超声波障碍物测距系统的设计与研究 - 图文

分类号：TP274.53 密 级：公 开

U D C：D10621-408-(2012)1938-0 编 号：2008033026

成都信息工程学院

学位论文

基于超声波的障碍物检测系统设计与研究

论文作者姓名： 申请学位专业： 申请学位类别： 指导教师姓名(职称)：

工学学士

论文提交日期： 2012年06月01日

基于超声波的障碍物检测系统设计与研究

摘 要

在实际工作中，有很多人类不适宜进入的工作环境，这时使用智能机器人代替人类完成工作是一个很好的选择，然而这些环境往往很复杂，智能机器人的自动避障系统就成了一个关键技术，超声波对电场、磁场、光信号等具有极强的抗干扰能力，因此能够被应用于非常复杂的环境中，使用超声波检测障碍物的原理简单，实现过程方便，因而被广泛应用于机器人的避障系统，本课题设计了一种使用超声波测距的电路，并对电路进行了测试和分析，实现了检测障碍物并通过LED显示其距离的功能，还提出了一种使用软件修正音速的方法，比使用传感器拥有更简单更精确的优势。

关键词：超声波测距；障碍物检测；机器人避障

The Design and Research of Obstacles Testing

System Based on Ultrasonic

Abstract

In practical work, there are many environments which not suitable for human to work in, then using intelligent robots to finish these works instead of human is a very good choice, however these environments are often very complex, the Intelligent-Robots-Automatic-Obstacle-Avoidance-System will become a key technology, ultrasonic have extremely strong anti-jamming ability to electric field, magnetic field, light signals, etc, so it can be used in very complex environment, the principle of ultrasonic testing obstacle is simple and it easy to be applied, so it was widely used in Robot-Obstacle-Avoidance-Systems, this topic designed a kind of ranging circuit using ultrasonic and test and analysis of the circuit, realizing the function of obstacle detection the distance and displayed by LED, and puts forward a method of using software fixed voice speed, it is more simple and more accurate than using sensors.

Key words: Ultrasonic ranging; Obstacle detection; Robot obstacle avoidance

目 录

论文总页数：30页

1 引言 ............................................................................................................................................. 1 1.1 课题背景 ................................................................................................................................ 1 1.2 超声波应用的优势 ................................................................................................................ 1 1.3 本课题研究的意义 ................................................................................................................ 1 1.4 本课题的研究方法 ................................................................................................................ 2 2 超声波测距原理 ......................................................................................................................... 2 2.1 超声波发生器 ...................................................................................................................... 2 2.2 压电式超声波发生器原理................................................................................................... 2 2.3 超声波测距原理 .................................................................................................................. 3 3 超声波测距电路硬件设计 ......................................................................................................... 3 3.1 超声波发射电路 .................................................................................................................. 3 3.2 超声波接收电路 .................................................................................................................. 4 3.3 单片机选用及单片机最小系统 ........................................................................................... 5 3.4 单片机串口下载电路 .......................................................................................................... 6 3.5 显示驱动电路 ...................................................................................................................... 7 4 超声波测距电路程序设计 ......................................................................................................... 8 4.1 算法设计 ................................................................................................................................ 8 4.2 主程序 .................................................................................................................................... 8 4.3 超声波发生中断程序 ............................................................................................................ 9 4.4 超声波接收中断程序 .......................................................................................................... 10 5 系统调试与误差分析 ................................................................................................................. 12 5.1 系统的调试 .......................................................................................................................... 12 5.2 系统测量数据及误差分析 .................................................................................................. 13 5.2.1 测量数据 ....................................................................................................................... 13 5.2.2 误差分析 ....................................................................................................................... 13 5.2.3 针对误差产生原因的系统改进方案 ........................................................................... 15 6 系统设计与制作的问题与特点 ................................................................................................. 16 6.1 多次反射问题 ...................................................................................................................... 16 6.2 超声波传感器的盲区 .......................................................................................................... 16 6.3 可测障碍物的极限参数 ...................................................................................................... 16 6.4 测量距离与信号强度的关系 .............................................................................................. 16 结 论......................................................................................................................................... 17

参考文献......................................................................................................................................... 18 致 谢 ......................................................................................................................................... 19 声 明 ......................................................................................................................................... 20 附 录 ......................................................................................................................................... 21

1 引言

1.1 课题背景

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声经常用于距离的测量和障碍物检测等，如测距仪和物体位置测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算比较简单。所以超声波测距法是一种非常简单常见的方法，经常被应用在机器人平台上进行近距离测量。超声波作为一种特殊的声波，具有声波传输的基本物理特性—折射，反射，干涉，衍射和散射。超声波检测障碍物是利用其反射特性，当发出的超声波遇到障碍物时会被障碍物反射，超声波接受探头接收到信号并经过单片机处理后送给机器人平台进行处理，为机器人平台提供障碍物的距离、速度、以及方位等信息。

