單片機(jī)超聲波視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)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(jué)識(shí)別在工業(yè)中變得十分重要。例如，在機(jī)械加工自動(dòng)化裝配、檢測(cè)、分類(lèi)、加工與運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中，對(duì)隨意放置的工件作業(yè)，必須對(duì)工件的位置、形狀、姿勢(shì)、種類(lèi)自動(dòng)地進(jìn)行判別。特別是在工件的運(yùn)輸過(guò)程中，問(wèn)題顯得更為復(fù)雜與困難。
　　
　　近年來(lái)，隨著工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)和裝配過(guò)程中自動(dòng)識(shí)別的需要，出現(xiàn)了多種視覺(jué)識(shí)別方法。根據(jù)其視覺(jué)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(diǎn)：
　　
　　●超聲波的傳播速度僅為光波的百萬(wàn)分之一，因此可以直接測(cè)量較近目標(biāo)的距離，縱向分辨率較高；
　　
　　●超聲波對(duì)色彩、光照度不敏感，適于識(shí)別透明、半透明及漫反射性差的物體（如玻璃、拋光體）；
　　
　　●對(duì)外界光線和電磁場(chǎng)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(jiǎn)單，體積小，費(fèi)用低，信息處理簡(jiǎn)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(cè)、識(shí)別手段，已越來(lái)越引起人們的重視，并得到深入的研究。
　　
　　超聲波視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
　　
　　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(jiǎn)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(cè)量。該視覺(jué)識(shí)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(guò)程中受衰減、散射、吸收等因素的影響，設(shè)計(jì)了自動(dòng)增益補(bǔ)償電路（AGC電路和STC電路）。為實(shí)時(shí)補(bǔ)償環(huán)境溫度變化對(duì)聲速的影響，設(shè)計(jì)了高精度測(cè)溫電路。該設(shè)計(jì)運(yùn)用可變域值與零交叉點(diǎn)相結(jié)合的方法，能準(zhǔn)確確定反射波到達(dá)的時(shí)間，從而使系統(tǒng)具有了較高的測(cè)量精度。

　　
　　1．可編程定時(shí)電路的設(shè)計(jì)
　　
　　定時(shí)電路是系統(tǒng)的關(guān)鍵電路，決定著系統(tǒng)的工作時(shí)序。由時(shí)序下圖可見(jiàn)，EMITTED信號(hào)、GATE信號(hào)和STC信號(hào)是3個(gè)最重要的信號(hào)。EMITTED信號(hào)決定著系統(tǒng)的超聲波脈沖發(fā)射間隔時(shí)間，激勵(lì)傳感器周期性地發(fā)射超聲波，同時(shí)決定計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)起始時(shí)間。GATE信號(hào)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(shí)也決定著測(cè)量距離的近限和遠(yuǎn)限。STC信號(hào)是AGC電路的主要輸入信號(hào)。

　　
　　此定時(shí)電路由INTEL8080/8085系列的可編程間隔定時(shí)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(shí)序要求，可以通過(guò)編程方法方便地改變觸發(fā)脈沖輸出間隔、GATE信號(hào)的時(shí)間寬度和STC信號(hào)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(jì)
　　
　　本超聲波視覺(jué)識(shí)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(dòng)。為了補(bǔ)償超聲波在傳播過(guò)程中受衰減、散射、吸收等因素的影響，設(shè)計(jì)了自動(dòng)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(dòng)增益補(bǔ)償電路圖。

　　
　　3．計(jì)時(shí)電路的設(shè)計(jì)
　　
　　計(jì)時(shí)電路如下圖所示。由于超聲波在傳播方向上會(huì)遇到許多反射物，從而使系統(tǒng)的接收電路會(huì)接收到許多反射波，但我們僅取第一個(gè)反射波作為測(cè)量中所須采集的信息。在測(cè)量過(guò)程中，為了提高測(cè)時(shí)電路的分辨率，提高測(cè)時(shí)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(jì)時(shí)脈沖。
　　
　　將8031單片機(jī)的TO工作在計(jì)數(shù)器方式，對(duì)測(cè)量窗口內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)時(shí)脈沖的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到16位計(jì)數(shù)值，從而可確定超聲波從發(fā)射到接收的傳播時(shí)間為

式中：TN為每個(gè)脈沖的時(shí)間，0.1μs;N為脈沖個(gè)數(shù)。
　　
　　4．反射波峰值采樣一保持電路設(shè)計(jì)
　　
　　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(cè)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(shí)時(shí)地分析和了解反射波強(qiáng)度的變化大小，對(duì)于正確判斷反射物形狀特征具有重要的價(jià)值。為了實(shí)時(shí)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(jì)算。但超聲波信號(hào)是變化較快的模擬信號(hào)（頻率f=80 kHz），而模／數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間(如ADC0809在時(shí)鐘500 kHz時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為120 μS)。因此必須設(shè)計(jì)高精度采樣一保持電路，以采集反射波最大峰值信號(hào)。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(yùn)算放大器開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)很大的特點(diǎn)，配合深度負(fù)反饋來(lái)克服二極管死區(qū)電壓對(duì)測(cè)量精度的影響。為了阻止峰值采樣存儲(chǔ)電容器通過(guò)下一級(jí)的輸入電阻放電，我們選用高輸入阻抗運(yùn)算跟隨器A2，并在電容器C兩端跨接一只場(chǎng)效應(yīng)晶體管J作為高阻器件來(lái)復(fù)位該電路。此電路可得到高精度的峰值采樣數(shù)值。