引論：我們?yōu)槟砹?3篇超聲波傳感器范文，供您借鑒以豐富您的創(chuàng)作。它們是您寫作時的寶貴資源，期望它們能夠激發(fā)您的創(chuàng)作靈感，讓您的文章更具深度。
篇1
1.超聲波
聲波是物體機械振動狀態(tài)的傳播形式。超聲波是指振動頻率大于20000Hz以上的聲波,其每秒的振動次數(shù)很高,超出了人耳聽覺的上限,人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機械振蕩,有兩種形式:橫向振蕩(橫波)及縱向振蕩(縱波)。在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播,其傳播速度不同。另外,它也有折射和反射現(xiàn)象,并且在傳播過程中有衰減。超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律,與可聽聲波的規(guī)律并沒有本質(zhì)上的區(qū)別。與可聽聲波比較,超聲波具有許多奇異特性:傳播特性──超聲波的衍射本領(lǐng)很差,它在均勻介質(zhì)中能夠定向直線傳播,超聲波的波長越短,這一特性就越顯著。功率特性──當聲音在空氣中傳播時,推動空氣中的微粒往復振動而對微粒做功。在相同強度下,聲波的頻率越高,它所具有的功率就越大。由于超聲波頻率很高,所以超聲波與一般聲波相比,它的功率是非常大的。空化作用──當超聲波在液體中傳播時,由于液體微粒的劇烈振動,會在液體內(nèi)部產(chǎn)生小空洞。這些小空洞迅速脹大和閉合,會使液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞擊作用,從而產(chǎn)生幾千到上萬個大氣壓的壓強。微粒間這種劇烈的相互作用,會使液體的溫度驟然升高,從而使兩種不相溶的液體(如水和油)發(fā)生乳化,并且加速溶質(zhì)的溶解,加速化學反應(yīng)。這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應(yīng)稱為超聲波的空化作用。
超聲波的特點:(1)超聲波在傳播時,方向性強,能量易于集中;(2)超聲波能在各種不同媒質(zhì)中傳播,且可傳播足夠遠的距離;(3)超聲波與傳聲媒質(zhì)的相互作用適中,易于攜帶有關(guān)傳聲媒質(zhì)狀態(tài)的信息(診斷或?qū)髀暶劫|(zhì)產(chǎn)生效應(yīng))。
2.超聲波傳感器
超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。以超聲波作為檢測手段,必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器,習慣上稱為超聲換能器,或者超聲探頭。
超聲波探頭主要由壓電晶片組成,既可以發(fā)射超聲波,也可以接收超聲波。超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。超聲波傳感器主要材料有壓電晶體(電致伸縮)及鎳鐵鋁合金(磁致伸縮)兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛(PZT)等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?它可以將電能轉(zhuǎn)變成機械振蕩而產(chǎn)生超聲波,同時它接收到超聲波時,也能轉(zhuǎn)變成電能,所以它可以分成發(fā)送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發(fā)送,也能作接收。 超聲波傳感器由發(fā)送傳感器(或稱波發(fā)送器)、接收傳感器(或稱波接收器)、控制部分與電源部分組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成,換能器作用是將陶瓷振子的電振動能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中幅射;而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成,換能器接收波產(chǎn)生機械振動,將其變換成電能量,作為傳感器接收器的輸出,從而對發(fā)送的超進行檢測。控制部分主要對發(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計數(shù)及探測距離等進行控制。
二、超聲波傳感器的應(yīng)用
1.超聲波距離傳感器技術(shù)的應(yīng)用
超聲波傳感器包括三個部分:超聲換能器、處理單元和輸出級。首先處理單元對超聲換能器加以電壓激勵,其受激后以脈沖形式發(fā)出超聲波,接著超聲換能器轉(zhuǎn)入接受狀態(tài),處理單元對接收到的超聲波脈沖進行分析,判斷收到的信號是不是所發(fā)出的超聲波的回聲。如果是,就測量超聲波的行程時間,根據(jù)測量的時間換算為行程,除以2,即為反射超聲波的物體距離。把超聲波傳感器安裝在合適的位置,對準被測物變化方向發(fā)射超聲波,就可測量物體表面與傳感器的距離。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器,但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化,即在發(fā)射超聲波的時候,將電能轉(zhuǎn)換,發(fā)射超聲波;而在收到回波的時候,則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。
2.超聲波傳感器在醫(yī)學上的應(yīng)用
超聲波在醫(yī)學上的應(yīng)用主要是診斷疾病,它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點是:對受檢者無痛苦、無損害、方法簡便、顯像清晰、診斷的準確率高等。
3.超聲波傳感器在測量液位的應(yīng)用
超聲波測量液位的基本原理是:由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號,在氣體中傳播,遇到空氣與液體的界面后被反射,接收到回波信號后計算其超聲波往返的傳播時間,即可換算出距離或液位高度。超聲波測量方法有很多其它方法不可比擬的優(yōu)點:(1)無任何機械傳動部件,也不接觸被測液體,屬于非接觸式測量,不怕電磁干擾,不怕酸堿等強腐蝕性液體等,因此性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長;(2)其響應(yīng)時間短可以方便的實現(xiàn)無滯后的實時測量。
4.超聲波傳感器在測距系統(tǒng)中的應(yīng)用
超聲測距大致有以下方法:①取輸出脈沖的平均值電壓,該電壓 (其幅值基本固定)與距離成正比,測量電壓即可測得距離;②測量輸出脈沖的寬度,即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔 t,故被測距離為 S=1/2vt。如果測距精度要求很高,則應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ３暡y距適用于高精度的中長距離測量。
三、小結(jié)
文章主要從超聲波與可聽聲波相比所具有的特性出發(fā),討論了超聲波傳感器的原理與特點,并由此總結(jié)了超聲波傳感器在生產(chǎn)生活各個方面的廣泛應(yīng)用。但是,超聲波傳感器也存在自身的不足,比如反射問題,噪聲問題的等等。因此對超聲波傳感器的更深一步的研究與學習,仍具有很大的價值。
參考文獻:
[1]單片機原理及其接口技術(shù).清華大學出版社.
[2]栗桂鳳,周東輝,王光昕.基于超聲波傳感器的機器人環(huán)境探測系統(tǒng).2005,(04).
篇2
一、超聲波傳感器概況
1.1超聲波及其原理
物體機械振動狀態(tài)的傳播形式就是聲波，而超聲波主要是指聲波頻率在20000Hz以上的聲波形式。由于這種聲波每秒鐘的振動頻率較高，因此大大超出了人耳所能承受的聽覺范圍。超聲波按照其在機械振蕩過程中的不同表現(xiàn)形式，可將其分為縱向與橫向兩種振蕩波[1]。而在我國現(xiàn)階段的工業(yè)實踐中，主要應(yīng)用的是縱向振蕩波，與可聽聲波相比，超聲波具有獨特的傳播特征，其衍射能力較強，而且在均勻的傳播介質(zhì)中可以進行直線傳播。一般情況下，在同等強度條件下，聲波的頻率與功率具有正相關(guān)性，聲波頻率越大，其傳波的功率就越大。因為超聲波要比一般聲波頻率更大，所以其在運行傳播時的功率也較大。由于超聲波具有諸多優(yōu)點，因此在不同環(huán)境下得到了廣泛應(yīng)用與實踐。
1.2超聲波傳感器的特點
超聲波傳感器是利用超聲波的上述優(yōu)點研制而成的一種數(shù)字傳感器，以超聲技術(shù)為核心、超聲傳感裝置為載體，進行超聲波傳輸與接收。通常情況下，超聲波傳感器又稱為超聲換能器及超聲探頭。超聲波探頭主要由壓電晶片構(gòu)成，其不但可以接收超聲波，而且可以發(fā)射超聲波。因此在超聲探頭中，核心運作組件就是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。這種壓電晶片通過具有磁致伸縮作用的鎳鐵鋁合金材料與具有電致伸縮作用的壓電晶片材料制成。采用壓電晶體材料構(gòu)成的超聲波傳感器是具有可逆功能的一種數(shù)字化傳感器，在其運行過程中可將機械設(shè)備的電能轉(zhuǎn)化為機械能，從而在不同能量轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生超聲波。與此同時，超聲波傳感器可接收超聲波，從而將機械能轉(zhuǎn)化為電能[2]。因此，按照超聲波傳感器的實際工作運行原理，可將其分為超聲波接收器與超聲波傳輸器。
二、超聲波傳感器的具體應(yīng)用分析
首先，超聲波傳感器可在遠距離傳輸過程中得到運用。通過上述分析可知，超聲波傳感器主要由處理單元模塊及超聲換能單元模塊、輸出單元模塊所組成。在具體應(yīng)用過程中，處理單元模塊可對超聲換能器進行電壓激勵，從而使經(jīng)過激勵后的電壓以脈沖形式發(fā)出電磁波。隨之，超聲換能器轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，處理單元模塊對接收到的超聲波脈沖進行科學分析，以此判斷其接收到的信號是否是超聲波的回聲[3]。如果經(jīng)過核實，其所接收到的信號是超聲波回聲，則對超聲波的聲波傳輸時間進行測量分析，按照行程測算結(jié)果，對反超聲波的行程時間進行測算分析。在具體應(yīng)用過程中，可將超聲波傳感裝置安裝于適當位置，并對被測物體變化方向發(fā)射的超聲波進行分析，就可測量物體表面與超聲波傳感器之間的實際距離。
其次，超聲波傳感器可在醫(yī)學領(lǐng)域進行廣泛應(yīng)用。目前，超聲波在醫(yī)學領(lǐng)域中的實踐應(yīng)用，主要體現(xiàn)在患者臨床疾病診斷方面。隨著這項技術(shù)不斷成熟，超聲波傳感器診斷已成為我國現(xiàn)階段醫(yī)學領(lǐng)域中的一種重要診斷方式。在實際運用過程中，利用超聲波進行疾病診斷的主要優(yōu)點是受檢者無明顯的疾病痛苦，而且實踐操作過程非常簡單、無損害、無創(chuàng)傷，診斷過程中有較為清晰的顯像，尤其是診斷精確率較高。
另外，超聲傳感器在測量液位中具有重要作用。在液位測量過程中，超聲波的使用原理是，通過超聲波探頭發(fā)出超聲脈沖信號，其在空氣中進行廣泛傳播。當傳播過程中遇到空氣與液面之后，就會被被測液體的液面反射回來，此時技術(shù)測量人員可根據(jù)反射回的信號測算時間與距離，從而得到液面實際高度。在液面測量中，超聲波傳感器測量技術(shù)屬于非接觸式測量，因此測量過程中電磁干擾小、不易受到刺激性液體腐蝕，且測量結(jié)果穩(wěn)定，設(shè)備使用壽命較長。
