超声装置在移动机器人探测功能中的应用_毕业论文(编辑修改稿)

超声装置在移动机器人探测功能中的应用_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

时，接收信号与发射信号相隔时间越来越长，其幅值相应的越来越小。 同时，接收信号的衰减程度总是要比发射信号余振的衰减慢得多。 为了保证一定的信噪比，接收信号需要规定一个值，接收信号必须大于这个值，才能有输出信号。 这就构成了远限的问题。 在使用一个探头的情况下，发射信号的幅值要维持到低于引起探头振动时，接收信号才基本上摆脱了发射信号的影响而能够明显 地分辨出来。 所以把这段时间规定为盲区时间。 当开始计时，测量超声波在空气中的传播时间才有效。 13 但是，当探测距离很远时，为了增大发射功率，须采用特殊形式的大功率超声发射传感器，但这些传感器的接收灵敏度一般很低，甚至无法用于接收，在这种情况下，选用两个换能器分别用于发送和接收。 而使用双探头方式，不仅可以增加探测距离，还可以减小盲区。 由于发射探头上并不直接施加发射电压，所以，从理论上说，可以没有盲区。 但是，由于接收电路多少会受到发射电路的感应，并且发射探头所发出的超声波可能有部分直接绕道接收探头，因此实际上仍存在一 定的盲区，不过它要比单探头方式的盲区小很多。 所以，在本实验中，我们选取了双探头的工作方式，减小盲区，同时提高检测的距离精度。 提高测距仪性能的若干措施 声速校正 要想通过测量超声波传播时间确定距离，声速 c 必须恒定，实际上声速随介质、温度、压力等变化而变化。 一般情况下，由于大气压力变化很小，因此传播速度主要考虑温度的影响。 对一定介质，通常采用对温度进行修正的方法，可以测得比较准确的距离。 通过对温度修正来校正声速的方法，即用测温元件测量实际环境。 减小盲区措施 (1)压缩发射脉冲宽度 发射端采 用减幅振荡脉冲或单个脉冲，可使余震 (拖尾 )减少，此法常用于短距离测量距离。 (2)采用自动距离增益控制 14 采用具有自动增益控制功能的接收放大器，使近距离的增益很小，远距离时的增益较大，这样一方面发射信号的余震幅度变小，相应的延续时间缩短，可以分辨出近处的接受回波信号，故可使盲区减少。 另一方面，可使远处的回波信号的幅度增大，以提高测量的精度。 (3)信噪比问题 超声波测距仪都有确定的量程。 量程主要决定于接收信号的幅值应大于规定的阐值。 这个阂值决定信噪比。 噪声有两类，一类电噪声，在处理上同其它电子仪器一样，另一类 为机械噪声，其中工业噪声频率较低，对液介式超声测距仪，工作频率较高，可以避开工业噪声频谱段。 而气介式超声回波测距仪，一般频率都较低，易引入工业噪声。 这时要求对环境噪声进行频谱分析，尽量避免与噪声频率重叠。 15 第三章 系统硬件设计 电路工作原理及设计 主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路三部分组成。 利用单片机来实现对超声波和超声波转换模块的控制。 单片机通过 INT0 引脚来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测 INT1 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。 结构框图如图 3— 1所示。 图 超声波测距系统结构框图 主要电路具体设计及主要器件介绍 电路 采用 L7805CV 作为电源电路将 +12V 电压转换为 +5V 电压，控制器选用STC12C2052 单片机 ,晶振 为 ,单片 机 INT0 口输出超声波换能器所需的40KHz 方波信号 ,由 CX20206A 红外接收芯片和 TCT4010 系列 超声波换能器 来实现超声波信号的接受和发射 控制 ，经计算，距 离由显 示电路 显示， 采用简单的 3位共 阳极 LED 数码管 进行动态显示。 电源电路 16 图 电源电路原理图 本系统中使用到的电源包括 +5V 和 +12V，其中 +12V 电压由直流稳压电源提供，通过电源接头提供给电路板。 用 L7805CV 为主的电路将 12V 电压转换 +5V 电压。 L7805CV 的外形如图 3— 3所示。 图 L7805CV 的外形图 这是一个三端集成稳压电源应用电路，整流滤波后得到的 +12V 电压，在输出端即可得到稳定的输出电压 +5V，为了改善纹波电压，在输入端接入电容 C0，其值为 100uF。 同时在输出端上接入电容 C0，其值为 100uF,以改善负载的瞬态响 17 应。 以防输出电压过高，所以在输入端和输出端之间跨接一个保护二极管V2(IN4007)，其具体作用是在输入端短路时使输入端和地之间的电容 C0 通过二极管放电，以保护集成稳压器内部调整管。 我国电源提供的交流电一般为 220V，而各种电子设备所需要的直流电压的幅值却各不相同。 因此，常常需要将电网电压先经过电源变压器，然后将变换以后的副边电压再去整流、滤波和稳压，最后得到所需的直流电压幅值。 直流电源组成如图 3— 4所示。 图 直流电源组成 其中整流电路的作用是利用具有单向导电性能的整流元件，将正负交替的正弦交流电压整流成为单方向的脉动电压，但其中包含很大脉动成分，距理想电压还差很远。 滤波器由电容电感等储能元件组成，它的作用是尽量将单向脉动电压中的脉动成分滤掉，输出比较平滑的直流电压，但当电网电压或负载电流发生变化时，滤波器输出的直流电压的幅度也将随之变化，在要求比较高的电子电路 中这是不符合要求的。 