超声波障碍物测距系统的设计与研究学士学位论文.docx
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超声波障碍物测距系统的设计与研究学士学位论文
分类号：
TP274.53UDC：
D10621-408-（2012）1938-0
密级：
公开编号：
2008033026
成都信息工程学院
学位论文
基于超声波的障碍物检测系统设计与研究
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工学学士
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基于超声波的障碍物检测系统设计与研究
摘要
在实际工作中，有很多人类不适宜进入的工作环境，这时使用智能机器人代替人类完成工作是一个很好的选择，然而这些环境往往很复杂，智能机器人的自动避障系统就成了一个关键技术，超声波对电场、磁场、光信号等具有极强的抗干扰能力，因此能够被应用于非常复杂的环境中，使用超声波检测障碍物的原理简单，实现过程方便，因而被广泛应用于机器人的避障系统，本课题设计了一种使用超声波测距的电路，并对电路进行了测试和分析，实现了检测障碍物并通过LED显示其距离的功能，还提出了一种使用软件修正音速的方法，比使用传感器拥有更简单更精确的优势。
关键词：
超声波测距；障碍物检测；机器人避障
TheDesignandResearchofObstaclesTestingSystemBasedonUltrasonic
Abstract
Inpracticalwork,therearemanyenvironmentswhichnotsuitableforhumantoworkin,thenusingintelligentrobotstofinishtheseworksinsteadofhumanisaverygoodchoice,howevertheseenvironmentsareoftenverycomplex,theIntelligent-Robots-Automatic-Obstacle-Avoidance-Systemwillbecomeakeytechnology,ultrasonichaveextremelystronganti-jammingabilitytoelectricfield,magneticfield,lightsignals,etc,soitcanbeusedinverycomplexenvironment,theprincipleofultrasonictestingobstacleissimpleanditeasytobeapplied,soitwaswidelyusedinRobot-Obstacle-Avoidance-Systems,thistopicdesignedakindofrangingcircuitusingultrasonicandtestandanalysisofthecircuit,realizingthefunctionofobstacledetectionthedistanceanddisplayedbyLED,andputsforwardamethodofusingsoftwarefixedvoicespeed,itismoresimpleandmoreaccuratethanusingsensors.
Keywords:
Ultrasonicranging;Obstacledetection;Robotobstacleavoidance
论文总页数：
30页
1引言
1.1课题背景
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声经常用于距离的测量和障碍物检测等，如测距仪和物体位置测量仪等都可以通过超声波来实现。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算比较简单。
所以超声波测距法是一种非常简单常见的方法，经常被应用在机器人平台上进行近距离测量。
超声波作为一种特殊的声波，具有声波传输的基本物理特性—折射，反射，干涉，衍射和散射。
超声波检测障碍物是利用其反射特性，当发出的超声波遇到障碍物时会被障碍物反射，超声波接受探头接收到信号并经过单片机处理后送给机器人平台进行处理，为机器人平台提供障碍物的距离、速度、以及方位等信息。
1.2超声波应用的优势
与同类测距方法相比，超声波测距法具有以下优势：
1）相对于声波，超声波有定向性较好、能量集中、在传输过程中衰减较小、反射能力强等优势。
2）和光学方法相比，超声波的波速较小，可以直接测量较近的目标，纵向分辨率高；对色彩、光照度、电磁场不敏感，被测物体处于黑暗、烟雾、电磁干扰、有毒等比较恶劣的环境有一定的适应能力。
特别是在海洋勘测具有独特的优点。
3）超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，便于小型化和集成化。
随着科学技术的快速发展，超声波的应用将越来越广泛。
但就目前技术水平来说，人们利用超声波的技术还十分有限，因此，这是一个正在不断发展而又有无限前景的技术。
1.3本课题研究的意义
在实际工作环境中，很多场所是不适宜人类进入的，这时就要用到机器人。