1.2 超声波应用的优势

与同类测距方法相比，超声波测距法具有以下优势：

1) 相对于声波，超声波有定向性较好、能量集中、在传输过程中衰减较小、反射能力强等优势。

2) 和光学方法相比，超声波的波速较小，可以直接测量较近的目标，纵向分辨率高；对色彩、光照度、电磁场不敏感，被测物体处于黑暗、烟雾、电磁干扰、有毒等比较恶劣的环境有一定的适应能力。特别是在海洋勘测具有独特的优点。

3) 超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，便于小型化和集成化。

随着科学技术的快速发展，超声波的应用将越来越广泛。但就目前技术水平来说，人们利用超声波的技术还十分有限，因此，这是一个正在不断发展而又有无限前景的技术。

1.3 本课题研究的意义

在实际工作环境中，很多场所是不适宜人类进入的，这时就要用到机器人。使用智能机器人代替人类去进行这些工作是很有效率的，因为它们对环境的适应力要远远大于人类，但是这些环境往往很复杂，因此机器人的障碍物规避系统的设计就显得非常重要，超声波因为它的各种优势而经常被运用于机器人的障碍物规避系统中，本课题设计的超声波测距电路可以检测到障碍物并测出距离，为机器人平台提供障碍物的各类信息，让机器人能够在复杂的环境中规避障碍物从而顺利的完成人类交给它的工作任务。

通过本课题的研究，将所学到的知识用在实践中并有所创新和进步。该

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设计需要设计者有较好的数电、模电知识，并且有一定的编程能力，综合运用所学的知识实现对超声波发射和接收信号进行控制，通过单片机程序对超声波信号进行相应的分析、计算、处理最后显示在LED数码管上。

1.4 本课题的研究方法

本设计选用TCT40-16T/R超声波传感器。在了解超声波测距原理的基础上根据原理设计超声波测距模块的硬件结构电路。对设计的电路进行分析和波测距的方法测量物体之间的距离。具体设计一个基于单片机的超声波测距器，包括单片机控制电路，发射电路，接收电路，LED显示电路和串口下载电路。整个模块采用单片机控制，汇编语言编程。

2 超声波测距原理

2.1 超声波发生器

超声波发生器总体上讲可以分两大类：一类是电气方式产生超声波，包括压电型。磁滞伸缩性和电动型等；另一类是机械方式产生超声波，包括加尔统笛、夜哨和气流旋笛等。他们在工作原理、发生的超声波的频率、功率和声波特性方面都各有区别。目前主流的是压电式超声波发生器。

2.2 压电式超声波发生器原理

这种超声波发生器的工作原理利用了压电晶体的压电效应(如图2-2-1)，即是在压电晶体的两极加上脉冲信号，压电晶体就会随着脉冲产生形变，就产生了超声波；反之，若两极不加脉冲信号，而晶体接收到声波或其他原因产生了形变，则会将机械能转变成电信号，这就成了超声波接收器了。

图 2-2-1 压电式超声波发生器结构图

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2.3 超声波测距原理

图2-3-1为超声波测距原理示意图，超声波发生器发出超声波的同时开始计时，当接收器接收到反射回来的时候停止计时，结合声音在空气中的传播速度(约等于344m/s),那么就可以根据公式S?344t/2 计算出障碍物距离发射点的距离了。

图2-3-1 超声波测距原理示意图

3 超声波测距电路硬件设计

3.1 超声波发射电路

图3-1-1 超声波信号发射电路

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超声波发射电路采用四反相器74ls04经过两次反向驱动超声波发射探头的一极，另一极采用一次反向来驱动。电路图如图3-1-1所示。

R2和R3均为1K, U3A为一级反向器，U3C和U3D组成二级反向，U3B和U3E为另一极的一级反向。这样通过两极的反向器之后，不管是电压还是电流都大大增加，因此发射功率得到了大幅度的增强。

3.2 超声波接收电路

如图3-2所示，超声波的接收电路采用了超声波接收芯片CX20106A来实现超声波接收信号的放大和滤波作用，CX20106A是超声波接收专用芯片，它共有8脚：

1脚是超声波信号输入端，其输入阻抗约为40K。

2脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个集成部分，改变他们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R5或减小电容C15将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但是C15的改变会影响频率特性，一般在实际应用中不必改动，因此此处选择R5为4.7欧姆，C15为3.3微发。

3脚与地之间连接检波电容，电容量大则为平均值检波，瞬间响应灵敏度低；若电容量小，则为峰值检波，瞬间响应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，此处选用3.3微发电容。

4脚为接地端。

图3-2 超声波信号接收电路

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5脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率，阻值越大，中心频率越低。此处取R6为220K，中心频率约为38kHz。

6脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF, 如果该电容取的太大，会使探测距离变短。

7脚是遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该脚必须接一个上拉电阻到电源，此处采用R7=220K，当接收到超声波信号时，该脚输出低电平，否则输出高电平。

8脚为电源正极，输入4.5V到5V电源电压。

3.3 单片机选用及单片机最小系统

图3-3-1 STC89C52RC单片机

本文采用STC公司生产的STC89C52单片机(如图3-3-1)，STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。它具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外 STC89X52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。

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