除此之外，超聲波傳感器可在測距系統(tǒng)中得到應(yīng)用實踐。采用超聲波傳感器進行距離測算，不但可以科學測量設(shè)備輸出脈沖的寬度，而且可以測量脈沖波的具體運行時間。因此，測量精度較高，并可對測量結(jié)果與測量過程進行修正。
結(jié)束語：綜上所述，超聲波傳播方向性較好，因此能夠集中進行傳播；同時，超聲波的傳播適應(yīng)能力較強，其能夠在不同傳播媒介中進行科學傳播，而且能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離傳播；再者，超聲波與傳聲媒介的相互作用適中，而且在傳波過程中容易攜帶有關(guān)傳聲媒介狀態(tài)的信息。因此，基于上述應(yīng)用優(yōu)點，其在我國諸多技術(shù)領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用與實踐。
參 考 文 獻
篇3
近年來，科學技術(shù)發(fā)展日新月異，人們的生活水平也不斷提高，新科技產(chǎn)品走近人們身邊，機器人的功能和應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴大。機器人的功能由只能從事簡單的、固定的操作，向可以從事多種任務(wù)擴展；機器人的工作環(huán)境從工廠或者車間現(xiàn)場，走向海、陸、空，走入醫(yī)院、辦公室、家庭以及各種娛樂場所；機器人的應(yīng)用行業(yè)已經(jīng)不局限于制造業(yè)，向醫(yī)療、服務(wù)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、搜救、建筑、海洋等非制造業(yè)領(lǐng)域進軍，這就要求機器人具有自主移動的功能。目前，移動機器人是機器人科學的研究熱點之一，它可以移動到固定機器人無法到達的位置，從而完成特殊的操作任務(wù)。輪式移動機器人具有控制簡單、運動穩(wěn)定、滑動摩擦阻力小、能源利用率高、不必要考慮行走的平衡性等優(yōu)點，正在向?qū)嵱没杆侔l(fā)展。本課題研究的目的意在設(shè)計出基于傳感器的可以實現(xiàn)行走、避障、轉(zhuǎn)向等功能的移動機器人。
目前，移動機器人控制技術(shù)的研究關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢包括以下幾點：
1.路徑規(guī)劃控制技術(shù)。傳感器將實時探測到得工作環(huán)境信息反饋給移動機器人，從而獲得障礙的形狀、尺寸及位置信息，并作出局部路徑規(guī)劃。
2.傳感技術(shù)。機器人對自身及外部障礙物位姿信息的檢測以及處理，獲取有效的環(huán)境信息，為決策系統(tǒng)提供保障。
3.多傳感器信息融合技術(shù)。將不同傳感器反饋的局部信息整合，消除多傳感器間的冗余信息，排除矛盾，提高檢測環(huán)境的準確性，從而提高系統(tǒng)的決策及規(guī)劃的準確性。
4.開發(fā)技術(shù)。研究開放式控制系統(tǒng)和模塊化控制系統(tǒng)作為開發(fā)的重點技術(shù)。
5.智能化技術(shù)。知識理解、反應(yīng)、歸納、推斷和問題求解等內(nèi)容是智能控制系統(tǒng)智能化的主要研究內(nèi)容[3]。
從以上的分析可以看出，移動機器人要走向?qū)嵱茫仨殦碛蟹€(wěn)定的運動系統(tǒng)、可靠的導航系統(tǒng)、精確的感知能力和具有既安全又友好地與人一起工作的能力。
二、多超聲波傳感器及信息融合
超聲波頻率為20kHz以上，波長較短，繞射小，能夠按照指定方向傳播。超聲波的頻率越高與光波的相似性越大，其指向性強，速度快，能耗消失緩慢，可在較遠距離中傳播，距離分辨率又高，同時還具有小體積，輕質(zhì)量，易于安裝，并且不易受到外界環(huán)境的干擾等突出優(yōu)點。因此，超聲波傳感器在移動機器人的測距方面也得到了廣泛的應(yīng)用。
多超聲波傳感器的信息融合的目標就是滿足系統(tǒng)的實際要求，將環(huán)境信息從多超聲波傳感器中提取并合成，以全面準確的描述環(huán)境信息。它一方面要求多超聲波傳感器系統(tǒng)和其信息系統(tǒng)的相互協(xié)調(diào)，有機融合以充分體現(xiàn)信息資源的價值；另一方面要求抽象合成，以減少超聲波系統(tǒng)的信息通訊與信息處理壓力策略。經(jīng)優(yōu)化處理后的多傳感器信息具有信息冗余性、信息互補性、信息低成本性和信息實時性，因而可以比較完整地、更精確地反饋環(huán)境特征。
目前，使用的多傳感器數(shù)據(jù)融合方面具體的方法包括加權(quán)平均法、貝葉斯估計法、卡爾曼濾波法、模糊積分法、確定性理論法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法以及D-S推理法等。
在D-S推理中，基本概率賦值函數(shù)的數(shù)據(jù)計算、合成都可以通過D-S合成公式進行處理，但是當決策框架復雜時，基本概率合成公式處理的數(shù)據(jù)量將大大增加。D-S理論法的優(yōu)點在于不需要先驗概率的信息，因此廣泛應(yīng)用于故障診斷、目標識別、綜合規(guī)劃等領(lǐng)域。
本文采用D-S論證法將多傳感器信息融合。其基本概率分配函數(shù)滿足：
三、機器人避障系統(tǒng)分析
本文設(shè)計的移動機器人為三輪機構(gòu)，其中包括：前輪一個，為驅(qū)動輪和操舵輪；后輪兩個，主要起支撐作用，為隨動輪。前輪的驅(qū)動與轉(zhuǎn)向分別由直流電機和步進電機進行控制。
直流電動機的突出優(yōu)點為：啟動性能、制動性能良好，可以在大范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑的調(diào)速，因此廣泛應(yīng)用于需要快速正反轉(zhuǎn)的電力系統(tǒng)中。
步進電機是無刷電機，因為它的磁體轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)軸上，繞組裝在機殼上，沒有電刷。轉(zhuǎn)子自由的旋轉(zhuǎn)，與任何構(gòu)件沒有電器上的接觸。它能夠?qū)㈦娒}沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，因此步進電機非常適合于單片機控制。
本系統(tǒng)以SPCE061A為核心，采用六個超聲波傳感器，分為兩組，每組由三個超聲波傳感器模組完成測距任務(wù)，每組超聲波測距模組分別在小車的正前方排布和正后方成線陣列傳感器分布。超聲波傳感器通過轉(zhuǎn)接板模擬數(shù)字開關(guān)CD4052與SPCE061A板進行獨立通訊，將測量距離反饋給單片機，使其對控制步進電機進行控制，實現(xiàn)對小車車身的姿態(tài)調(diào)整糾正及障礙進行自主避障。
路徑規(guī)劃是機器人在未知的、有障礙物的環(huán)境中，安全地避開障礙物，找到一條合適路徑順利地從起點移動到終點。根據(jù)對不同工作環(huán)境的認知程度，可以將移動機器人的路徑規(guī)劃劃分為兩大類：一類是基于完整環(huán)境信息的全局路徑規(guī)劃，即靜態(tài)或離線路徑規(guī)劃；另一類是基于環(huán)境信息部分已知或者完全未知的情況下依靠傳感器感知環(huán)境信息和作出規(guī)劃的局部路徑規(guī)劃，即動態(tài)或在線路徑規(guī)劃。
本文的輪式機器人采用超聲波傳感器來探測障礙物以獲得環(huán)境信息，具有近似、不完善性并且混雜著一定的噪聲，而模糊邏輯算法的一個突出優(yōu)點是能處理這種不確定輸入信息，并且能產(chǎn)生較為光滑的輸出量。其次，輪式移動機器人動學模型比較復雜，因此難以確定，而模糊邏輯算法是不需要精確的數(shù)學模型。此外，輪式移動機器人為一個典型時延、非線性的不穩(wěn)定系統(tǒng)，而模糊邏輯算法可以實現(xiàn)輸入空間與輸出空間之間非線性映射。因此，我們選擇模糊邏輯算法進行本文的輪式移動機器人的路徑規(guī)劃方法。
結(jié)論
篇4
一、相關(guān)原理概述
1、調(diào)平控制系統(tǒng)原理。調(diào)平控制系統(tǒng)由超聲波傳感器、數(shù)字式控制器、控制電路和電磁換向閥組成。每臺攤鋪機都配備兩套控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)分別安裝在攤鋪機的兩側(cè)位置。主要是利用單片機來控制數(shù)字控制器，需要將每一側(cè)的超聲波傳感器固定在平衡梁所制成的直梁上，平衡梁主要是由鋁合金制成，主要是將支架安裝在攤鋪機的一側(cè)位置，來達到調(diào)平大臂的目的。熨平板通常會直接放在路面上，并且還會隨著路面的變化而移動，通常將該種連接形式成為浮動式熨平板。同時，攤鋪機在行走時，在調(diào)平油缸的帶動下，會隨著熨平板一起發(fā)生移動。
2、超聲波傳感器測距原理。非接觸式調(diào)平系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用雨后超聲波測距傳感器中，在實際的使用過程中，加大了對脈沖回波方式的合理利用，還可以通過發(fā)送探頭的形式運營傳播介質(zhì)對發(fā)出的超聲脈沖波進行傳輸，聲波在發(fā)射后，會通過傳播介質(zhì)返回到接收探頭上，超聲脈沖的時間測試，主要是計算發(fā)射到接收所要經(jīng)歷的時間，探頭到目標之間的距離計算公式為：L=0.5ct。其中L表示探頭到目標的距離，c表示超聲波在介質(zhì)中的傳播速度[1]。
二、測距系統(tǒng)軟硬件設(shè)計
1、測距系統(tǒng)的硬件設(shè)計。首先，合理選擇單片機。在進行電路單片機測距控制時，需要選擇AT89S52型號的單片機，該單片機自身具有高性能和低功耗特點，內(nèi)部含有8kFlash只讀程序存儲器，隨機存取數(shù)據(jù)存儲器、可編程定時計數(shù)器等。其次，做好超聲波發(fā)射與接收電路設(shè)計。需要充分利用單片機的P1.0來控制超聲波，并運用三極管來實現(xiàn)驅(qū)動，通過輸出高電平，能夠激發(fā)超聲波傳感器，達到發(fā)射超聲波的目的。超聲波傳感器在平時主要是輸出低電平，需要確保輸出的脈沖電壓信號保持在10V，由于此信號與單片機TTL電平出現(xiàn)嚴重的不相容現(xiàn)象，脈沖信號需要經(jīng)過電平來轉(zhuǎn)換成脈沖信號。最后，需要做好看門狗接口電路設(shè)計。需要充分利用看門狗電路來提升工作的可靠性，防止單片機程序進入到死循環(huán)，確保系統(tǒng)能夠自動復位，程序重新開始啟動和執(zhí)行。
2、測距系統(tǒng)的軟件設(shè)計。在對控制系統(tǒng)軟件進行設(shè)計時，需要加大對單片C軟件系統(tǒng)的運用，選用C語言進行編寫，測距功能單片機主要是采用模塊化設(shè)計方法，軟件系統(tǒng)由超聲波接收子系統(tǒng)、循環(huán)發(fā)射子系統(tǒng)、數(shù)字濾波子程序等模塊共同構(gòu)成。主程序在使用前，需要做好串行通信初始化和定時計數(shù)器初始化工作，確保中斷功能的合理設(shè)計。超聲波的循環(huán)發(fā)射子程序在實際的應(yīng)用過程中，時間間隔維持在25ms，要求做好超聲波發(fā)送及萬字濾波和數(shù)據(jù)存儲工作，超聲波在循環(huán)發(fā)生時，每次都會產(chǎn)生8個超聲波脈沖。在對超聲波接收子程序模塊中的數(shù)值進行計算時，需要運用T2中斷來讀取計數(shù)器中的技術(shù)支持，計算出探頭距路面之間的距離[2]。
