基于PIC16F877單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　引言

　　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)來實(shí)現(xiàn)。視覺、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)備簡單、價(jià)格便宜、體積小、設(shè)計(jì)簡單、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。

　　1　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(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)，這可通過軟件編程實(shí)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(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)無法通過與非門進(jìn)入放大電路使超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波，只有閉合開關(guān)S1時(shí)，從RA1口發(fā)射出一門控信號(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,開始計(jì)數(shù)。該門控信號(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(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波發(fā)射和接收的自動(dòng)控制，須在電路中加一門控電路，該門控信號(hào)頻率為4kHz,如把輸出脈沖作為閘門信號(hào)，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(gè)數(shù)。

　　門控電路由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。

　　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(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，所以在與非門后加一級(jí)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。