使用智能机器人代替人类去进行这些工作是很有效率的，因为它们对环境的适应力要远远大于人类，但是这些环境往往很复杂，因此机器人的障碍物规避系统的设计就显得非常重要，超声波因为它的各种优势而经常被运用于机器人的障碍物规避系统中，本课题设计的超声波测距电路可以检测到障碍物并测出距离，为机器人平台提供障碍物的各类信息，让机器人能够在复杂的环境中规避障碍物从而顺利的完成人类交给它的工作任务。
通过本课题的研究，将所学到的知识用在实践中并有所创新和进步。
该设计需要设计者有较好的数电、模电知识，并且有一定的编程能力，综合运用所学的知识实现对超声波发射和接收信号进行控制，通过单片机程序对超声波信号进行相应的分析、计算、处理最后显示在LED数码管上。
1.4本课题的研究方法
本设计选用TCT40-16T/R超声波传感器。
在了解超声波测距原理的基础上根据原理设计超声波测距模块的硬件结构电路。
对设计的电路进行分析和波测距的方法测量物体之间的距离。
具体设计一个基于单片机的超声波测距器，包括单片机控制电路，发射电路，接收电路，LED显示电路和串口下载电路。
整个模块采用单片机控制，汇编语言编程。
2超声波测距原理
2.1超声波发生器
超声波发生器总体上讲可以分两大类：
一类是电气方式产生超声波，包括压电型。
磁滞伸缩性和电动型等；另一类是机械方式产生超声波，包括加尔统笛、夜哨和气流旋笛等。
他们在工作原理、发生的超声波的频率、功率和声波特性方面都各有区别。
目前主流的是压电式超声波发生器。
2.2压电式超声波发生器原理
这种超声波发生器的工作原理利用了压电晶体的压电效应（如图2-2-1），即是在压电晶体的两极加上脉冲信号，压电晶体就会随着脉冲产生形变，就产生了超声波；反之，若两极不加脉冲信号，而晶体接收到声波或其他原因产生了形变，则会将机械能转变成电信号，这就成了超声波接收器了。
2.3超声波测距原理
图2-3-1为超声波测距原理示意图，超声波发生器发出超声波的同时开始计时，当接收器接收到反射回来的时候停止计时，结合声音在空气中的传播速度（约等于344m/s）,那么就可以根据公式
计算出障碍物距离发射点的距离了。
3超声波测距电路硬件设计
3.1超声波发射电路
超声波发射电路采用四反相器74ls04经过两次反向驱动超声波发射探头的一极，另一极采用一次反向来驱动。
电路图如图3-1-1所示。
R2和R3均为1K,U3A为一级反向器，U3C和U3D组成二级反向，U3B和U3E为另一极的一级反向。
这样通过两极的反向器之后，不管是电压还是电流都大大增加，因此发射功率得到了大幅度的增强。
3.2超声波接收电路
如图3-2所示，超声波的接收电路采用了超声波接收芯片CX20106A来实现超声波接收信号的放大和滤波作用，CX20106A是超声波接收专用芯片，它共有8脚：
1脚是超声波信号输入端，其输入阻抗约为40K。
2脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个集成部分，改变他们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。
增大电阻R5或减小电容C15将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。
但是C15的改变会影响频率特性，一般在实际应用中不必改动，因此此处选择R5为4.7欧姆，C15为3.3微发。
3脚与地之间连接检波电容，电容量大则为平均值检波，瞬间响应灵敏度低；若电容量小，则为峰值检波，瞬间响应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，此处选用3.3微发电容。
4脚为接地端。
5脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率，阻值越大，中心频率越低。
此处取R6为220K，中心频率约为38kHz。
6脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF,如果该电容取的太大，会使探测距离变短。
7脚是遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该脚必须接一个上拉电阻到电源，此处采用R7=220K，当接收到超声波信号时，该脚输出低电平，否则输出高电平。
8脚为电源正极，输入4.5V到5V电源电压。
3.3单片机选用及单片机最小系统
本文采用STC公司生产的STC89C52单片机（如图3-3-1），STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。
它具有以下标准功能：
8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。
另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。
单片机要工作除了需要外接电源外还需要外接时钟电路以及复位电路，这些构成了最小单片机系统，如图3-3-2所示，Y1为12M石英晶振，C12和C13均为30pF，C10和R4组成单片机复位电路，C10为10微发，在C10两端接复位按钮K1，当K1按下时，单片机的RST引脚接收到高电平，单片机复位，松开K1，单片机RST引脚处于接地状态，单片机正常工作。