結(jié)論：本文主要是對超聲波傳感器在攤鋪機自動調(diào)平控制系統(tǒng)中的應(yīng)用情況進行分析，對調(diào)平控制系統(tǒng)原理和超聲波傳感器測距原理進行簡要概述，提出了測距系統(tǒng)軟硬件設(shè)計方法。通過研究表明，路面高程偏差的非接觸式測量符合攤鋪機自動調(diào)平控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，在實際的使用過程中克服了傳統(tǒng)接觸式調(diào)平基存在的不足點，對提升攤鋪機的調(diào)平系統(tǒng)性能具有重要作用。通過對測距儀系統(tǒng)軟硬件的合理設(shè)計，提升了測距系統(tǒng)的測量精度，滿足了系統(tǒng)設(shè)計要求。
篇5
1 引言
在卷煙包裝生產(chǎn)過程中，膠位控制系統(tǒng)一直是困擾生產(chǎn)效率提高的重要環(huán)節(jié)。目前，煙草企業(yè)的包裝設(shè)備中主要機型為GD包裝機，該機型膠位檢測傳感器設(shè)計為電容傳感器，是開關(guān)量輸出模式，機器在生產(chǎn)過程中受環(huán)境因素影響有時會出現(xiàn)誤動作，嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量和機器的生產(chǎn)效率。
2 系統(tǒng)原理
超聲波可在不同介質(zhì)中以不同的速度傳播的特性，超聲波具有定向性好，能量集中，在傳輸過程中衰減小，反射能力較強等特點。對膠位控制系統(tǒng)的進行新型設(shè)計，采用超聲波傳感器元件，超聲波傳感器可廣泛應(yīng)用于非接觸式檢測，不受光線，被測物顏色等的影響，它不僅能夠定點和連續(xù)測膠位，這種特性對膠位檢測不受生產(chǎn)環(huán)境因素干擾非常有益。與其他測位技術(shù)相比較，它不需要特別防護，安裝維修較方便，而且結(jié)構(gòu)方法都較簡單，經(jīng)濟效益顯著。膠位控制設(shè)計采用超聲波液位測量技術(shù)，運用超聲波脈沖回波方法，由發(fā)射傳感器發(fā)出超聲波脈沖，傳到液面經(jīng)反射后返回接收傳感器，測出超聲波脈沖從發(fā)射到接受所需的時間，根據(jù)媒介中的聲速，就能得到從傳感器到液面之間的距離，從而精確測定膠位高度。
3 膠位控制方案
3.1 系統(tǒng)的設(shè)計
由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計比較方便，計算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達到使用要求。另一方面在工作中，超聲波傳感器有著優(yōu)越的抗干擾性與工作的穩(wěn)定性，故選擇超聲波傳感器代替原設(shè)備的電容傳感器進行測量物體間的距離。
在數(shù)據(jù)處理方面，本文設(shè)計采用PLC作為控制器（如圖1示，系統(tǒng)軟件設(shè)計的總框圖），針對超聲波傳感器的測量結(jié)果進行處理，用觸摸屏進行顯示和設(shè)定。超聲波傳感器的輸出信號是0―10V，接入PLC的模擬量輸入模塊中經(jīng)處理轉(zhuǎn)換為液面高度顯示在人機界面上。
3.2 系統(tǒng)的控制
系統(tǒng)的控制主要完成顯示液面高度、設(shè)定報警區(qū)間和注膠時間功能控制模式（如圖2示，系統(tǒng)控制模式）。區(qū)間設(shè)定是根據(jù)實際情況設(shè)定，保證涂膠量符合生產(chǎn)工藝要求，通過液面高度和注膠高度的比較來判斷是否注膠，液面高度情況還能反映元器件是否損壞。超聲波傳感器的測量結(jié)果可以實現(xiàn)供膠的閉環(huán)控制，隨機器速度的變化控制增加與減少供膠量，膠位液面可以設(shè)定高低位報警功能，能夠?qū)崿F(xiàn)以數(shù)字的形式顯示測量距離。
3.3 元件的x擇
系統(tǒng)設(shè)計采用UNDK系列超聲波傳感器，這類型傳感器檢測范圍為30―250mm，分辨率小于0.3mm，聲波頻率為300KHZ，響應(yīng)時間小于50ms。其參數(shù)基本特點符合設(shè)計要求，能夠達到控制的精度和要求。
4 結(jié)語
篇6
1.關(guān)于超聲波的研究
超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律，與可聽聲波的規(guī)律沒有本質(zhì)上的區(qū)別。但是超聲波的波長很短，只有幾厘米，甚至千分之幾毫米。與可聽聲波比較，超聲波具有許多奇異特性：傳播特性──超聲波的波長很短，通常的障礙物的尺寸要比超聲波的波長大好多倍，因此超聲波的衍射本領(lǐng)很差，它在均勻介質(zhì)中能夠定向直線傳播，超聲波的波長越短，該特性就越顯著［1］。功率特性——當聲音在空氣中傳播時，推動空氣中的微粒往復振動而對微粒做功。聲波功率就是表示聲波做功快慢的物理量。在相同強度下，聲波的頻率越高，它所具有的功率就越大［1］。由于超聲波頻率很高，所以超聲波與一般聲波相比，它的功率是非常大的。空化作用——當超聲波在液體中傳播時，由于液體微粒的劇烈振動，會在液體內(nèi)部產(chǎn)生小空洞。這些小空洞迅速脹大和閉合，會使液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞擊作用，從而產(chǎn)生幾千到上萬個大氣壓的壓強。微粒間這種劇烈的相互作用，會使液體的溫度驟然升高，起到了很好的攪拌作用，從而使兩種不相溶的液體（如水和油）發(fā)生乳化，且加速溶質(zhì)的溶解，加速化學反應(yīng)，這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應(yīng)稱為超聲波的空化作用［2］。另外超聲波還具有化學效應(yīng)。
現(xiàn)在我們介紹有關(guān)超聲波散霧的知識，一定頻率的超聲波作用與霧滴也會發(fā)生作用，霧滴在吸收超聲波的同時與此超聲波產(chǎn)生共振，發(fā)生共振時，霧滴的結(jié)構(gòu)發(fā)生破碎或碰撞，達到驅(qū)霧散霧的實施目的。這就給我們這個研究項目，利用超聲波來散霧，提供了理論依據(jù)。
超聲波對自然霧氣中粉塵顆粒具有聚結(jié)的作用，從而能加速沉降，沉降的結(jié)果使分散體系發(fā)生相分離［3］。可利用懸浮在流體(氣體或液體)中的固體顆粒下沉而與流體分離。總的來說，超聲波對非均一系統(tǒng)的作用，主要是利用聲能使懸浮的顆粒積聚成比較大的顆粒，然后使之沉降，霧氣中的霧滴在于超聲波發(fā)生共振式，結(jié)構(gòu)破碎，比重輕的水汽上浮，比重大的顆粒聚集并下沉，從而最終達到散霧的目的。
2.超聲波除霧裝置工作原理
當把超聲波散霧的道理應(yīng)用到實際中時，則是以超聲波散霧電路的形式實現(xiàn)得（即除霧裝備），其特征是電子振蕩電路產(chǎn)生與霧滴發(fā)生共振的超聲波振蕩頻率信號，振蕩電路連接電子功率放大電路，功率放大電路連接超聲波換能器，或電子振蕩電路直接輸出連接超聲波換能器；同時，通過外加電路或振蕩電路本身產(chǎn)生高幅度的脈沖波由功放電路混合到電路中，使所發(fā)射的超聲波混合有高幅度的脈沖波成份，霧滴在吸收超聲波的同時與此超聲波產(chǎn)生共振，發(fā)生共振時，霧滴的結(jié)構(gòu)發(fā)生破碎或碰撞，達到驅(qū)霧散霧的實施目的。除霧裝備的啟動和停止有對霧敏感的濕度傳感器控制電路來自動控制。
3.散霧濕度傳感器電路設(shè)計
3.1 硬件部分（電路）
3.1.1 主要芯片選擇與芯片特點
AT89SS52單片機：AT89SS52是基于增強的51結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。高性能、低功耗的AT89SS52單片機主要特點如下：先進的RISC結(jié)構(gòu)、非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲器、JTAG接口、外設(shè)特點、特殊的處理器特點［4］。因此AT89SS52成為一個功能強大的單片機，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。
濕度傳感器SHT10：瑞士Sensirion公司推出了SHTxx單片數(shù)字溫濕度集成傳感器。采用CMOS過程微加工專利技術(shù)（CMOSens technology），確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和出色的長期穩(wěn)定性。該傳感器由1個電容式聚合體測濕元件和1個能隙式測溫元件組成，并與1個14位A/D轉(zhuǎn)換器以及1個2-wire數(shù)字接口在單芯片中無縫結(jié)合［4］，使得該產(chǎn)品具有功耗低、反應(yīng)快、抗干擾能力強等優(yōu)點。
SHT10的主要特點如下：相對濕度和溫度的測量兼有露點輸出；全部校準，數(shù)字輸出；接口簡單（2-wire），響應(yīng)速度快；超低功耗，自動休眠；出色的長期穩(wěn)定性；超小體積（表面貼裝）；測濕精度±45%RH，測溫精度±0.5℃（25℃）［4］。
3.1.2 原理圖
原理圖 Schematic diagram
3.2 程序設(shè)計實現(xiàn)的功能
通過濕度傳感器SHT10自動檢測的環(huán)境濕度，然后通過AT89SS52單片機處理并在液晶上顯示，當濕度上升到達某一定值，蜂鳴器響，一個發(fā)光二極管亮，當濕度下降到某一定值，蜂鳴器停，另一個一個發(fā)光二級管亮。濕度控制的上下限可自行設(shè)定。此外可以顯示日期與時間。
4.本裝置實現(xiàn)功能與使用方法
4.1 該裝置通過濕度傳感器SHT10測量環(huán)境濕度，然后通過AT89SS52單片機處理并在液晶上顯示，當濕度上升到達某一定值，蜂鳴器響，一個發(fā)光二極管亮，此時表示除霧裝備啟動；當濕度下降到某一定值，蜂鳴器停，另一個發(fā)光二級管亮，此時表示除霧裝備停止工作。同時，濕度控制的上下限可以自己設(shè)定，調(diào)整起來非常便利，可以實現(xiàn)復位、功能選擇、增大減小量程、確定等功能。所選用的SHT10精度高，反應(yīng)靈敏，探測電路的反應(yīng)速度快，可以非常準確的控制除霧裝置開啟和關(guān)閉，從而最大化地平衡功耗和效果之間的關(guān)系。
4.2 電路實物使用方法：本裝置濕度控制的上下限可自行設(shè)定。第一個鍵是復位鍵，可以將各設(shè)置清除。第二個是功能鍵，可以選擇調(diào)節(jié)什么變量。第三個按鍵是增加鍵，可對數(shù)字進行增大調(diào)整。第四個按鍵是減小鍵，可對數(shù)字進行減小調(diào)整。第五個按鍵是確定鍵。
5.小結(jié)
我們對超聲波散霧的原理及可行性方面的研究投入了很多的時間和精力。并設(shè)計出對霧敏感的濕度傳感器控制電路，該電路能夠及時監(jiān)測霧的降臨，并自動啟動除霧設(shè)備，并在除霧后切斷除霧設(shè)備的電源，實現(xiàn)自動控制。將設(shè)計功能電路做成實物。但是由于無法得到大功率超聲波發(fā)生設(shè)備及自身物理知識的不足，沒有對“超聲波在什么頻率范圍下可以散霧”得出確切的結(jié)論。
參考文獻
[1]Alain Leger,Marc Deschamps.Ultrasonic Wave Propagation in Non Homogeneous Media[M].Berlin:Heidelberg,2009:12-21.
