合硬件完成了系統(tǒng)的要求，其精度能滿(mǎn)足大部分的工程需要。與傳統(tǒng)的測(cè)距系統(tǒng)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、移植性好等特點(diǎn)。