引言
傳感器檢測技術(shù)、無線電通訊技術(shù)、計算機控制技術(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：“征服了傳感器就等于征服了科學(xué)技術(shù)”。由此可見，傳感器的開發(fā)與運用具有重大的意義。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對傳感器的性能水平及運用方式提出了更高的要求，而在被人們廣泛運用的傳感器家族中，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使用，由于這兩種傳感器具有功能互補的特點，故而應(yīng)把這兩種傳感器綜合起來，以制作出功能更全、精度更高、結(jié)構(gòu)更簡、成本更低的傳感器探測系統(tǒng)。基于上述考慮，本文開展了基于超聲波與紅外線探測技術(shù)的測距定位系統(tǒng)的研究。
1 測距原理分析
目前，超聲波傳感器廣泛用作測距傳感器，常作為一種輔助視覺手段與其他視覺工具（如CCD圖像傳感器）配合使用，可有效提高機器的視覺功能。
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、磁致伸縮型和電動型等；機械類包括加爾統(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)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的，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)
該傳感器有兩個壓電晶片和一個共振板，當其兩極外加脈沖信號，且頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將迫使壓電晶片振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。
1.3 超聲波測距原理
超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時開始計時，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時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s,根據(jù)計時器記錄的時間t,就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離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)散比較嚴重，當超聲波發(fā)射點距障礙物較遠時，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改善其性能。經(jīng)查閱資料得知，紅外線傳感器可彌補其性能上的不足。紅外線具有光束發(fā)散小的優(yōu)點，目前很容易得到光束視角小于5°的紅外線傳感器。
相對于超聲波傳感器，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)時間達到了微秒級）來消除超聲波傳感器盲區(qū)，提高系統(tǒng)的整體性能。
當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入其有效探測范圍內(nèi)時，紅外線就會有一部分被反射回來，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，引起單片機中斷，從而進行有效控制。
紅外線反射型傳感器的檢測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，檢測距離就越遠；反之，電壓低，檢測距離就相對較近。
3 系統(tǒng)總體方案
本文研究目標是利用單片機應(yīng)用技術(shù)及傳感器探測技術(shù)，開發(fā)一套傳感器定位測距系統(tǒng)。該系統(tǒng)將采用超聲波傳感器來測距，采用紅外線傳感器來定位，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。控制部分是一個單片機系統(tǒng)，包括信號發(fā)射功能、信號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
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)用晶體的基頻來設(shè)計。其中，74AS04反相器用來提供振蕩器所需的180°相移，330Ω的電阻用來提供負反饋，同時偏置電壓。
4.1.3 RC振蕩
RC振蕩適合于對時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，對不同芯片而言其振蕩器頻率將有所不同。另外，當外接電容CEXT值較小時，對振蕩器頻率的影響更大。同時，電阻電容本身的容差對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，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，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鐘輸入，并選取6MHz時鐘頻率作為系統(tǒng)時鐘周期，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，是一種較為適宜的設(shè)計選擇。
4.2 系統(tǒng)電路設(shè)計
在本測距定位系統(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)計思路及設(shè)計結(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，通過輸入引腳p110來控制超聲波，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，先通過接收頭Rx接收超聲波，然后經(jīng)兩級放大器把信號放大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，超聲波脈沖信號被整流為正相信號（經(jīng)測試，該正相信號近似于直流信號），此正相信號轉(zhuǎn)入電路中的電壓比較器，引起比較器輸出腳（即單片機的INT0腳）電壓跳變，由此即可判斷是否有回波信號存在。
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IN引腳輸入接收到的信號，當三極管的基極有電流時，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，激發(fā)出紅外線。圖14所示為紅外線接收電路。在該電路中，當接收到反射紅外線信號時，光敏二極管的電阻將被降低，輸入到電壓比較器負端的電壓將被升高，從而使比較器的輸出端輸出低電平，并通過發(fā)光二極管的熄滅顯示出來，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
單片機接收到前面兩部分電路反饋回來的信息并經(jīng)過相應(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)的被控對象進行相應(yīng)的動作，另一方面可以通過LED顯示相應(yīng)的距離。本設(shè)計采用動態(tài)顯示，以節(jié)省單片機的輸出管腳，有利于簡化系統(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
系統(tǒng)工作時首先啟動紅外線傳感器進行探測，當檢測到有障礙物存在時，再啟動超聲波傳感器進行測距，然后通過LED進行顯示。如果檢測到的物體在超聲波傳感器的測量盲區(qū)內(nèi)，則根據(jù)紅外線傳感器的響應(yīng)情況對距離進行估計顯示。對應(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
本文采用超聲波傳感器和紅外線傳感器組成綜合測距定位系統(tǒng)，克服了由單一傳感器所構(gòu)成探測系統(tǒng)的不足，同時具備了超聲波傳感器和紅外線傳感器探測的優(yōu)點，能夠比較精確地測距和定向。同時，系統(tǒng)還采用了單片機控制技術(shù)，使系統(tǒng)具有良好的擴展性和實用性。