[2]曾文遠,劉心緒.熱學與分子物理[M].成都:四川教育出版社,1987:212-214.
[3]Michael Allaby.Fog,smog&poisoned rain[M].上海:上海科學計技術(shù)文獻出版社,2009:2-22.
[4]鄭峰,王巧芝,劉瑞國,等.51單片機應(yīng)用系統(tǒng)(第2版)[M].北京:中國鐵道出版社,2011:10-58.
篇7
局部放電最明顯的特征就是產(chǎn)生電脈沖，電脈沖中包含很多可以研究分析的信息，如信號能量幅值的衰減，波形的畸變和延時等。電氣定位法的原理是根據(jù)放電脈沖在絕緣介質(zhì)中傳播時的參數(shù)特性，建立相關(guān)的傳遞函數(shù)來確定放電源的空間位置。
（1）行波法。
行波法的主要原理是利用波的時延特性來計算放點源與被測點的距離。局部放電在放電時會產(chǎn)生波形，波形傳播開始的瞬間會出現(xiàn)容性分量，需要經(jīng)過一段時間的時延后，行波分量才到達測量端。根據(jù)行波傳播的速度，通過測量行波延遲的時間，就可以計算出所求距離，估計出放電源所在位置。
（2）極性法。
極性法的原理是通過比較變壓器繞組的不同端子上局部放電信號的極性，如對單相變壓器，理論上希望在高、低壓繞組的四個端子測到不同極性的局部放電信號，根據(jù)不同的極性信號來確定放電位置。但是極性法僅能識別到局部放電源可能存在于變壓器絕緣的某個區(qū)域。要精確地測出放電的位置，必須利用其他方法。
（3）起始電壓法。
假設(shè)變壓器繞組上的電壓分布均勻，令繞組長度為L，繞組兩端電位各為UH，UL。
若放電點N離高壓端H的距離為x，放電點電壓為UN，則有：
（UH-UN）/（UN-UL）=x/（1-x）（1.1）
當UN達到起始放電電壓UI時，則有：
（UH-UI）/（UI-UL）=x/（1-x）（1.2）
若已知L，則只要改變繞組兩端的電壓，測出UH1，UH2，UN1，UN2，并將其代入式1.1和1.2即可求出放電位置x。
2 電氣定位法存在的問題
（1）由于變壓器有很復雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此對于不同的放電點，在局部放電時產(chǎn)生的波在運行過程中可能會發(fā)生振蕩，但是測量放電信號不能反映變壓器內(nèi)部真實狀況，只能在變壓器的測量端點進行，所以誤差相對較大。
（2）部分電氣定位法強烈地依賴于變壓器內(nèi)電氣結(jié)構(gòu)。
（3）只能對單局部放電源定位，對于多局部放電源定位還有待研究。
3 超聲波定位法
超聲波定位基本方法是當變壓器內(nèi)絕緣發(fā)生局部放電時，較大的能量釋放將激發(fā)產(chǎn)生超聲波，并以球面聲波的形式經(jīng)固、液絕緣和金屬介質(zhì)向四周傳播。當放電能量較大或放電點距箱壁較近時，安裝在箱壁上的超聲波傳感器可接收到超聲波信號，通常需在箱壁上布置多個超聲波傳感器（4個或4個以上），定位時選擇某傳感器為基準傳感器，以此為基準觸發(fā)其余傳感器接收局部放電產(chǎn)生的超聲波信號。兩個傳感器接收聲波的時間差，可用離放電點最近的傳感器的聲信號作為基準信號來觸發(fā)其余傳感器的接收測量，并獲取同一局部放電超聲信號傳播到其它傳感器時對應(yīng)的相對時間τ。聲波傳播時間T乘以聲波速度即為聲波的傳播距離。然后利用簡單的幾何關(guān)系，便可得到由若干方程組成的非線性方程組：
-=V0τn，n=1，2，…N
上式中（x，y，z）局部放電源坐標，（xn，yn，zn）是第n個超聲波傳感器坐標，（x0，y0，z0）是基準超聲波傳感器坐標，τn是第n個超聲波傳感器相對基準傳感器的延時，V0是超聲波在變壓器油中的等值波速，N為超聲波傳感器個數(shù)。
4 超高頻-超聲波定位法
超高頻-超聲波聯(lián)合定位法是澳大利亞的西門子研究機構(gòu)使用局部放電產(chǎn)生的超聲波和電磁波聯(lián)合檢測技術(shù)監(jiān)測變壓器中的局部放電活動。該系統(tǒng)運行的關(guān)鍵依據(jù)是超聲波和電磁波在變壓器介質(zhì)中的傳播速度是不一致的，因而可以測量兩種波到達傳感器的時間差，進而確定局部放電的位置。定位系統(tǒng)依賴一個可同時檢測射頻和超聲波的復合傳感器探頭。復合探頭包括超聲波傳感器和射頻傳感器兩部分，其中射頻傳感器由包圍超聲波傳感器的環(huán)形銅環(huán)組成，銅環(huán)與地間形成一個電容，這種容性天線及與其連接的引線電感形成一個諧振電路，感應(yīng)局部放電引起的電場擾動；超聲波傳感器結(jié)果較復雜，傳感器周圍填滿環(huán)氧樹脂，后面充滿比例為1：3的環(huán)氧樹脂和鎢粉的混合物，具有很低的橫向耦合系數(shù)，可有效抵制接收變壓器箱壁變向傳播產(chǎn)生的橫波。
5 陣列傳感器定位法
陣列傳感器定位法是超聲波定位的改進方法，依據(jù)超聲波到達超聲傳感器的波程差和相位差來確定放點信號的方位，是一種基于傳感器陣列采集超聲信號的局部放電定位方法。該方法用多個超聲波傳感器構(gòu)成陣列代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多個超聲波探頭，通過傳感器陣列對局部放電信號進行多點并行采樣，以檢測傳感器接收到的信號為時間基準，依次計算出平面相控陣傳感器接收到的超聲波信號的傳輸時延以及相差，再根據(jù)相控測向的方位角得出放電點的空間幾何位置，實現(xiàn)變壓器內(nèi)多放電源的定位。
與傳統(tǒng)的超聲定位法相比，陣列定位的信噪比高，而且可以解決多徑傳輸問題，傳統(tǒng)的超聲定位將傳感器安裝在變壓器內(nèi)部不同位置，導致放電信號通過多個不同路徑到達探頭，探頭接收信號同一性差，導致定位誤差大。除此之外，陣元的數(shù)量優(yōu)勢可以轉(zhuǎn)化為性能優(yōu)勢，當個別陣元失效使接收信號存在誤差時，并不影響整體定位結(jié)果，因此，陣列定位法檢測可靠性更高。
綜上所述，表1總結(jié)了目前變壓器局部放電源定位的方法及特點。
篇8
當今社會測距是很普遍也很重要的問題，許多場合下需要準確、迅速、實時的測距。例如盲人在行走的過程中，需要一個裝置來檢測前方有無障礙物，在距離障礙物距離過近的時候必須可以報警；又如汽車倒車的時候也需要檢測車尾與車庫的距離，在危險距離的時候可以報警，使車主可以及時剎車，避免發(fā)生事故；再如一些的門口也需要測距的裝置，當有人靠近的時候，會發(fā)出警報，使該區(qū)域的安全性得到保障。目前，測距的方法很多，如紅外檢測具有造價低、安全性能好、制作簡單等優(yōu)點；缺點是檢測精度低、實用性低。由于超聲測距是一種非接觸式檢測，其抗干擾能力較強，如光源、氣候?qū)Τ暤母蓴_都比較小，相比于其他的技術(shù)更精確，更安全。同時，超聲測距具有少維護、不污染、高可靠、長壽命等特點。基于這一現(xiàn)狀，本設(shè)計選用超聲波來檢測距離。
1 系統(tǒng)的整體設(shè)計
針對上述問題，本出如下的設(shè)計：先由超聲波傳感器向正前方發(fā)射超聲波，與此同時開始計時，超聲波沿著前進的方向傳播，由于超聲波能感應(yīng)到障礙物，因此傳播過程中碰到障礙物就會立即朝反方向回傳，這樣超聲波接收器就可以接收到因障礙物而回傳的超聲波，同時，計時停止。超聲波在空氣中的傳播速度v，設(shè)傳播時間為t，那么單程傳播的為t/2，由距離（s）=速度（v）時間（t）/2，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離（s）。同時一方面將距離（s）由顯示屏顯示出來，讓使用者能對前方有無障礙物一目了然，并且還能掌握障礙物與其的具體距離；另一方面，設(shè)置一個距離最小值，也成閾值，當障礙物的距離小于這個閾值的時候，單片機會給報警器發(fā)出報警信號，使報警器報警，讓使用者能夠迅速準確的做出應(yīng)對措施。超聲波測距原理如圖1所示。
2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
2.1 硬件器件的x型
本設(shè)計的傳感器選取的是非接觸式的HC-SR04超聲波測距模塊，HC-SR04超聲波測距模塊使用成本低、抗干擾能力強并且準確性能好。單片機選取ARM系列最新、最先進構(gòu)架的Cortex-M3內(nèi)核的STM32，STM32不僅性能優(yōu)越，而且價格便宜，所以本設(shè)計選取它作為主處理器。由于本設(shè)計的顯示屏只需要顯示距離信號，所以選取易于控制、成本低的1602顯示屏。
2.2 硬件設(shè)計
硬件的組成可以分為兩個部分：第一部分由超聲波傳感器以及STM32處理器組成，為檢測部分，具體作用為：首先由STM32控制超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波，與此同時STM32控制定時器開始計時，由于超聲波是沿著直線傳播，當在前方遇見障礙物時，超聲波會立即反射回來，當超聲波傳感器接收到超聲波的時候STM32控制計時結(jié)束；第二部分由1602顯示屏、報警電路組成，STM32檢測計算出來的距離會由1602顯示屏顯示出來，當距離小于預先給STM32設(shè)定的閾值時，STM32會立即給報警電路發(fā)出報警信號，使蜂鳴器報警。報警部分由蜂鳴器和報警電路組成，報警電路如圖3所示。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
軟件的設(shè)計主要是對STM32的編程，首先初始化串口和定時器，并且預先設(shè)置好閾值。接著給連接超聲波傳感器的IO口發(fā)出指令，開始發(fā)射超聲波，并且由STM32控制定時器開始計數(shù)；接著實時監(jiān)測超聲波接收器有無信號的讀取，若有，則說明前方有障礙物，定時器停止計數(shù)。取定時器的計數(shù)差值，由定時器計數(shù)的差值可以計算出共同的時間，而單向路程所需的時間為共同時間的一半，就可以計算出障礙物與超聲波傳感器的距離。同時還要將這個距離與預先設(shè)置好的閾值進行比較，若距離值小于閾值，則STM32會給報警電路發(fā)出報警信號，達到報警效果。
4 實驗結(jié)果分析
隨機選取不同的距離、不同材質(zhì)的障礙物進行檢測十次，每當達到檢測范圍的時候，顯示屏每次都能準確的顯示出障礙物的距離，并且當過度靠近障礙物的時候，蜂鳴器每次都會發(fā)出報警。結(jié)果表明本文設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)能夠準確的實現(xiàn)測距和報警的目的，滿足當前市場的要求，同時制作簡易，具有很好的發(fā)展和使用前景。
參考文獻：
篇9
文章編號：1004-373X(2008)09-122-02オ
An Orientation System of Underwater Robot Based on Single Chip Computer
ZHOU Shibin,HAO Jingru,HUANG Min
(Beijing Institute of Machinery,Beijing,100085,China)
オ
Abstract：The orientation system of underwater robot captures the distance information by the ultrasonic sensors,and uses three points location theory to compute the coordinate of the position.To save the time and temperature information by single chip computers,which transmit this information to the industrial PC to complete the orientation.Finally,we can obtain a lot of orientation data through experiment.Then we can obtain the orientation precision of two different type sensors which used for sending signals,though analyzing these data by the method of non-linear optimization.The conclusion is valuable reference for the improvement of the system and orientation precision.
