蒋静坪 来源：《电子技术应用》

     摘要：介绍一种基于单片机控制的三种超声测距系统的构成、工作原理和误差分析。利用本系统及其设计方法可以作为农业机器人辅助视觉系统。

     关键词：机器人

     超声波测距 单片机 串行通讯 数据采集

     机器人作为一种能代替人工作业的智能机器，有着广泛的应用前景。其关键技术取决于机器人视觉系统设计的精确与否。超声波传感器以其价格低廉、硬件容易实现等优点，被广泛用作测距传感器，实现定位及环境建模。越声波测距作为辅助视觉系统与其他视觉系统（如ccd图象传感器）配合使用，可实现整个视觉功能[7]。

     超声测距原理很简单，一般采用渡越时间法：即d=ct/2，其中d为机器人与视测物之间的距离，c为声波在介质中的传播速度（c=331.4乘以根呈号(1+t/273)m/s，t为摄氏温度），t为超声发射到返回的时间间隔。本超声测距系统共有3对超声换能器，分别放在智能移动车的上、中、下三个位置上。本系统采用一片89c51单片机对三路超声信号进行循环采集，并将数据送到数据缓冲区存储[1,2]。上位机采用pc-586。当上位机需要数据时，向下位机发出申请，下位机通过中断的方式向上位机发送数据。上位机与下位机通过rs-232串行口相连。

     1 系统硬件设计

     为了能在测量距离的同时判断出物体的大致形状，应设计成多传感器测距系统。经分析可知，频率为40khz左右的超声波在空气中传播的效率最佳；同时，为了方便处理，发射的超声滤被调制成40khz左右、具有一定间隔的调制脉冲波信号。该测距系统结构框图如图1所示。由图可见，测距系统由超声波发送、接收、时间计测、微机控制和温度测量五个部分组成。

     1.1 超声波发送

     这部分包括超声波信号的产生、多路选择及换能器等环节。

     超声波发送脉冲如图2所示。40khz的超声波发送脉冲信号由单片机89c51的p1.0口送出，其脉冲宽度及脉冲间隔均由软件控制。脉冲宽度约为125μs～200μs，即在一个调制脉冲内包5～8个40khz的方波。脉冲发送间隔取决于要求测量的最大距离及测量通道数。本系统有三路测距通道，采用分时工作，按上、中、下的顺序循环测距。若在有效测距范围内有被测物的话，则在后一路超声波束发出之前应当接收到前一路发同的反射波，否则认为前一路无被测物。因此按有效测距范围可以估算出最短的脉冲间隔发送时间。例如：最大测距范围为5m时，脉冲间隔时间t=2s/v=2×5/340≈30ms，实际应取t≥30ms。

     发送的超声波脉冲经多路选择开关cd4052按序分别送到上、中、下三路发送转换能器上。采用缓冲器cd4050是考虑用其两个门来驱动一路发送换能器，以加大发射驱动能力。

     1.2 超声波接收

     这部分由接收换能器、多路选择开关、比较及控制等环节组成。由于在距离较远的情况下，声的回波很弱，因而转换为电信号的幅值也较小，为此要求将信号放大60万倍左右。采有三级放大：前两级种放大100倍，采用高速精密放大器lm318，其带宽为15mhz，放大倍数为100倍时，能充分满足要求；第三级采用lf353运算放大器，带宽为4mhz，对于62倍的放大倍数，能充分满足条件[3,6]。放大后的交流信号经光电隔离送入比较器，比较器的作用是将交流信号整形输出一个方波信号，此方波信号上升沿使d触发器触发，向cpu发中断申请。在中断服务程序中，读取时间计数器的计数值，并结合温度换算出的速度算出发射到接收的距离。图3给出了一路超声波接收电路原理图（略去多路选择开关）。

     1.3 时间计测

     超过波从发射到接收的间隔时间的测定是由单片机内部的计数器t1来完成的。在调试过程中出现的发送部分与接收部分的直接串扰问题是由于换能器之间的距离不大，有部分声波未经被测物就直接绕射到接收换能器上。从发射开始一直到“虚假反射波”结束[5]这段时间，通过控制触发器(74ls74)不能触发，从而不会发中断申请，可有效躲避干扰，但也会形成所谓的“盲区”。本