利用超聲波和紅外線實(shí)現(xiàn)綜合測(cè)距定位

引言

　　傳感器檢測(cè)技術(shù)、無(wú)線電通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱，它們分別構(gòu)成了信息技術(shù)系統(tǒng)的“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”。傳感器技術(shù)是信息社會(huì)的重要技術(shù)基礎(chǔ)，其品種、性能和質(zhì)量直接決定了信息技術(shù)系統(tǒng)的功能和質(zhì)量。因此有人說(shuō)：“征服了傳感器就等于征服了科學(xué)技術(shù)”。由此可見(jiàn)，傳感器的開(kāi)發(fā)與運(yùn)用具有重大的意義。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)傳感器的性能水平及運(yùn)用方式提出了更高的要求，而在被人們廣泛運(yùn)用的傳感器家族中，超聲波傳感器和紅外線傳感器以其優(yōu)異的性能得到人們的青睞，廣泛用于軍事、醫(yī)療、工業(yè)和家電產(chǎn)品。但目前超聲波傳感器和紅外線傳感器一般都是單獨(dú)使用，由于這兩種傳感器具有功能互補(bǔ)的特點(diǎn)，故而應(yīng)把這兩種傳感器綜合起來(lái)，以制作出功能更全、精度更高、結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)、成本更低的傳感器探測(cè)系統(tǒng)。基于上述考慮，本文開(kāi)展了基于超聲波與紅外線探測(cè)技術(shù)的測(cè)距定位系統(tǒng)的研究。

　　1　測(cè)距原理分析

　　目前，超聲波傳感器廣泛用作測(cè)距傳感器，常作為一種輔助視覺(jué)手段與其他視覺(jué)工具（如CCD圖像傳感器）配合使用，可有效提高機(jī)器的視覺(jué)功能。

　　1.1　超聲波發(fā)生器

　　超聲波發(fā)生器可分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波；一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣類包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械類包括加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也有所不同。目前常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。

　　1.2　壓電式超聲波發(fā)生器工作原理

　　壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的，其外觀結(jié)構(gòu)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)分別如圖1和圖2所示。

圖1　超聲波發(fā)生器外觀結(jié)構(gòu)

圖2　超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　該傳感器有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板，當(dāng)其兩極外加脈沖信號(hào)，且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)產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將迫使壓電晶片振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。

　　1.3　超聲波測(cè)距原理

　　超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s,根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t,就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離S,即：S=340t/2。

　　2　定位原理分析

　　由于超聲波傳感器的波束發(fā)散比較嚴(yán)重，當(dāng)超聲波發(fā)射點(diǎn)距障礙物較遠(yuǎn)時(shí)，超聲波傳感器的方向定位精度較差，因而有必要引入其它方法或傳感器來(lái)改善其性能。經(jīng)查閱資料得知，紅外線傳感器可彌補(bǔ)其性能上的不足。紅外線具有光束發(fā)散小的優(yōu)點(diǎn)，目前很容易得到光束視角小于5°的紅外線傳感器。

　　相對(duì)于超聲波傳感器，其定向精度有了很大的提高。而且，還可以采用反應(yīng)速度較快的紅外線傳感器（如光導(dǎo)紅外傳感器，其響應(yīng)時(shí)間達(dá)到了微秒級(jí)）來(lái)消除超聲波傳感器盲區(qū)，提高系統(tǒng)的整體性能。

　　當(dāng)紅外線反射型傳感器接通電源后，即從模塊內(nèi)部的紅外線反射管向前方發(fā)射紅外線，一旦有物體或人體進(jìn)入其有效探測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，紅外線就會(huì)有一部分被反射回來(lái)，被與發(fā)射管同排安裝的光敏接收管所接收，光敏接收管的電阻將因此減少，引起與其串連的電阻出現(xiàn)電壓變化，由電壓比較器處理后，在輸出端給出低電平信號(hào)，引起單片機(jī)中斷，從而進(jìn)行有效控制。

　　紅外線反射型傳感器的檢測(cè)距離與工作電壓密切相關(guān)。工作電壓越高，紅外線反射功率越強(qiáng)，檢測(cè)距離就越遠(yuǎn)；反之，電壓低，檢測(cè)距離就相對(duì)較近。

　　3　系統(tǒng)總體方案

　　本文研究目標(biāo)是利用單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)及傳感器探測(cè)技術(shù)，開(kāi)發(fā)一套傳感器定位測(cè)距系統(tǒng)。該系統(tǒng)將采用超聲波傳感器來(lái)測(cè)距，采用紅外線傳感器來(lái)定位，其組成框圖如圖3所示。

　　系統(tǒng)包括四部分：超聲波收發(fā)部分、紅外線收發(fā)部分、控制部分和顯示部分?？刂撇糠质且粋€(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，包括信號(hào)發(fā)射功能、信號(hào)判斷和分析功能以及控制顯示功能。

圖3　系統(tǒng)總體框圖

　　4　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖8　外部串行諧振振蕩電路

　　圖8所示為一種典型的外部串行諧振振蕩電路。該電路也是應(yīng)用晶體的基頻來(lái)設(shè)計(jì)。其中，74AS04反相器用來(lái)提供振蕩器所需的180°相移，330Ω的電阻用來(lái)提供負(fù)反饋，同時(shí)偏置電壓。