Keywords：ultrasonic wave;underwater orientation system;single chip computer;distance measurement
本課題研究的機器人工作在大約40 m深的漿液下，為了防止水煤漿由于長時間的存貯而沉淀，他能在按照預先規(guī)劃的軌跡行走時完成攪拌功能。在這種條件下，一個很重要的問題就是機器人定位功能的實現(xiàn)，用來實時了解其具置。本機器人定位系統(tǒng)采用多路超聲波傳感器測距，然后采用三點定位法[1],把測距信息轉(zhuǎn)化為機器人的位置信息。超聲波作為一種無接觸檢測方式，與激光、紅外以及無線電測距相比，在水煤漿中可以比較容易地穿透水煤漿達到測距的目的，且精度較高。
1 超聲波測距系統(tǒng)
1.1 超聲波測距原理
超聲波測距原理一般采用時間度量法，計算公式為：
И
D=vt
(1)
И
式中D(m)為超聲波傳播的距離，v(m/s)為超聲波在介質(zhì)中傳播的速度，t(s)為超聲波在介質(zhì)中傳播的時間。而超聲波在介質(zhì)中傳播的速度由介質(zhì)的性質(zhì)和溫度T(℃)決定，由此可得到水中超聲波的波速[2]為：
И
v=1 4492+4623T－0054T2
(2)
И
1.2 超聲波測距的硬件系統(tǒng)
系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示，其設(shè)計為分布式控制系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中USR1為超聲波發(fā)射傳感器，USR2，USR3，USR4為接收傳感器，他是型號為JSS-03的液下專用超聲波傳感器，該傳感器既可做接收用同時也可做發(fā)射用，其靈敏度高，額定脈沖工作電壓高，瞬時輸出功率大。溫度傳感器選用DS18B20[3],該傳感器具有單總線、抗干擾、測溫范圍寬(-55 ~+125 ℃)、適合遠距離惡劣環(huán)境測溫的特點。在本系統(tǒng)中使用的單片機(MCU0,MCU1,…MCU4)均選用51系列單片機AT89C52。
圖1 系統(tǒng)硬件框圖
當系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，由MCU0每隔3 s產(chǎn)生一個脈沖，信號經(jīng)過放大激發(fā)信號發(fā)生器ST-3A，然后觸發(fā)超聲波發(fā)生器USR1；同時給MCU2,MCU3,MCU4的中斷INT0一個低電平，使他們開始計時。當接收超聲波傳感器接收到發(fā)射超聲波傳感器發(fā)出的信號后，立即把產(chǎn)生的接收信號傳給單片機，中間的信號調(diào)理過程為一級放大(放大100倍)、帶通濾波、二級放大(放大50倍)、電壓比較、光電隔離，其中電壓比較的基準電壓可調(diào)，當信號電壓高于基準電壓時使MCU的INT1中斷。INT0中斷和INT1中斷的時間間隔即為發(fā)射與接收傳感器間的時間，他存儲在單片機固定的RAM中。而溫度傳感器DS18B20是分時完成對環(huán)境溫度的測量的，采用嚴格的時序單片機進行雙向通訊。單片機把溫度信息存在他的固定RAM中。
1.3 超聲波測距的軟件系統(tǒng)
要完成對機器人的位置信息的測量就要求把存儲在單片機RAM內(nèi)的時間信息和溫度信息采集到上位機中，然后把這些信息融合起來得到機器人的確切坐標。工控機與下位機采用串口通訊方式，通訊協(xié)議為MODBUS協(xié)議。同時上位機采用VC 60作為開發(fā)工具，工控機的軟件程序采用模塊化編程，程序主要由串口通訊模塊、三點定位模塊、數(shù)據(jù)庫模塊及界面模塊組成,其循環(huán)通訊的流程如圖2所示。
圖2 循環(huán)通訊流程圖
2 實 驗
2.1 實驗準備
為了驗證程序的可靠性和對比兩種超聲波發(fā)射傳感器在定位過程中的效果，做了水下定位實驗，該實驗是在9 m×7 m的長方形水池中進行的，水深25 cm左右。在實驗之前在水平面內(nèi)建立直角坐標系，同時在r=3 300 mm的圓周上均勻放置三個超聲波接收傳感器，其坐標(單位：mm)分別為(3 300，0)、(-1 650，2 858)、(-1 650，2 858)，在實驗過程中超聲波發(fā)射傳感器在此圓周內(nèi)移動。
根據(jù)以前一系列的實驗結(jié)果，在本次實驗的軟件系統(tǒng)中對測距程序按下式進行了修正：(單位：mm)
И
y=(x－240)/1083 6
(3)
И
2.2 實驗結(jié)果
(1) JSS-03型超聲波發(fā)射傳感器
該傳感器的最佳發(fā)射頻率為10 kHz，發(fā)射面為一個平面，波束角為60°，其指向性很強，在此定位系統(tǒng)中，3個接收傳感器都能夠收到該發(fā)射傳感器的信號，但在其波束角內(nèi)的接收傳感器接收的信號比其他兩個強，這就影響了接收傳感器觸發(fā)時的靈敏性。
如圖3所示，中間的實線圓為經(jīng)過非線性優(yōu)化過的發(fā)射傳感器的移動軌跡，半徑為3 204 mm，這些定位點分散在軌跡圓的周圍，外側(cè)的虛線圓為偏離原點最遠點所在的圓，內(nèi)側(cè)的虛線圓為距離原點最近的點所在的圓，最大誤差為808%，這些誤差主要來自于發(fā)射中心產(chǎn)生的誤差和測距產(chǎn)生的誤差。
圖3 JSS-03型傳感器定位結(jié)果圖
圖4 LYF-20型傳感器定位圖
(2) LYF-20型圓周發(fā)射傳感器
復制的最佳發(fā)射頻率為22 kHz，發(fā)射面為圓柱面，他的優(yōu)點就是對于三個接收傳感器而言發(fā)射中心是固定的，并且他們接收的信號強弱一致，但他的指向性不強，由于信號分散，故其發(fā)射的信號弱于JSS-03型傳感器。如┩4所示。由于從發(fā)射源頭就避免了發(fā)射中心產(chǎn)生的誤差，所以他的定位精度較高，主要誤差來自于測距誤差，其優(yōu)化后的軌跡圓半徑為3 154 mm，最大誤差為378%。在此可以看出，頻率對超聲波的測距是有很大影響的，頻率越大，精度越高。
3 結(jié) 語
從實驗結(jié)果看出，定位系統(tǒng)是可行的，有較高的可靠性，并且本系統(tǒng)的實時性可達1 s，其精度也可以達到我們預期的效果，但是硬件系統(tǒng)還有提升的空間。研究內(nèi)容對水下機器人的定位，信號的采集，數(shù)據(jù)的遠距離傳輸?shù)榷加袇⒖純r值。[LL]
參 考 文 獻
［1］俞竹青.那須康雄.超聲波網(wǎng)絡(luò)導航中移動機器人的位置計算［J］.機器人技術(shù)及應(yīng)用,2002(3):36-39.
［2］桑金.水深測量中的聲速改正問題研究［J］.海洋測繪，2006,26(3):17-20.
