超聲波與紅外線探測(cè)技術(shù)的測(cè)距定位系統(tǒng)

1、 304 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制. 2005. 13（4） Computer Measurement &Control收稿日期：2004-11-05； 修回日期：2004-12-02?；痦?xiàng)目：本研究屬校企聯(lián)合攻關(guān)項(xiàng)目。作者簡(jiǎn)介：羅慶生（1956-），男，博士，副教授，博士生副導(dǎo)師，主要從事微小型系統(tǒng)研究、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)、機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和機(jī)械CAN /CAM 等工作，發(fā)表論文130余篇。韓寶玲（1957-），女，安徽合肥人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師。主要從事微機(jī)電系統(tǒng)研究、計(jì)算機(jī)圖學(xué)教育、機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)等工作，發(fā)表論文90余篇。文章編號(hào)：1671-4598（2005）04-0304-03

2、 中圖分類號(hào)：TP212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A一種基于超聲波與紅外線探測(cè)技術(shù)的測(cè)距定位系統(tǒng)羅慶生1，韓寶玲2（1. 北京理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100081；2. 北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院，北京100081）摘要：為了研制出性能較好、精度較高、結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)、成本較低的測(cè)距定位裝置，特采用超聲波傳感器和紅外線傳感器組成新型測(cè)距定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了超聲波傳感器和紅外線傳感器的功能互補(bǔ)，克服了單一傳感器探測(cè)系統(tǒng)的不足，使系統(tǒng)的測(cè)距精度和定向精度有了明顯提高。同時(shí)，系統(tǒng)還采用了單片機(jī)控制技術(shù)，使其具有良好的擴(kuò)展性，從而增進(jìn)了該測(cè)距定位系統(tǒng)在工程領(lǐng)域的實(shí)用性。關(guān)鍵詞：超聲波測(cè)距技術(shù)；紅外線定位技術(shù)；測(cè)距定位系統(tǒng)

3、Distance and Azimuth Testing System Based on Ultrasonicand Infrared Detecting TechnologyLuo Qingsheng 1，Han Baoling 2（1. College of Mechatronics Engineering ，Beijing Institute of Technology ，Beijing 100081，China ；2. College of Machine and Vehicle Engineering ，Beijing Institute of Technology ，Beijing

4、 100081，China ）Abstract ：In order to excogitate a measuring distance and confirming orientation device which has preferable performance and reliable precision and concise structure ，we adopt the ultrasonic sensors and infrared sensors to make up of a new measuring distance and confirming orientation

5、 system ，thus ，we realize the function expiation between the ultrasonic sensors and the infrared sensors ，and surmount the shortage of the system which has only one kind of sensors ，therefore ，we improve the system ，s precision of measuring distance and confirming orientation markedly. Simultaneity

6、，the sys-tem adopts the singlechip control technology ，it makes the system possess favorable expansibility ，thereby ，the system gains the practicability in engi-neering field.Key words ：ultrasonic measuring distance technology ；infrared confirming orientation technology ；measuring distance and confi

7、rming orientation system0 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：“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(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

8、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)?；谏鲜隹紤]，本文開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手段與其他視覺工具（如CC D 圖像傳感器）配合使用，可有效提高機(jī)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(jī)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(dòng)型等；機(jī)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

9、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。圖2 超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)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1。圖1 超聲波發(fā)生器外觀結(jié)構(gòu)第4期羅慶生，等：一種基于超聲波與紅外線探測(cè)技術(shù)的測(cè)距定位系統(tǒng)305=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)

10、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5º的紅外線傳感器。相對(duì)于超聲波傳感器，其定向精

11、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

12、。圖3 系統(tǒng)總體框圖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。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CMO S 8位微控制器，可與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)80C