　　4.1.3　RC振蕩

　　RC振蕩適合于對(duì)時(shí)間精度要求不高的低成本應(yīng)用。RC振蕩頻率隨電源電壓VDD、RC值及工作環(huán)境溫度的變化而變化。

　　由于工藝參數(shù)的差異，對(duì)不同芯片而言其振蕩器頻率將有所不同。另外，當(dāng)外接電容CEXT值較小時(shí)，對(duì)振蕩器頻率的影響更大。同時(shí)，電阻電容本身的容差對(duì)振蕩器頻率也有影響。圖9所示為RC振蕩電路，如果REXT低于212kΩ，振蕩器將處于不穩(wěn)定工作狀態(tài)，甚至停振。而REXT大于1MΩ時(shí)，振蕩器又易受噪聲、濕度、漏電流的干擾。因此，電阻REXT取值最好在3～100kΩ范圍內(nèi)。在不接外部電容時(shí)，振蕩器仍可工作，但為了抗干擾及保證穩(wěn)定性，建議接一20pF以上的電容。

圖9　RC振蕩電路

　　本系統(tǒng)選取晶體振蕩器作為微控制器的時(shí)鐘輸入，并選取6MHz時(shí)鐘頻率作為系統(tǒng)時(shí)鐘周期，既可以滿足系統(tǒng)頻率的要求，又可以克服阻容振蕩器精度不足的缺點(diǎn)，是一種較為適宜的設(shè)計(jì)選擇。

　　4.2　系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

　　在本測(cè)距定位系統(tǒng)中，系統(tǒng)電路可分成三部分，一是超聲波發(fā)射與接收電路部分；二是紅外線產(chǎn)生與接收電路部分；三是顯示電路部分，具體設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)結(jié)果如下：

　　4.2.1　超聲波發(fā)射與接收電路

　　圖10所示為超聲波發(fā)射電路。在該電路中，通過(guò)輸入引腳p110來(lái)控制超聲波，并經(jīng)超聲波發(fā)射頭Tx發(fā)射出去；圖11所示為超聲波接收放大電路。在該電路中，先通過(guò)接收頭Rx接收超聲波，然后經(jīng)兩級(jí)放大器把信號(hào)放大60dB,再輸送給超聲波檢波電路。

圖10　超聲波發(fā)射電路

圖11　超聲波接收放大電路

　　圖12所示為超聲波檢波電路。在該電路中，超聲波脈沖信號(hào)被整流為正相信號(hào)（經(jīng)測(cè)試，該正相信號(hào)近似于直流信號(hào)），此正相信號(hào)轉(zhuǎn)入電路中的電壓比較器，引起比較器輸出腳（即單片機(jī)的INT0腳）電壓跳變，由此即可判斷是否有回波信號(hào)存在。

圖12　超聲波檢波電路

　　4.2.2　紅外線產(chǎn)生與接收電路

　　圖13所示為紅外線發(fā)射電路。在該電路中，紅外線傳感器通過(guò)IN引腳輸入接收到的信號(hào)，當(dāng)三極管的基極有電流時(shí)，三極管導(dǎo)通，從而有電流從位于發(fā)射極的紅外二極管流過(guò)，激發(fā)出紅外線。圖14所示為紅外線接收電路。在該電路中，當(dāng)接收到反射紅外線信號(hào)時(shí)，光敏二極管的電阻將被降低，輸入到電壓比較器負(fù)端的電壓將被升高，從而使比較器的輸出端輸出低電平，并通過(guò)發(fā)光二極管的熄滅顯示出來(lái)，由此可判斷前方是否有障礙物。  

圖13　經(jīng)外線發(fā)射電路

圖14　紅外線接收電路

　　4.2.3　顯示電路

　　單片機(jī)接收到前面兩部分電路反饋回來(lái)的信息并經(jīng)過(guò)相應(yīng)算法的處理后，得出前方物體的距離與方向等信息，一方面可以控制相應(yīng)的被控對(duì)象進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，另一方面可以通過(guò)LED顯示相應(yīng)的距離。本設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)顯示，以節(jié)省單片機(jī)的輸出管腳，有利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)，具體電路如圖15所示。

圖15　系統(tǒng)顯示電路

　　5　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)工作時(shí)首先啟動(dòng)紅外線傳感器進(jìn)行探測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到有障礙物存在時(shí)，再啟動(dòng)超聲波傳感器進(jìn)行測(cè)距，然后通過(guò)LED進(jìn)行顯示。如果檢測(cè)到的物體在超聲波傳感器的測(cè)量盲區(qū)內(nèi)，則根據(jù)紅外線傳感器的響應(yīng)情況對(duì)距離進(jìn)行估計(jì)顯示。對(duì)應(yīng)上述功能的程序框圖如圖16所示。

圖16　系統(tǒng)程序框圖

　　6　結(jié)語(yǔ)

　　本文采用超聲波傳感器和紅外線傳感器組成綜合測(cè)距定位系統(tǒng)，克服了由單一傳感器所構(gòu)成探測(cè)系統(tǒng)的不足，同時(shí)具備了超聲波傳感器和紅外線傳感器探測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，能夠比較精確地測(cè)距和定向。同時(shí)，系統(tǒng)還采用了單片機(jī)控制技術(shù)，使系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性和實(shí)用性。