篇10
FPGA的硬件資源極為豐富，預留的引腳接口眾多，這也為小車B后功能的升級留有可能性。本文的創(chuàng)新點在于：對傳統(tǒng)的超市手推車的智能化改造：利用FPGA的多傳感器接入：電機PWM的數(shù)字控制精確度高：系統(tǒng)多功能，具有擴展性。
硬件介紹及系統(tǒng)原理
本系統(tǒng)實現(xiàn)了基于FPGA的超市手推車智能跟隨購物的功能，為了實現(xiàn)小車對環(huán)境的感知與小車自動行使的功能、本作品采用了自頂向下的設(shè)計方法，分別針對不同的功能模塊，設(shè)計了相應(yīng)的IP核，在FPGA內(nèi)部完成對數(shù)據(jù)的處理分析。由于系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計思想，系統(tǒng)整體的實時性、可靠性都有所提高，并且功耗降低，體積也滿足了設(shè)計需求。
硬件介紹
基于小車需要對周圍環(huán)境信息的改變做出實時響應(yīng)，系統(tǒng)采用了雙紅外線傳感器與超聲波傳感器采集距離與方向信息，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到FPGA。經(jīng)過FPGA的處理，通過PWM控制減速電機驅(qū)動板產(chǎn)生電機的驅(qū)動信號，最終實現(xiàn)對電機的控制。另外，RFID電子標簽作為智能小車唯一的開啟鑰匙、不但提高了小車使用的安全性，也提高了使用過程中的便捷性。圖l所示為小車硬件設(shè)計的總體框圖。
系統(tǒng)采用的紅外線傳感器是E18-D80NK反射式接近開關(guān)傳感器，是一種集紅外線發(fā)射與接受于一體的輕便型傳感器，可以測量0～80cm之間的障礙物，廣泛應(yīng)用于障礙物監(jiān)測、流水線計數(shù)、門禁系統(tǒng)等多種場合。傳感器自帶電位器旋鈕，可調(diào)節(jié)監(jiān)測距離，并可以輸出TTL的檢測信號給處理器。
系統(tǒng)采用的超聲波傳感器是SRF06型超聲波傳感器，這是一款帶溫度補償、集超聲波收發(fā)功能的全數(shù)字傳感器。可提供3cm-3.5m的非接觸式距離感測功能、包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。該超聲波傳感器采用四引腳與外界通信，其中除去電源與地線以外，還有一個信號輸入/輸出引腳，分別用于啟動傳感器測距與發(fā)送測量信號。該產(chǎn)品具有品質(zhì)好、超快響應(yīng)、抗溫度干擾、與極高的性價比等優(yōu)點。
系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計
系統(tǒng)利用FPGA的可編程及硬件實現(xiàn)上的優(yōu)點，最大限度地利用FPGA的硬件資源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)軟件編程的數(shù)據(jù)采集方法，保證了數(shù)據(jù)采集的準確、高效。系統(tǒng)功能的實現(xiàn)由五個模塊協(xié)同完成、包含了頂層模塊、超聲波啟動信號發(fā)生模塊、超聲波接收信號模塊、左電機PWM模塊以及右電機PWM模塊。系統(tǒng)采用FPGA開發(fā)板上提供的50MHz時鐘作為全局參考時鐘，通過FPGA內(nèi)部的鎖相環(huán)(PLL)對這一全局時鐘進行分頻處理，來滿足對不同模塊的時鐘要求。由于電機供電需要12V電壓驅(qū)動。而FPGA開發(fā)板以及傳感器模塊需要5V電壓供電，系統(tǒng)采用了光耦器件作為電機驅(qū)動板的核心器件，有效地隔離了高電壓(12V)可能對FPGA開發(fā)板及傳感器模塊造成的損害。不同的傳感器需要有相應(yīng)的信號驅(qū)動、這就利用了FPGA的可重復編程的特性，依靠VHDL硬件描述語言對加入的傳感器編寫對應(yīng)的IP核模塊、完成數(shù)據(jù)的綜合采集、處理過程，也使得日后小車功能的升級更加便利。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
系統(tǒng)設(shè)計及工作原理
此部分對系統(tǒng)涉及到的頂層模塊、超聲波啟動信號發(fā)生模塊、超聲波接收信號模塊、左電機PWM模塊以及右電機PWM模塊的編寫及工作原理做了詳細的介紹。
頂層模塊設(shè)計
頂層模塊的主要功能是將以上提到的超聲波啟動信號發(fā)生模塊、超聲波接收信號模塊、左電機PWM模塊以及右電機PWM模塊連接起來，主要使用了元件例化語句使得各個獨立的功能模塊得以連接，成為一個完整的系統(tǒng)。另外，對紅外線傳感器模塊的控制也是在頂層模塊中實現(xiàn)，因為紅外線傳感器采集到的信號是一組開關(guān)量，在頂層模塊中可以很方便地將子模塊中采集到的信號量進行匯總分析，判斷小車的轉(zhuǎn)向。當小車檢測到左或右方向有遮擋時，遮擋一側(cè)的電機仍然是由超聲波信號強度來驅(qū)動，而另一側(cè)的電機則是被賦予一個高電平，意味著電機會被全速驅(qū)動，這樣小車就會前往受到遮擋的一側(cè)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。如果安裝在小車兩側(cè)的紅外線傳感器都沒有受到遮擋，就會以超聲波傳感器的信號驅(qū)動前進。
超聲波啟動信號發(fā)生模塊解析
SRF06型超聲波模塊的啟動需要一個10μs的TTL高電平作為啟動信號，當超聲波模塊啟動以后，模塊內(nèi)部會自動發(fā)送8個40kHz的方波，并自動檢測是否有信號返回。通過測量這期間的時間差就可以計算出物體與小車的距離。
clock是系統(tǒng)參考時鐘，時鐘頻率為50MHz，通過對這一時鐘信號進行分頻，可以把高速時鐘信號降低為與超聲波啟動信號一個數(shù)量級的IP核內(nèi)部時鐘，這樣計數(shù)器在計數(shù)發(fā)送啟動信號時可減少系統(tǒng)資源的開銷。另一方面、由于超聲波的測距過程是一個實時不間斷的過程，因此超聲波也需要定時重復發(fā)送開啟信號，計數(shù)器的另一個功能就是控制信號發(fā)送的頻率間隔，這里定義的是在500ms檢測一次距離的數(shù)據(jù)。
超聲波接收信號模塊
超聲波接收信號的作用是對超聲波測距返回信號的接收，通過接收到的信號計算出物體與小車之間的距離，并將計算后的信號值發(fā)送到驅(qū)動電機的PWM模塊來動態(tài)調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)小車跟人速度的無級調(diào)節(jié)。其中，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，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。
超聲波接收子模塊功能的實現(xiàn)是依靠內(nèi)部分頻器、計數(shù)器、狀態(tài)機以及發(fā)送器這些進程并行實現(xiàn)的。分頻器主要是為狀態(tài)機分頻出進程所需的參考時鐘，由于狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)換主 要是依靠超聲波信號發(fā)生模塊發(fā)出的使能信號作為狀態(tài)轉(zhuǎn)換標志，所以時鐘需要與發(fā)送的使能信號進行匹配后才能準備接受。
計數(shù)器在這個模塊的作用有兩個：其一，當接收信號端口接收到發(fā)送信號端口發(fā)送過來的數(shù)據(jù)時，狀態(tài)機從idle空閑狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)1，在狀態(tài)l中，計數(shù)器啟動計數(shù)，直到接收信號接收端的數(shù)據(jù)發(fā)生跳轉(zhuǎn)，這時狀態(tài)機再次發(fā)生狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)。由狀態(tài)1跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)2，并關(guān)閉計數(shù)器，同時啟動發(fā)送器準備發(fā)送時間數(shù)據(jù)到PWM模塊。其二，計數(shù)器的男一個作用是對狀態(tài)機狀態(tài)3跳轉(zhuǎn)到初始狀態(tài)的控制，因為當數(shù)據(jù)傳遞到發(fā)送模塊以后、需要對狀態(tài)機及時復位，為更新的信號做好準備，這時使用了一個計數(shù)器在10個時鐘周期結(jié)束后，自動調(diào)整狀態(tài)機回歸到初始狀態(tài)。
發(fā)送器的作用主要是連接了控制電機轉(zhuǎn)速的PWM模塊、將通過計數(shù)器得到的時間數(shù)據(jù)以電機控制端口做實時的發(fā)送，并在每一次發(fā)送結(jié)束后自動清零。
電機PWM轉(zhuǎn)速控制模塊
PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在任意一個時刻，滿幅值的直流電是在有或無的概率出現(xiàn)的，只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小，如圖4所示。
電機PWM轉(zhuǎn)速控制模塊內(nèi)部是由兩個分頻器、一個計數(shù)器以及一個數(shù)字比較器組成。分頻器1為數(shù)字比較器提供了所需的時鐘信號，由于控制信號的產(chǎn)生最終要通過光耦元件驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速，而電機驅(qū)動板上的光耦元件是低速光耦，這里的分頻主要是考慮了對光耦能支持的最高速度進行了調(diào)整，保證了電機驅(qū)動信號的完整性。分頻器2為計數(shù)器提供了所需的時鐘信號，考慮到超聲波測量的距離范圍在3cm-3.5m之間，因此可以算出超聲波測距一次的最短與最長時間。根據(jù)這個時間，我們通過分頻器二控制了超聲波讀取數(shù)據(jù)的周期，這樣可以保證超聲波數(shù)據(jù)的有效性與實時性。
計數(shù)器的主要功能是捕獲來自超聲波接收模塊發(fā)出的電機控制使能信號，并啟動計數(shù)器工作，系統(tǒng)設(shè)計的PWM電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是100級轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，所以計數(shù)器采得的數(shù)值也會在0～100之間，當這一使能信號發(fā)生反轉(zhuǎn)，計數(shù)器自動停止工作，清零并將所記得數(shù)值發(fā)送到比較器一端。數(shù)字比較器是PWM控制的核心部分，通過將采得的數(shù)值與一個固定數(shù)值的比較，就可以調(diào)節(jié)高低電平的輸出寬度，這樣就達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。為了實現(xiàn)對小車的行徑路線的360°控制，我們分別對左右輪電機編寫了兩組PWM電機轉(zhuǎn)速控制模塊，獨立控制左右輪電機的轉(zhuǎn)速。
系統(tǒng)仿真結(jié)果
FPGA仿真為數(shù)字系統(tǒng)提供了與設(shè)計芯片功能等價的硬件原型，以接近實際運行速度的方式執(zhí)行設(shè)計模型。利用測試向量或通過真實目標系統(tǒng)產(chǎn)生激勵，驗證和測試芯片的邏輯功能，具有速度快，響應(yīng)真實，并充分考慮了電路的時序要求。因此本設(shè)計中利用Xilinx公司的FPGA開發(fā)軟件ISE10.1對FPGA實現(xiàn)的各部分功能模塊進行功能仿真以及時序仿真，以驗證設(shè)計的正確性。
圖5所示為當超聲波傳感器的輸入端接收到10μs的TTL高屯平后，在超聲波傳感器內(nèi)部會自動產(chǎn)生8個40kHz的方波信號，然后通過接收模塊接收到的反射波來產(chǎn)生一個高電平，這個高電平的時間就是超聲波測到的監(jiān)測距離，通過仿真，我們驗證了功能的實現(xiàn)。
本文利用Digilent公司的Basys開發(fā)板作為開發(fā)平臺，結(jié)合了多傳感器的接入與電機的控制、射頻識別模塊以及對超市小車的機械改造、最終實現(xiàn)了小車的自動跟隨購物，并在此基礎(chǔ)上附加了語音導購功能，圖6是經(jīng)過改造的超市購物小車。
篇11
Hardware System Design Based on Multi-Sensor Intelligent Wheelchair
Hao Minchai
(Shijiazhuang Vocational College,Shijiazhuang 050081,China)
Abstract:High-performance low-cost intelligent wheelchair can greatly improve today's elderly and disabled users of the quality of life,safe and convenient to use people to their destination,during operation,the smart wheelchair can accept user issued the directive,according to the designated routes,so the design of intelligent wheelchair in the perception of the environment is an integral part of this paper,the context-aware intelligent wheelchair part of the multi-sensor system architecture,component design analysis and interpretation.