3.4单片机串口下载电路
为了方便调试，本文为超声波测距模块设计了串口下载电路，串口下载电路采用了MAX232CPE电平转换芯片（如图3-4-1所示）作为主要器件，MAX232CPE完成232电平与TTL电平转换，提供一个本地接口，为调试和维护提供方便。
TXD接SX52的RA2脚，RXD接SX52的RA3脚，RS-RXD和RS-TXD是RS232电平，为标准串口电平。
数据可以从串口输入到单片机SX52，SX52再把数据送到RTL8019AS传出去。
串口下载电路的具体电路图如图3-4.2所示，J2为串口转接线插头，9脚和10脚分别接单片机的RXD和TXD引脚。
有了串口下载电路，在调试程序的时候就不用再取下单片机放到开发板上烧录，只需要用串口转接线接到串口下载电路就可以实现程序的烧录，大大简化了程序调试的过程。
3.5显示驱动电路
如图3-5-1所示，本文采用了总线驱动芯片74LS245，74LS245是我们常用的芯片，用来驱动LED或者其他的设备，它是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。
74LS245还具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。
当8051单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接入74LS245等总线驱动器。
当片选端/CE低电平有效时,DIR=“0”，信号由B向A传输；（接收）DIR=“1”，信号由A向B传输（发送）当/CE为高电平时，A、B均为高阻态。
由于P2口始终输出地址的高8位，接口时74LS245的三态控制端/1G和/2G接地，P2口与驱动器输入线对应相连。
P0口与74LS245输入端相连,/E端接地，保证数据现畅通。
8051的/RD和/PSEN相与后接DIR，使得/RD或/PSEN有效时，74LS245输入（P0.i←Di），其它时间处于输出（P0.i→Di）。
4超声波测距电路程序设计
4.1算法设计
超声波测距的原理是超声波发生器T在某时刻发出一个超声波信号，当这个超声波信号遇到障碍物后反射回来，就被超声波接收器R所接收。
这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与障碍物之间的距离。
距离的计算公式为：
（1）
其中，H为障碍物与测距仪的距离，s为超声波往返的路程，
为超声波的速度，
为超声波往返所用的时间。
在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和接收到反射波的时间。
当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个下降沿，在INT0或INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。
4.2主程序
主程序是单片机程序的主体，整个单片机端系统软件的功能的实现都是在其中完成的，在此过程中主程序调用了子程序及中断服务程序。
主程序首先要对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时/计数器模式，置位总中断允许位EA并对显示端口P0和P2清零；然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延时0.1ms（这也就是超声波测距器会有一个最小可测距离的原因）后才打开外中断0接收返回的超声波信号，由于采用的是12MHz的晶振，计数器每计一个数就是1us，所以当主程序检测到接收成功的标志后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按式（7）计算，即可得被测物体与障碍物之间距离，设计时取20℃时的声速为344
，则有
。
其中：
为计数器T0的计数值。
测出距离后，结果将以十进制BCD码方式送往数码管显示。
图4-2-1所示为主程序流程图。
4.3超声波发生中断程序
超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送八个个超声波脉冲信号（频率约38.5KHz的方波），脉冲宽度为12us左右，同时打开T0计数器进行计时。
其部分源程序如下所示：
超声波发射中断程序（12M晶振38.5KHz）
INTT1:
CPLP1.0
DJNZR4,RETIOUT
CLRTR1;超声波发送完毕，关T1
CLRET1
MOVR4,#04H
SETBEX0;开启接收回波中断
RETIOUT:
RETI
4.4超声波接收中断程序
超声波测距仪主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即INT0引脚出现低电平），立即进入中断程序。
进入中断后就立即关闭计时器T0停止计时，并将测距成功标志字赋值1.如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值2以表示此次测距不成功。
一次测量函数流程图如图4-4-1.
