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。控制部分是一個(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)
4.1 微控制器單元設(shè)計(jì)
微控制器單元設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的核心部分，針對(duì)系統(tǒng)要求體積小、功耗低的特點(diǎn)，選用AIMEL公司的AT89C51。這是一個(gè)帶有4K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，可與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)80C51的指令設(shè)置和管腳輸出兼容，因而具有較好的實(shí)用性［2］。在選定單片機(jī)型號(hào)以后，還需完成以下電路的設(shè)計(jì)工作。
4.1.1 復(fù)位電路設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)的復(fù)位電路應(yīng)具有上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位功能。由于復(fù)位電路易受噪聲干擾，故在設(shè)計(jì)時(shí)，一要保證整個(gè)系統(tǒng)可靠復(fù)位；二要使之具有一定的抗干擾能力，這可通過(guò)以下設(shè)計(jì)加以保障。
（1）復(fù)位電路RC參數(shù)的選擇
微控制器的復(fù)位脈沖高電平必須大于2個(gè)機(jī)器周期，若系統(tǒng)選用6MHz晶振，則1個(gè)機(jī)器周期為2μs，那么復(fù)位脈沖寬度最小應(yīng)為4μs。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到電源穩(wěn)定時(shí)間、參數(shù)漂移、晶振穩(wěn)定時(shí)間以及復(fù)位可靠性等因素，必須留有足夠的余量。圖4是利用RC充電原理實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位的電路原理圖。實(shí)踐證明，上電瞬間RC電路充電，RESET引腳端出現(xiàn)正脈沖。只要RESET端保持10μs以上的高電平，就能使微控制器有效復(fù)位。
圖4 復(fù)位電路原理圖
應(yīng)當(dāng)指出，在圖4（a）所示電路中，非門(mén)的最小輸入高電平U′IH=210V，因而當(dāng)充電時(shí)間t=016RC，則充電電壓UC=0145VCC=0145×5V≈2V，其中t為復(fù)位時(shí)間。由于在該電路中，有R=1kΩ和C=22μF，則有t=016×103×22×10-6=13ms。
（2）復(fù)位電路的可靠性和抗干擾設(shè)計(jì)
微控制器復(fù)位端口的干擾主要來(lái)自電源和按鈕傳輸線串入的噪聲。這些噪聲雖然不會(huì)完全導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位，但有時(shí)會(huì)破壞CPU內(nèi)的程序狀態(tài)字的某些位的狀態(tài)，對(duì)控制產(chǎn)生不良影響。以圖4為例，電源噪聲干擾過(guò)程如圖5所示，其中u代表噪聲源，為了分析方便起見(jiàn)，設(shè)u為階躍擾動(dòng)。圖5中分別繪出了A點(diǎn)和B點(diǎn)的電壓擾動(dòng)波形。
圖5 電源階躍擾動(dòng)示意圖
由圖5可以看出，圖5（a）實(shí)質(zhì)上是個(gè)低通濾波環(huán)節(jié)（慣性滯后環(huán)節(jié)），對(duì)于脈寬小于3τ的干擾信號(hào)有很好的抑制作用；圖5（b）實(shí)質(zhì)上是個(gè)高通濾波環(huán)節(jié)（微分超前環(huán)節(jié)），對(duì)脈沖干擾沒(méi)有抑制作用。由此可見(jiàn)，對(duì)于圖4所示的兩種復(fù)位電路，圖5（a）的抗電源噪聲的能力要優(yōu)于圖5（b）。但為了精簡(jiǎn)系統(tǒng)電路，在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，還是采用了圖5（b）所示的復(fù)位電路。
4.1.2 振蕩器電路設(shè)計(jì)
晶振設(shè)計(jì)是單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)之一，通常可用兩種方式產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘信號(hào)。一種為內(nèi)部方式，主要利用單片機(jī)內(nèi)部的反相器作振蕩電路，具體接法如圖6所示。
圖6 晶體振蕩/陶瓷振蕩電路
該方式利用外接晶體作定時(shí)單元。晶體的頻率范圍在112～12MHz之間任選。電阻RS用來(lái)防止晶振被過(guò)分驅(qū)動(dòng)。
在晶體振蕩下，電阻RF≈10MΩ。圖中并聯(lián)的兩個(gè)小電容可在5～30pF之間選擇，起頻率微調(diào)的作用，當(dāng)VDD》415V時(shí)，建議C1=C2≈30pF（C1為相位調(diào)節(jié)電容；C2為增益調(diào)節(jié)電容）；另一種為外部方式，此方式的時(shí)鐘源直接來(lái)自外部硬件電路（見(jiàn)圖7）。對(duì)此電路來(lái)說(shuō)，MCS-51系列單片機(jī)可使用已集成在片內(nèi)的振蕩器，亦可使用由TTL門(mén)電路構(gòu)成的簡(jiǎn)單振蕩器電路。由于內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器是一個(gè)二分頻的觸發(fā)器，所以對(duì)外部振蕩源要求不嚴(yán)，通常是產(chǎn)生112～12MHz的方波。當(dāng)外接振蕩器時(shí)，外部振蕩信號(hào)從XTAL1端，即內(nèi)部三相波形發(fā)生器的輸入端輸入，XTAL2端可浮空。
圖7 外部晶體振蕩電路
圖7所示為一種典型的外部并行諧振振蕩電路。該電路主要應(yīng)用晶體的基頻來(lái)設(shè)計(jì)。其中，74AS04反相器用來(lái)實(shí)現(xiàn)振蕩器所需的180°相移，417kΩ的電阻用來(lái)提供負(fù)反饋給反相器，10kΩ的電位器則用來(lái)提供偏壓，從而使反相器74AS04工作在線性范圍內(nèi)。
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。