Keywords:Intelligent wheelchair;Sensor;System;Positioning
一、傳感器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
能夠?qū)崿F(xiàn)智能輪椅的總功能主要有：定位系統(tǒng)，環(huán)境感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和人機交互界面等功能。因此該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中傳感器模塊主要有內(nèi)部狀態(tài)感知和外部環(huán)境感知兩部分構(gòu)成，對于姿態(tài)傳感器主要用來調(diào)整輪椅自身的位姿信息；編碼器傳感器是位移速度和距離獲得自定位的信息采集源；視覺、超聲波和接近開關(guān)主要負責持續(xù)獲得周圍環(huán)境和輪椅位于障礙物的距離等的信息。驅(qū)動控制模塊我們采用電機控制后輪驅(qū)動的方式，在控制器的操作去控制電動輪椅的前進、后退和轉(zhuǎn)向。
圖1：智能輪椅硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
二、多傳感器數(shù)據(jù)采集與處理
該智能輪椅有2個相對獨立的驅(qū)動輪并各自配有電機碼盤。電機碼盤實時進行數(shù)據(jù)檢測構(gòu)成了里程計式相對定位傳感器，并安裝有傾角傳感器和陀螺儀傳感器來測量輪椅在運動過程的姿態(tài)。超聲波傳感器和接近開關(guān)用于感知周圍環(huán)境信息。為能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離的障礙物信息，還配備了超聲波傳感器。還配備了CCD圖像傳感器用于判斷前方行進路程中的深度信息。
三、姿態(tài)傳感器
該智能輪椅設(shè)計采用了一個傾角傳感器和一個陀螺儀的組合來構(gòu)成姿態(tài)傳感器檢測車體平臺的運行姿態(tài)。傾角傳感器用來測量輪椅偏離豎直方向的角度，陀螺儀用來測量角速度。
以TMS320LF2407A為控制核心的運動控制器，根據(jù)編碼器和姿態(tài)傳感器檢測到的平臺運行的位移和姿態(tài)信號，通過一定的控制策略計算出控制量，再經(jīng)脈寬調(diào)制控制及驅(qū)動器放大后驅(qū)動直流電動機運轉(zhuǎn)，隨時調(diào)整車體平臺的運行速度，從而使車體平臺始終保持平衡狀態(tài)。控制電路原理圖如圖2所示。控制板采集來自傾角和角速度傳感器的信號并對信號進行調(diào)理（濾波、整形、偏移），然后將信號傳送到控制板中，經(jīng)過DSP的運算處理（控制算法由電動車系統(tǒng)的數(shù)學模型推導而出），通過DSP的兩路脈寬調(diào)制將控制信號發(fā)出，再經(jīng)過電機驅(qū)動模塊驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，控制輪椅保持平衡狀態(tài)。
圖2：控制電路原理圖
四、多路超聲波測距模塊
本智能輪椅自主避障系統(tǒng)采用超聲波傳感器測量障礙物的距離，工作時，由單片機通過三路信號線選通多路模擬開關(guān)，由多路模擬開關(guān)負責每一路超聲波傳感器的通斷。每一路超聲波傳感器工作時，都由單片機的I/O口發(fā)射出頻率為40kHz，幅值為5V的矩形脈沖信號，經(jīng)過信號放大電路，變成穩(wěn)定的12V矩形脈沖信號，由超聲波發(fā)射換能器發(fā)射出超聲波。超聲波遇到障礙物返回，由超聲波接收換能器接收，經(jīng)過信號濾波放大集成電路，觸發(fā)單片機中斷。由單片機計算渡越時間，從而計算出障礙物的距離。
五、編碼器
編碼器是將信號或數(shù)據(jù)進行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備。編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號，前者稱為碼盤，后者稱為碼尺．接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸導電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”，通過“1”和“0”的二進制編碼來將采集來的物理信號轉(zhuǎn)換為機器碼可讀取的電信號用以通訊、傳輸和儲存。
產(chǎn)生的時鐘頻率是每個輸入序列的4倍，且把這個時鐘作為通用定時器2的輸入時鐘。圖4給出了正交編碼脈沖、增減計數(shù)方向及時鐘的波形。
圖4：編碼器輸出脈沖圖
篇12
Key words： high sensitive ultrasonic sensor；mobile robot；CAN bus
中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）04-0200-02
1 概述
要想使自主移動機器人系統(tǒng)完成避障、環(huán)境地圖的建立、定位、路徑規(guī)劃等任務(wù)，機器人必須具備實時采集環(huán)境信息的能力，而這離不開實時感知環(huán)境信息的傳感器系統(tǒng)的支持。因此在移動機器人中開始越來越多的應(yīng)用各類傳感器，比如超聲波、激光、紅外、視覺等。在移動機器人感知系統(tǒng)中聲吶超聲波傳感器的應(yīng)用最為廣泛，因為其具有處理信息簡單、性價比高、速度快、硬件實現(xiàn)方便等優(yōu)勢。需要注意的是要想實現(xiàn)機器人對環(huán)境的感知，單個超聲波傳感器是無法做到的，因此機器人的感知系統(tǒng)都是多個傳感器組成的，本文超聲波發(fā)射器逐個輪流發(fā)射，但所有接收器同時接收。傳感器布局如圖1所示[1]。
本文采用SensComp 600系列聲吶傳感器，該傳感器具有很強的接收靈敏度，因為它將6500測距模塊和600系列超聲波探頭、探頭中心頻率50kHz整合起來了。該傳感器的觸發(fā)方式有兩種，分別是內(nèi)部觸發(fā)和外部觸發(fā)，I/O接口均兼容TTL邏輯電平，正常工作電壓范圍為6～24VDC[2]，波束角度15° （-6 dB），低響應(yīng)特性 量程：6英寸～35英尺 非常好的接收靈敏度，如圖2。
600系列同時具有發(fā)送和接收聲波的功能。在假設(shè)聲波的傳輸速度不變的情況下，通過測出聲波從發(fā)射點到目標物體往返傳輸所需的時間，就可以測算出距離，超聲波測距數(shù)學公式如式（1）。
式（1）中，D（單位為m）表示聲波發(fā)射點與目標物體的距離；t表示聲波往返發(fā)射點和目標時間。式（2）中，T為絕對溫度；c0為聲波，表示當0℃時，空氣中的傳播速度為331.4m/s。
SensComp 600系列聲吶傳感器的操作模式有單回波模式和多回波模式兩種。在單回波模式下，輸入引腳INIT電平跳變?yōu)楦唠娖綍r傳感器發(fā)送超聲波，然后等待發(fā)送的聲波反回，最后返回的信號被放大，并且在輸出引腳ECHO輸出高電平。從引腳INIT變?yōu)楦唠娖降紼CHO跳變?yōu)楦唠娖降臅r間即為聲波從傳感器到障礙物往返所用的時間。在實際測距的過程中，SensComp 600系列只需采用單回波模式即可。
2 硬件電路設(shè)計
信息采集處理器對于測量系統(tǒng)而言不可或缺，本文設(shè)計中采用的是美國SliconLabrary公司的單片機C8051F040。C8051F×××系列單片機具有很強的兼容性，因為其具有8051兼容的微控制器內(nèi)核。片內(nèi)不僅具有標準8052的數(shù)字外設(shè)部件，還具有數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)等其它的很多數(shù)字外設(shè)部件，這就意味著其具有比標準8052更多的功能。C8051F040采用高速、流水線結(jié)構(gòu)CIP-51內(nèi)核，功能強大。汝100KS/s的12位ADC、控制器局域網(wǎng)控制器（CAN），6個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列，溫度傳感器、可實現(xiàn)硬件的SPI，SMBus/IIC和兩個UART串行口，64KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器等。可通過設(shè)置交叉開關(guān)控制寄存器將片內(nèi)的計數(shù)器/定時器、串行總線、硬件中斷、ADC轉(zhuǎn)換啟動輸入、比較器輸出以及微控制器內(nèi)部的其它數(shù)字信號配置在端口I/O引腳。該特性決定了用戶可以依據(jù)自己的特定應(yīng)用選擇通用端口I/O和所需數(shù)字資源的組合。因此選用此單片機完全能滿足設(shè)計要求。
根據(jù)自主移動機器人在復雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中工作的功能要求進行設(shè)計，將各個功能模塊化設(shè)計，控制系統(tǒng)組成如圖3所示。
整個移動機器人控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收由CAN總線實現(xiàn)。超聲波測距和其它傳感器模塊通過CAN總線實現(xiàn)與主控制器DSPIC30F4011指令的接收和測量結(jié)果的反饋，主控制器對超聲波測距模塊、其它傳感器模塊采集到的信息進行融合，識別當前環(huán)境，從而控制命令對驅(qū)動電機進行控制以實現(xiàn)機器人避障導航。
DSPIC30F4011屬于16位單片機，是Microc hip公司新推出的DSPIC30F系列中的一款。由于DSPIC30F4011將單片機和DSP有機的結(jié)合在一起，揚長避短，使得DSPIC30F4011不僅具有單片機的所有優(yōu)勢，還具有DSP的高速運算能力。片上集成的CAN模塊，可以實現(xiàn)其與其它數(shù)字信號控制器或CAN模塊的通信，并且通信不受周遭環(huán)境的干擾，DSPIC30F4011單片機上集成的CAN模塊也是一個通信控制器，可以實現(xiàn)BOSCH規(guī)范中定義的CAN 2.0 A/B 協(xié)議。
3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
在程序開始運行時首先要進行輸入輸出初始化，然后對CAN網(wǎng)絡(luò)初始化。在CAN網(wǎng)絡(luò)初始化后，各個控制器才會遵循CAN2.0B通訊協(xié)議。對CAN總線上的信息進行接收。如圖4所示。
C8051F040有6個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列，PCA捕捉中斷程序，流程圖如圖5，其目的是完成超聲波傳輸時間檢測，PCA設(shè)置為上升沿捕捉模式。在超聲波傳感器引腳INIT上升沿起，PCA開始計時，當PCA的引腳跳變?yōu)楦唠娖綍r，即傳感器ECHO變?yōu)楦唠娖綍r計時結(jié)束。但如果超過一定時間一直沒有收到回波，就要重新進行下次測量。
4 系統(tǒng)精度測量對比數(shù)據(jù)
為標定系統(tǒng)測量精度，采用硬平木板作為障礙物進行測量，并用鋼卷尺測量實際距離。在前左方45度角，前右方45度角，左側(cè)，右側(cè)，后方左側(cè)45度角，后方右側(cè)45度角進行測量精度試驗，系統(tǒng)測量范圍為15cm～200cm，驗證多傳感器自主移動機器人對環(huán)境的感知情況。由于門電路延時等原因，測量距離要大于實際距離。超聲波測距系統(tǒng)測量值與實際值數(shù)據(jù)比較，具體如表1表示。
5 結(jié)論
設(shè)計了一種基于CAN總線通訊的多傳感器測距的自主移動機器人控制系統(tǒng)，制定了CAN總線的通信協(xié)議。采用SensComp600聲吶傳感器和單片機C8051F040設(shè)計實現(xiàn)了測距，只需很少的硬件即可。不足之處是，由于SensComp600聲吶傳感器受溫度影響較嚴重，改系統(tǒng)中沒有進行溫度補償，會影響實際的測量數(shù)值。另外單片機C8051F040功能沒有全部使用，可以設(shè)計更多功能，來擴展該系統(tǒng)。
參考文獻：
[1]李亞楠，王金柱，馬繼存，孫文理.基于C8051F352單片機的彈道參數(shù)測量系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015-05-20.
篇13
文章編號：1004-373X(2011)17-0137-04
Design of Solar Ultrasonic Guide Device
WU Fei-bin, ZHANG Jin-ping, CHEN Wen-juan
(College of Physical Science and Technology, China University of Petroleum, Qingdao 266555, China)
Abstract： In order to help blind people overcome the difficulties of walking inconvenience, the design method and work principle of solar ultrasonic guide device based on single-chip microcomputer is introduced. This design includes five modules such as main control circuit, temperature compensation, voice alarm, range setting and the solar power function. Its characteristics include that the temperature compensation technique can improve the guide accuracy; the solar power module is energy-efficient which can overcome the difficulty of charging inconvenient; the intelligent alarm module can improve the use effect of guide device.