部分源程序如下：
;*****************************************
;*中断程序*
;*****************************************
;
;T0中断，65ms中断一次
INTT0:
CLREA
CLRTR0
MOVTH0,#00H
MOVTL0,#00H
SETBET1
SETBEA
SETBTR0;启动计时器T0，用以计算超声波来回时间
SETBTR1;开启发超声波用定时器T1
OUT:
RETI
;T1中断，发超声波用
INTT1:
CPLVOUT
DJNZR4,RETIOUT
CLRTR1;超声波发送完毕，关T1
CLRET1
MOVR4,#04H
SETBEX0;开启接收回波中断
RETIOUT:
RETI
;外中断0，收到回波时进入
PINT0:
CLRTR0;关计数器
CLRTR1
CLRET1
CLREA
CLREX0
MOV44H,TL0;将计数值移入处理单元
MOV45H,TH0
SETB00H;接收成功标志
RETI
5系统调试与误差分析
5.1系统的调试
超声波测距仪的制作和调试都较为简单，其中超声波发射和接收采用的超声波传感器的中心频率为38.5KHz，安装时应保持两个传感器中心轴平行并相距4～8cm,其余的元件没有特殊的要求。
根据测量范围要求不同，可适当的调整与接收器并接的滤波电容的大小，以活动合适的接收灵敏度和抗干扰能力。
在焊接完所有元件之后，先不上电，检查电路电源和地是否因粗心而造成的短路现象。
确定电路不短路之后，先不要把芯片插在已焊接好的IC插座上，给电路上电，检查电路中的元件是否存在虚焊。
在确定各芯片供电和关键管脚处正常后，即可插上IC进行测试。
首先测试发射电路，用示波器观察超声波发送端，负端为-10V直流电压，正端为方波信号，低电平电压为-10V，高电平电压为+10V，则表明发送端正常。
再测试接收端，更改程序让单片机一直发射38.5KHz的方波信号，接收器正极一直有微弱信号，表明接收探头也工作正常。
硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。
根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。
5.2系统测量数据及误差分析
5.2.1测量数据
表5-2-1测量数据
由于实验的要求是测量距离，所以在测试的时候，采用在室内测量到墙壁的距离，其测量范围为4cm～250cm。
在对测量值和真实值进行比较时发现两者总存在一定的偏差，测量值和真实值的偏差保持在1cm左右，并计算其相对误差。
如表5-2-1为一组测量数据。
真实值（cm）
5
10
20
30
40
50
60
70
80
90
测量值（cm）
6
10
21
31
41
51
61
70
82
92
相对误差（%）
20
0
10
3.3
2.5
2
1.7
0
2.5
2.2
真实值（cm）
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
测量值（cm）
102
111
121
129
139
152
163
172
183
194
相对误差（%）
2
0.9
0.8
0.8
0.7
1.3
1.8
1.2
1.7
2.1
5.2.2误差分析
超声波测距由于其再使用中不受光照度、电磁场、色彩等因素的影响，加之其结构简单成本低，在机器人避障和定位、汽车倒车、水库液位测量等方面已经有了广泛的应用。
在原理上，超声波测距有脉冲回波法、共振法和频差法。
其中脉冲回波法测距常用，其原理是超声传感器发射超声波，在空气中传播至被测物，经反射后由超声波传感器接收反射脉冲，测量出超声脉冲从发射到接收的时间
，在已知超声波声速
的前提下，可计算被测物的距离H，即：
。
由于温度影响超声波在空气中的传播速度；超声波反射回波很难精确捕捉，致使超声波在空气中传播的时间很难精确测量。
这些因素使超声波测距的精度和范围受到影响。
1）温度对超声波波速的影响
空气中传播的超声波是由机械振动产生的纵波，由于气体具有反抗压缩和扩张的弹性模量，气体反抗压缩变化力的作用，实现超声波在空气中传播。
因此超声波的传播速度受气体的密度、温度及气体分子成份的影响。
其中温度对超声波在空气中的传播速度有明显的影响，当需要精确确定超声波传播速度时，必须考虑温度的影响。
2）超声波回波声强影响
超声波回波声强与被测物得距离有由直接的关系，实际测量时，不一定是第一个回波的过零点触发。
这种误差不能从根本上消除，但是可以通过根据测量距离调整脉冲群的脉冲个数以及动态调整比较电压来减小这种误差。
3）电路本身影响
电路硬件和软件本身存在一定的缺陷，因此会造成测量误差，主要表现为：
启动发射和启动计时之间的偏差。
这是源于单片机一次只能处理一件事，所以启动发射和启动计时实际上不能同时完成，是先后完成的，存在时差。
但只要指令速度足够快，其偏差可以忽略。
收到回波到被检测出的滞后。
这是源于检测电路的灵敏度和判断偏差，从收到实际回波到电路确认并输出相应信号肯定存在滞后，这和回波信号强弱、检测电路原理以及判断电路的敏感性相关，也是超声波测距的核心。
收到中断到中断响应停止计时之间的滞后。
这是源于单片机的中断机制。
收到中断信号后，单片机不可能立刻响应，至少要完成当前的指令，有时还要等待其它中断服务结束，所以这个滞后时间也不确定，从而导致测量结果的变化。
但这个因素可以通过提高单片机速度，使用高优先级中断。
计时器本身的误差。
这是源于计时器本身。
由于目前多数使用晶体振荡器，其稳定度和准确度为20-50PPM级别，对于音速而言，其带来的误差在mm级。
为减小此项误差，应该提高计时的最小单位，即是选择频率高的晶振，从而降低
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