稳压电路的作用是采取措施使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。 这个电源就是根具其基本原组成在其基础上按实际需要和实际情况设计的。 微处理器电路 18 微处理器电路原理图如图 3— 5 所示。 图 微处理器电路原理图 微处理器的时钟可以由两种方式产生，一种是内部方式，利用芯片内部的振荡电路；另一种方式为外部方式。 引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是该放大器输入端和输出端。 这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。 外接石英晶体 (或陶瓷谐振器 )及电容 C C2 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。 对外接电容 C C2 虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温 19 度稳定性，如果使用石英晶体，建议电容使用 30pF177。 10 pF，而如果使用陶瓷谐振器建议选择 40pF177。 10 pF连接方式。 本设计采用内部方式，晶振用。 微处理器命名 STC12 系列单片机是美国 STC 公司在 8051 单片机标准的内核结构基础上对芯片内核进行了较大改进后推出的一个增一强型功能的 8051 的单片机，具有很多很强的新功能。 STC12 系列是从 引 脚到内核及指令上都完全兼容 8051 的单片机。 有 32 脚 PLCC(27 个 I/0 口 )， 28脚 DIR(23 个 I/O 口 )， 20 脚 DIP(15 个 I/O 口 ).三种封装形式，在芯片型号命名上。 12 代表工作频率是普通 8051 速度的 8~12倍 :C 代表工作电压 ～ ， LE 代表 ～。 20 代表 2K 字节； 52 代表RAM是 256 字节 ； AD 表示有 A/D 转换功能。 STC12C2052 单片机引脚 如图 3— 6所示。 图 STC12C2052 单片机引脚 STC12C2052 为 20 引脚小型封装， 2K 内部程序存储器， 15 个可编程 I/O 线，没有 P0 口和 P2 口的 16 根 I/O 线，内部集成了一个模拟比较器。 芯片引脚的排列顺序为从靠芯片的缺口（见上图）左边那列引脚逆时针数起，依次为 20 „ 、 20，在单片机的 20 个引脚中，电源引脚 2 根，外接晶体振荡器引脚 2根，复位引脚 1根以及 P P3 口可编程 I/O 引脚 15 根。 主电源引脚（ 2根） (Pin20)：电源输入，接＋ 5V 电源 2. GND(Pin10)：接地线 外接晶振引脚（ 2 根 ） 1. XTAL1(Pin5)：片内振荡电路的输入端 2. XTAL2(Pin4)：片内振荡电路的输出端 控制引脚（ 1 根） RST：复位引脚 可编程输入 /输出引脚（ 15 根） 1. P1 口： 8 位准双向 I/O 口线， ～ ，共 8 根 2. P3 口： 8 位准双向 I/O 口线， ～ 、 ，共 7根 芯片 特点： （ 1） 增强型 1T 流水线 /精简指令集结构 8051 CPU； （ 2） 工作电压： ～ ～ ； （ 3） 工作频率范围： 035MHz，相当于 普通 8051的 0～ 420MHz； （ 4） 用户应用程序空间 512/1K/2K/3K/4K/5K 字节 ； （ 5） 片上集成 256 字节 RAM； （ 6） 15 个通用 I/O 口 ，复位后为：准双向口 /弱上拉可设置成四种模式：准双向口 /弱上拉，推挽 /强上拉，仅为输入 /高阻，开漏 ； （ 7）EEPROM 功能 ； （ 8） 共 2 个 16 位定时器 /计数器 ； （ 9） PWM(2 路） /PCA（可编程计数器阵列） ； （ 10） ADC,8 路 8 位精度 ； （ 11） 通用异步串行口 (UART)；（ 12） SPI 同步通信口，主模式 /从 模式 ； （ 13） 看门狗 ； （ 14） 内部集成 R/C振荡器，精度要求不高时可省外部晶体 ； （ 15） ISP/IAP； （ 16） 工作温度范 21 围： 0～ 75℃/ 40～ 85℃ ； （ 17） 封装： PDIP20， SOP20(宽体 )， TSSOP20(超小封状 )。 选择 STC12C2052AD 系列单片机的理由 （ 1） 加密性强 ,无法解密 （ 2） 超强抗干扰 : A、高抗静电（ E S D 保护） B、轻松过 4KV 快速脉冲干扰 (EFT 测试） C、宽电压，不怕电源抖动 D、宽温度范围 ,40℃ ～ 85℃ E、 I/O 口经过特殊处理 F、单片机内 部的电源供电系统经过特殊处理 G、单片机内部的时钟电路经过特殊处理 H、单片机内部的复位电路经过特殊处理 I、单片机内部的看门狗电路经过特殊处理 J、 1 个时钟 /机器周期，可用低频晶振，大幅降低 E MI （ 3） 超低功耗 : A、掉电模式：典型功耗 B、空闲模式：典型功耗 1mA C、正常工作模式：典型功耗 4mA～ 7mA D、 掉电模式可由外部中断唤醒，适用于电池供电系统，如水表、气表、便携设备等。 22 E、 在系统可编程 ,无需编程器 ,可远程升级。