單片機(jī)超聲波視覺識別系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　隨著計算機(jī)技術(shù)、自動化技術(shù)和工業(yè)機(jī)器人的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，視覺識別在工業(yè)中變得十分重要。例如，在機(jī)械加工自動化裝配、檢測、分類、加工與運輸?shù)冗^程中，對隨意放置的工件作業(yè)，必須對工件的位置、形狀、姿勢、種類自動地進(jìn)行判別。特別是在工件的運輸過程中，問題顯得更為復(fù)雜與困難。
　　
　　近年來，隨著工業(yè)自動化生產(chǎn)和裝配過程中自動識別的需要，出現(xiàn)了多種視覺識別方法。根據(jù)其視覺信息載體的不同，可歸納為光學(xué)方法和超聲波方法。光學(xué)方法在某些應(yīng)用領(lǐng)域有其局限性；相比之下，超聲波方法具有突出的優(yōu)點：
　　
　　●超聲波的傳播速度僅為光波的百萬分之一，因此可以直接測量較近目標(biāo)的距離，縱向分辨率較高；
　　
　　●超聲波對色彩、光照度不敏感，適于識別透明、半透明及漫反射性差的物體（如玻璃、拋光體）；
　　
　　●對外界光線和電磁場不敏感，可用于黑暗、灰塵、煙霧、電磁干擾器、有毒等惡劣環(huán)境中；
　　
　　●結(jié)構(gòu)簡單，體積小，費用低，信息處理簡單、可靠，易于小型化和集成化。
　　
　　因此，超聲波法作為非接觸檢測、識別手段，已越來越引起人們的重視，并得到深入的研究。
　　
　　超聲波視覺識別系統(tǒng)的硬件設(shè)計
　　
　　該系統(tǒng)是采用脈沖一回波方式，即所謂的“雷達(dá)方式”（極近距離內(nèi)的雷達(dá)）工作的。該系統(tǒng)采用的超聲波傳感器為自制的電容型超聲波傳感器。
　　
　　此傳感器由一面蒸涂有金屬的聚乙烯塑料薄膜與有適當(dāng)厚度的金屬背極構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單。與傳統(tǒng)的壓電晶體和壓電陶瓷超聲波傳感器相比，其信息的上升沿和下降沿都較陡，因此有利于高精度的測量。該視覺識別系統(tǒng)的原理框圖如下圖所示。在該系統(tǒng)中，為補(bǔ)償超聲波在傳播過程中受衰減、散射、吸收等因素的影響，設(shè)計了自動增益補(bǔ)償電路（AGC電路和STC電路）。為實時補(bǔ)償環(huán)境溫度變化對聲速的影響，設(shè)計了高精度測溫電路。該設(shè)計運用可變域值與零交叉點相結(jié)合的方法，能準(zhǔn)確確定反射波到達(dá)的時間，從而使系統(tǒng)具有了較高的測量精度。

　　
　　1．可編程定時電路的設(shè)計
　　
　　定時電路是系統(tǒng)的關(guān)鍵電路，決定著系統(tǒng)的工作時序。由時序下圖可見，EMITTED信號、GATE信號和STC信號是3個最重要的信號。EMITTED信號決定著系統(tǒng)的超聲波脈沖發(fā)射間隔時間，激勵傳感器周期性地發(fā)射超聲波，同時決定計時器的計時起始時間。GATE信號的作用是屏蔽發(fā)射波或其他反射波，接收所需的反射波，同時也決定著測量距離的近限和遠(yuǎn)限。STC信號是AGC電路的主要輸入信號。

　　
　　此定時電路由INTEL8080/8085系列的可編程間隔定時器8253 - PIT和NE555以及74LS123等芯片構(gòu)成，如下圖所示。根據(jù)系統(tǒng)的工作時序要求，可以通過編程方法方便地改變觸發(fā)脈沖輸出間隔、GATE信號的時間寬度和STC信號脈沖寬度，使系統(tǒng)具有較好的適應(yīng)性和靈活性，拓寬了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

　　2．超聲波發(fā)射一接收電路設(shè)計
　　
　　本超聲波視覺識別系統(tǒng)采用單片微機(jī)控制的單探頭傳感器——自收、自發(fā)式電容型超聲波傳感器。其探頭直徑為26 mm，頻率f=80 kHz，由脈沖電壓觸發(fā)啟動。為了補(bǔ)償超聲波在傳播過程中受衰減、散射、吸收等因素的影響，設(shè)計了自動增益補(bǔ)償電路（AGC電路和STC電路）。下圖為超聲波發(fā)射一接收主電路圖。

下圖為自動增益補(bǔ)償電路圖。

　　
　　3．計時電路的設(shè)計
　　
　　計時電路如下圖所示。由于超聲波在傳播方向上會遇到許多反射物，從而使系統(tǒng)的接收電路會接收到許多反射波，但我們僅取第一個反射波作為測量中所須采集的信息。在測量過程中，為了提高測時電路的分辨率，提高測時精度，我們選用了頻率為10 MHz標(biāo)準(zhǔn)石英晶振作為標(biāo)準(zhǔn)計時脈沖。
　　
　　將8031單片機(jī)的TO工作在計數(shù)器方式，對測量窗口內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)計時脈沖的個數(shù)進(jìn)行計數(shù)，得到16位計數(shù)值，從而可確定超聲波從發(fā)射到接收的傳播時間為

式中：TN為每個脈沖的時間，0.1μs;N為脈沖個數(shù)。
　　
　　4．反射波峰值采樣一保持電路設(shè)計
　　
　　超聲波的反射波強(qiáng)度是隨距離和反射物形狀變化而變化的。在測量距離不變的情況下，反射波強(qiáng)度與物體的形狀之間有著密切的聯(lián)系。因此實時地分析和了解反射波強(qiáng)度的變化大小，對于正確判斷反射物形狀特征具有重要的價值。為了實時地采集反射波最大峰值（最大反射波強(qiáng)度）信息，必須經(jīng)模／數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換，再由單片機(jī)采集而進(jìn)行分析和計算。但超聲波信號是變化較快的模擬信號（頻率f=80 kHz），而模／數(shù)轉(zhuǎn)換過程需要一定的轉(zhuǎn)換時間(如ADC0809在時鐘500 kHz時，轉(zhuǎn)換時間為120 μS)。因此必須設(shè)計高精度采樣一保持電路，以采集反射波最大峰值信號。下圖為反射波峰值采樣一保持電路圖。
　　
　　該峰值采樣一保持電路利用運算放大器開環(huán)放大倍數(shù)很大的特點，配合深度負(fù)反饋來克服二極管死區(qū)電壓對測量精度的影響。為了阻止峰值采樣存儲電容器通過下一級的輸入電阻放電，我們選用高輸入阻抗運算跟隨器A2，并在電容器C兩端跨接一只場效應(yīng)晶體管J作為高阻器件來復(fù)位該電路。此電路可得到高精度的峰值采樣數(shù)值。