13、51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。4. 1. 1 復(fù)位電路設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的復(fù)位電路應(yīng)具有上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位功能。由于復(fù)位電路易受噪聲干擾，故在設(shè)計(jì)時(shí)，一要保證整個(gè)系統(tǒng)可靠復(fù)位；二要使之具有一定的抗干擾能力，這可通過以下設(shè)計(jì)加以保障。（1）復(fù)位電路RC 參數(shù)的選擇：微控制器的復(fù)位脈沖高電平必須大于2個(gè)機(jī)器周期，若系統(tǒng)選用6MHz 晶振，則1個(gè)機(jī)器周期為2µs ，那么復(fù)位脈沖寬度最小應(yīng)為4µs 。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到電源穩(wěn)定時(shí)間、參數(shù)漂移、晶振穩(wěn)定時(shí)間以及復(fù)位可靠性等因素，必須留有足夠的余量。圖4是利用RC 充

14、電原理實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位的電路原理圖。實(shí)踐證明，上電瞬間RC 電路充電，RESET 引腳端出現(xiàn)正脈沖。只要RESET 端保持10µs 以上的高電平，就能使微控制器有效復(fù)位3。圖4 復(fù)位電路原理圖圖5 電源階躍擾動(dòng)示意圖應(yīng)當(dāng)指出，在圖4（a ）所示電路中，非門的最小輸入高電平U' IH =2. 0V ，因而當(dāng)充電時(shí)間t =0. 6RC ，則充電電壓U C =0. 45V CC =0. 45×5V 2V ，其中t 為復(fù)位時(shí)間。由于在該電路中，有R =1k 和C =22µF ，則有t =0.6×103×22×10-6=13ms 。（2）復(fù)

15、位電路的可靠性和抗干擾設(shè)計(jì)4：微控制器復(fù)位端口的干擾主要來(lái)自電源和按鈕傳輸線串入的噪聲。這些噪聲雖然不會(huì)完全導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位，但有時(shí)會(huì)破壞CPU 內(nèi)的程序狀態(tài)字的某些位的狀態(tài)，對(duì)控制產(chǎn)生不良影響。以圖4為例，電源噪聲干擾過程如圖5所示，其中u 代表噪聲源，為了分析方便起見，設(shè)u 為階躍擾動(dòng)。圖5中分別繪出了A 點(diǎn)和B 點(diǎn)的電壓擾動(dòng)波形。306計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制 第4=期圖6 晶體振蕩/陶瓷振蕩電路由圖5可以看出，圖5（a ）實(shí)質(zhì)上是個(gè)低通濾波環(huán)節(jié)（慣性滯后環(huán)節(jié)），對(duì)于脈寬小于3的干擾信號(hào)有很好的抑制作用；圖5（b ）實(shí)質(zhì)上是個(gè)高通濾波環(huán)節(jié)（微分超前環(huán)節(jié)），對(duì)脈沖干擾沒有抑制作用。由此可見，對(duì)于圖4所

16、示的兩種復(fù)位電路，圖5（a ）的抗電源噪聲的能力要優(yōu)于圖5（b ）。但為了精簡(jiǎn)系統(tǒng)電路，在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，還是采用了圖5（b ）所示的復(fù)位電路。4. 1. 2 振蕩器電路設(shè)計(jì)晶振設(shè)計(jì)是單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)之一，通?？捎脙煞N方式產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘信號(hào)。一種為內(nèi)部方式，主要利用單片機(jī)內(nèi)部的反相器作振蕩電路，具體接法如圖6所示。該方式利用外接晶體作定時(shí)單元。晶體的頻率范圍在1. 212MHz 之間任選。電阻R S 用來(lái)防止晶振被過分驅(qū)動(dòng)。在晶體振蕩下，電阻R F 10M 。圖中并聯(lián)的兩個(gè)小電容可在530pF 之間選擇，起頻率微調(diào)的作用，當(dāng)V DD >4. 5V 時(shí)，建議C 1=C 230