Keywords： solar energy; temperature compensation; ultrasonic distance measurement; guide device
0 引 言
為了更好地幫助盲人行走，各科研機構(gòu)研制了各種電子導盲設(shè)備。傳統(tǒng)電子導盲裝置存在以下不足：使用普通電池，工作時間短，需要頻繁更換電池；傳感器受外界影響較大，探測精度不高；操作復雜，并且造價昂貴。
超聲波［1］測距是一種非接觸式檢測方式，利用其可測范圍廣，不受光線和被測物體顏色的影響等優(yōu)勢，可以解決很多問題，在工業(yè)控制、勘探測量、精確定位和交通安全等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用［2-5］。目前超聲測距實現(xiàn)方便，計算簡單，容易實現(xiàn)實時控制，并且在測量精度［6］上能達到使用的要求，因此可以很好地使用于導盲器的研制中。
1 超聲波傳感器及測距的原理
超聲波是指頻率高于20 kHz的機械波，超聲波傳感器是在超聲波頻率內(nèi)將交變的電信號轉(zhuǎn)換成聲音信號或者將外界聲場中的聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕哪芰哭D(zhuǎn)換器件，習慣上稱為超聲波換能器，或是超聲波探頭。超聲波探頭材料是壓電晶體或壓電陶瓷，這種探頭統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭，利用壓電材料的壓電效應(yīng)來工作的，其壓電效應(yīng)具有可逆性。逆壓電效應(yīng)是將高頻脈沖轉(zhuǎn)換成高頻機械振動，以產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭。正壓電效應(yīng)是將高頻機械振動轉(zhuǎn)化成高頻電脈沖，可接收超聲波信號，作為接收探頭。
超聲波測距的原理一般是回波渡越時間法，即檢測從超聲波發(fā)射探頭發(fā)射的超聲波，經(jīng)空氣介質(zhì)的傳播，與其遇到障礙物后產(chǎn)生回波，并被超聲波接收探頭接收的時間差Δt，即渡越時間，求出聲源到障礙物的距離S，計算公式為：
2 實驗裝置與控制方法
本項目研究的太陽能超聲波導盲器從功能上分為太陽能供電、語音報警、量程設(shè)置、溫度檢測、主控制系統(tǒng)等五個模塊，其原理框圖如圖1所示。
太陽能電池板固定在導盲器支架頂端，通過驅(qū)動電路連接到可充電的鎳氫電池為導盲器提供5 V直流電。超聲波傳感器和溫度傳感器固定在導盲器支架前端，分別連接到主控制電路上。使用時，先選擇量程，打開開關(guān)，溫度傳感器檢測環(huán)境溫度，并將檢測到的溫度信號傳輸給單片機，單片機對超聲波傳播速度進行修正。在量程范圍內(nèi)，當超聲波信號遇到障礙物時，信號被反射回來，并被超聲波傳感器接收。信號發(fā)射到接收的時間差與障礙物的位置有關(guān)，單片機通過分析超聲波發(fā)射到返回的時間差，可以計算出障礙物的距離，并執(zhí)行報警程序，語音報警聲可以通過耳機接線口連接到耳機。
2.1 主控制模塊
主控制模塊主要由單片機進行控制，包括了超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路，由于要實現(xiàn)遠距離測量，而超聲波在空氣中傳播，其能量會隨傳播距離的增大而減小，從遠距離傳播回來的信號比較弱，需要經(jīng)過多級信號放大。
2.1.1 超聲波發(fā)射電路
發(fā)射電路主要由反向器74LS04和TCT40-1F超聲波發(fā)射傳感器構(gòu)成，單片機P2.0端口輸出的40 kHz方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波傳感器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波傳感器的另一個電極。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上拉電阻既可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動能力，也可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間。其原理圖如圖2所示。
2.1.2 超聲波接收電路
超聲波接收器采用與發(fā)射器相配對的TCT40-2S，將超聲波調(diào)制脈沖轉(zhuǎn)換為40 kHz的電壓信號。集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，內(nèi)置前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器、整型電路等。其中前置放大器具有自動增益控制功能，可保證在超聲波接收較遠反射信號而輸出微弱電壓時，放大器有較高的增益，而在近距離輸入信號強時，放大器不會過載。考慮到紅外遙控常用的載波頻率為38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路，如圖3所示。利用CX20106A接收超聲波，具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。
2.2 溫度補償模塊
由于超聲波屬于聲波范圍, 其波速v與溫度有關(guān), 聲波速度受溫度影響較大。其傳播速度與溫度T的關(guān)系為:
增加溫度傳感器，檢測裝置工作時的溫度，將接收到的溫度信息傳至單片機，對超聲波的速度進行溫度補償,可以校正超聲波的傳播速度, 提高測量精確度。利用集成溫度傳感器 DS18B20和AT89S52單片機為主體, 可以構(gòu)成一個高精度的數(shù)字溫度檢測系統(tǒng)［7］，其電路如圖4所示。DS18B20溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器不同，它能夠直接讀出被測的溫度值，并且可根據(jù)實際要求，通過簡單的編程，實現(xiàn)9~12位的A/D轉(zhuǎn)換。因而，使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，同時可靠性更高。
2.3 語音報警模塊
普通導盲器的報警方式比較簡單，或者是單一的蜂鳴器報警，或者只有語音報警，二者都存在缺陷。結(jié)合兩種報警方式，設(shè)置蜂鳴器和語音芯片作為聲音報警器，使用者若選用語音芯片，系統(tǒng)可根據(jù)距離探測的結(jié)果語音報出障礙物的距離，也可以根據(jù)需要選擇蜂鳴器直接報警。在近距離模式中，可以用蜂鳴器的頻率來表示距離的遠近，遠的時候采用低頻率的蜂鳴聲，近的時候采用頻率高的蜂鳴聲，使用者可以根據(jù)聲音頻率的高低快速準確地判斷前方障礙物的大致距離。在遠距離模式中，采用語音報警模式來表示前方障礙物的距離，語音報警模塊采用的語音芯片是WT588D。
語音系統(tǒng)的原理框圖如圖5所示，分語音存儲和語音播放兩部分。系統(tǒng)利用單片機進行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)處理轉(zhuǎn)換為可判斷語音芯片播放哪段語音的判斷信號。然后驅(qū)動耳機播放聲音信號，利用WT588D VoiceChip軟件可以對語音芯片進行編輯、聲音錄入等操作［8］。
2.4 量程設(shè)置模塊
本裝置預設(shè)遠距、中距、近距三個量程用來控制報警的距離，系統(tǒng)初始報警距離為近距1 m，按中距和遠距按鍵可分別將初始報警距離設(shè)為3 m和6 m。
2.5 太陽能供電模塊
通過太陽能光伏電池發(fā)出的直流電驅(qū)動系統(tǒng)，并以可充電的鎳氫電池作為積蓄太陽能發(fā)電板的剩余電力的設(shè)備。太陽能供電模塊由太陽能電池、太陽能控制器、蓄電池和DC-DC轉(zhuǎn)換器等組成，如圖6所示。太陽能控制器可以控制蓄電池對太陽能的采集和儲存的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到保護作用，延長蓄電池使用壽命。
3 算法設(shè)計與實驗結(jié)果分析
3.1 算法設(shè)計
本裝置軟件的控制核心為AT89S52單片機［9］，單片機通過讀取量程設(shè)置值和溫度值對初始設(shè)置狀態(tài)進行修改，控制發(fā)射超聲波，同時啟動定時器計時，為了避免接收傳感器直接接受發(fā)出的超聲波，可在發(fā)射超聲波后設(shè)置一段延時。當超聲波探測器探測到回波時，計時器停止計時，讀取時間差，根據(jù)回波測距原理計算出障礙物距離，并執(zhí)行報警程序［10］，程序流程圖如圖7所示。由于采用的是12 MHz的晶振，計數(shù)器每個計數(shù)就是1 μs，當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數(shù)器T0中的數(shù)(即超聲波來回所用的時間)按式(3)計算，即可得被測物體與測距器之間的距離S，假設(shè)溫度為20 ℃，則對應(yīng)聲速v為344 m/s,則有:
3.2 實驗結(jié)果分析
試驗中選用一紙箱作為障礙物，將報警模塊換為液晶顯示器進行定量測量，不同氣溫下在同一點位置測量5個值，添加溫度補償和量程選擇，得到如表1所示結(jié)果。
由此可以看出，本實驗的相對誤差較小，但是由于盲區(qū)的出現(xiàn)，所測的結(jié)果不能與標準值完全相等。并且當障礙物距離比較近時，測量精確性較高；障礙物較遠時，精確性相對較低；這是由于距離較遠時，超聲波回波信號較弱，噪聲較大，容易產(chǎn)生誤差。
4 結(jié) 語
目前導盲器的研究較多，本實驗提出的設(shè)計方案特點是以太陽能作為系統(tǒng)的動力來源，采用半導體數(shù)字溫度傳感器實現(xiàn)對單片機超聲波測距系統(tǒng)的溫度測量和補償，從而對聲速進行補償，對引起測量誤差的因素進行修正處理，可以提高導盲器的導盲精度及靈敏度。由于預留了單片機引腳，便于進行功能拓展，同時導盲器系統(tǒng)以模塊化進行組裝，適宜增加其他功能模塊。例如可以添加GPS定位器，可以幫助盲人家屬及時了解盲人的行蹤，避免盲人走失。而且本設(shè)計具有操作簡便、體積較小等優(yōu)點,因此可以很好地應(yīng)用于實際生活中。
參 考 文 獻
［1］沈常宇,郭寶金.相位比較法高精度超聲測距研究［J］.傳感技術(shù)學報，2010,26(6)：893-895.
［2］李雄兵,徐志農(nóng),胡宏偉,等.曲面共建超聲測量中探頭自動對正的研究［J］.中國機械工程，2008,19(11)：1289-1292.
［3］王旭,黃勝宇,龐聰,等.基于無線傳感器的室內(nèi)防爆救援系統(tǒng)［J］.電子科技大學學報，2010,39(4)：107-110.
［4］熊春山,彭剛,黃心漢,等.基于超聲測距的三維精確定位系統(tǒng)與設(shè)計［J］.自動化儀表，2001,22(3)：7-10.
［5］仇成群,胡天云.基于單片機的汽車倒車防撞報警系統(tǒng)設(shè)計［J］.現(xiàn)代制造工程，2011(11)：111-114.
［6］孟慶浩,蘭少瑩,姚振靜,等.基于混沌脈沖位置調(diào)制的實時超聲測距系統(tǒng)串擾抑制［J］.電子學報,2008,36(11)：2268-2273.
［7］李鐘靈,劉南平.電子元件檢測與選用［M］.北京：科學出版社,2009.
［8］肖炎根.基于超聲波的語音測距儀的設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù),2008,31(11):127-130.
［9］龍威林,楊冠聲,胡山.單片機應(yīng)用入門：AT89S51和AVR［M］.北京:化學工業(yè)出版社,2008.
