一種基于超聲波和紅外的測(cè)距定位系統(tǒng)

　　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(lèi)：一類(lèi)是用電氣方式產(chǎn)生超聲波；一類(lèi)是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣類(lèi)包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械類(lèi)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?？刂撇糠质且粋€(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。