17、pF （C 1為相位調(diào)節(jié)電容；C 2為增益調(diào)節(jié)電容）；另一種為外部方式，此方式的時(shí)鐘源直接來(lái)自外部硬件電路（見圖7）。對(duì)此電路來(lái)說，MCS -51系列單片機(jī)可使用已集成在片內(nèi)的振蕩器，亦可使用由TTL 門電路構(gòu)成的簡(jiǎn)單振蕩器電路。由于內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器是一個(gè)二分頻的觸發(fā)器，所以對(duì)外部振蕩源要求不嚴(yán)，通常是產(chǎn)生1. 212MHz 的方波。當(dāng)外接振蕩器時(shí)，外部振蕩信號(hào)從XTAL1端，即內(nèi)部三相波形發(fā)生器的輸入端輸入，XTAL2端可浮空。圖7 外部晶體振蕩電路圖7所示為一種典型的外部并行諧振振蕩電路。該電路主要應(yīng)用晶體的基頻來(lái)設(shè)計(jì)。其中，74AS04反相器用來(lái)實(shí)現(xiàn)振蕩器所需的180º相移，4.

18、 7k 的電阻用來(lái)提供負(fù)反饋給反相器，10k 的電位器則用來(lái)提供偏壓，從而使反相器74AS04工作在線性范圍內(nèi)5。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(lái)設(shè)計(jì)。其中，74AS04反相器用來(lái)提供振蕩器所需的180º相移，330的電阻用來(lái)提供負(fù)反饋，同時(shí)偏置電壓。4. 1. 3 RC 振蕩RC 振蕩適合于對(duì)時(shí)間精度要求不高的低成本應(yīng)用。RC 振蕩頻率隨電源電壓V DD 、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(duì)不同芯片而言其振蕩器頻率將有所不同。另外，當(dāng)外接電容C EXT 值較小時(shí)，對(duì)振蕩器頻率的影響更大。同時(shí)，電阻

19、電容本身的容差對(duì)振蕩器頻率也有影響。圖9所示為RC 振蕩電路，如果R EXT 低于2. 2k ，振蕩器將處于不穩(wěn)定工作狀態(tài)，甚至停振。而R EXT 大于1M 時(shí)，振蕩器又易受噪聲、濕度、漏電流的干擾。因此，電阻R EXT 取值最好在3100k 范圍內(nèi)。在不接外部電容時(shí)，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(shí)鐘輸入，并選取6MHz 時(shí)鐘頻率作為系統(tǒng)時(shí)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(diǎn)，是一種較為適宜的設(shè)計(jì)選擇。4. 2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)在本測(cè)距定位系統(tǒng)中，系統(tǒng)電路可分成三部分，

20、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(jì)思路及設(shè)計(jì)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p1. 0來(lái)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(jí)放大器把信號(hào)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 超聲波檢波電路（下轉(zhuǎn)第334頁(yè)）334計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制第4=期2http ：/www. us. schindler. com /SEC /websecen.

21、 nsf /pages /elev -MHR -Mic10-01，2004.3Kim C B ，Seong K A ，Lee -Kwang H ，et al. Design and implementa-tion o f a fuzzy elevator group control system J . IEEE Trans. on Sys-tems ，Man ，and Cybernetics ，Part A ，1998，28（3）：277-287. 4李中華，毛宗源，鄔依林. 一種新的基于模糊控制的電梯群控策略J . 控制與決策，2004，19（8）：857-862.5Y. Sogawa ，

22、Ishikawa T ，Igarashi K. Supervisory control for elevatorgroup by using fuzzy expert system which addresses the riding time A . Proceeding s of the 22nd International Conference on Industrial Electron-ics ，Control ，and I nstrumentation C . 1996，%419-424.（上接第306頁(yè)）圖13 經(jīng)外線發(fā)射電路 圖14 紅外線接收電路 圖15 系統(tǒng)顯示電路圖16 系統(tǒng)程序框圖圖12所示為超聲波檢波電路。在該電路中，超聲波脈沖信號(hào)被整流為正相信號(hào)（經(jīng)測(cè)試，該正相信號(hào)近似于直流信號(hào)），此正相信號(hào)轉(zhuǎn)入電路中的電壓比較器，引起比較器輸出腳（即單片機(jī)的INT0腳）電壓跳變，由此即可判斷是否有回波信號(hào)存在。4. 2. 2 紅外線產(chǎn)生與接收電路2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(hào)，當(dāng)三極管的基極有電流時(shí)，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(dāng)接收到反射紅外線信號(hào)時(shí)，光敏二極管的電阻將被降低，