安全避障是移动机器人研究的一个基本问题。障碍物与机器人之间距离的获得是研究安全避障的前提,超声波传感器以其信息处理简单、价格低廉、硬件容易实现等优点,被广泛用作测距传感器。本超声波测距系统选用了SensComp公司生产的Polaroid 6500系列超声波距离模块和600系列传感器,微处理器采用了ATMEL公司的AT89C51。本文对此超声波测距系统进行了详细的分析与介绍。
1、 超声波传感器及其测距原理
超声波是指频率高于20KHz的机械波[1]。为了以超声波作为检测手段,必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器www.cechina.cn,习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器,但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应[1]的原理将电能和超声波相互转化,即在发射超声波的时候,将电能转换,发射超声波;而在收到回波的时候,则将超声振动转换成电信号。
超声波测距的原理一般采用渡越
1、 硬件电路设计
我们设计的超声波测距系统由Polaroid 600系列传感器、Polaroid 6500系列超声波距离模块和AT89C51单片机构成。
2.1 Polaroid 600系列传感器
此超声波传感器是集发送与接收一体的一种传感器。传感器里面有一个圆形的薄片,薄片的材料是塑料,在其正面涂了一层金属薄膜,在其背面有一个铝制的后板。薄片和后板构成了一个电容器,当给薄片加上频率为49.4kHz、电压为300VAC pk-pk的方波电压时CONTROL ENGINEERING China版权所有,薄片以同样的频率震动,从而产生频率为49.4kHz的超声波。当接收回波时,Polaroid 6500内有一个调谐电路,使得只有频率接近49.4kHz的信号才能被接收,而其它频率的信号则被过滤。
Polaroid 600超声传感器发送的超声波具有角度为30度的波束角[3],如图1所示:
超声波传感器既可以作为发射器又可以作为接收器,传感器用一段时间发射一串超声波束,只有待发送结束后才能启动接收,设发送波束的时间为D,则在D时间内从物体反射回的信号就无法捕捉;另外,超声波传感器有一定的惯性,发送结束后还留有一定的余振,这种余振经换能器同样产生电压信号,扰乱了系统捕捉返回信号的工作。因此,在余振未消失以前,还不能启动系统进行回波接收,以上两个原因造成了超声传感器具有测量一定的测量范围。此超声波最近可以测量37cm。
2.2 Polaroid 6500系列超声波距离模块
Polaroid 6500系列超声波距离模块的硬件电路如图2所示:
TL851是一个经济的数字12步测距控制集成电路。内部有一个420KHz的陶瓷晶振,6500系列超声波距离模块开始工作时,在发送的前16个周期控制工程网版权所有,陶瓷晶振被8.5分频CONTROL ENGINEERING China版权所有,形成49.4KHz的超声波信号,然后通过三极管Q1和变压器T1输送至超声波传感器。发送之后陶瓷晶振被4.5分频CONTROL ENGINEERING China版权所有,以供单片机定时用。TL852是专门为接收超声波而设计的芯片。因为返回的超声波信号比较微弱,需要进行放大才能被单片机接收,TL852主要提供了放大电路,当TL852接收到4个脉冲信号时,就通过REC给TL851发送高电平表明超声波已经接收。
2.3 AT89C51单片机
本系统采用AT89C51来实现对Polaroid 600系列传感器和Polaroid 6500系列超声波距离模块的控制。单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送,然后单片机不停的检测INT0引脚,当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间,通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。 超声波测距的硬件示意图如图3所示:
3、系统软件设计
系统程序流程图如图4所示:
工作时,微处理器AT89C51先把P1.0置0,启动超声波传感器发射超声波,同时启动内部定时器T0开始计时。由于我们采用的超声波传感器是收发一体的,所以在发送完16个脉冲后超声波传感器还有余震,为了从返回信号识别消除超