基于atmega16超声波测距仪系统的硬件电路设计

基于atmega16超声波测距仪系统的硬件电路设计内容摘要：

声传感器有一定的测量范围： ，精度为其所测距离 的  1%[8]。 淮南师范学院本科毕业论文（设计） 8 超声波测距 系统的任务是精确检测出测距仪与被测物体 的距离信息，根据检测出来的距离信息，机器人能自主或在用户的操纵下躲避障碍物。 本课题所设计硬件电路就是要实现机器人周围障碍物的距离信息的测量。 Polaroid 6500 系列超声波模块的原理分析 Polaroid 6500 系列超声传感器驱动电路结构图如图 22。 放大电路三极管Q1变压器T1控制信号TL851超声模块TL852超声模块发射超声脉冲接收返回信号回声信号驱动电源 图 22 Polaroid 6500 传感器驱动电路结构图 在 Polaroid 6500 超声波传感器驱动电路设计过程中，有许多注意事项及参数设置要求。 如在 TL852 模块中，管脚 BIAS 和 GND 间的连接电阻为68K %5 ；为了提高可靠性，电压不能低于 50mV；管脚 Lc 与 Vcc 间需要并联的电感和电容来起放大信号的作用；管脚 REC 和 GND 间要有一个1000uF 电容器来合成接收信号，以避免脉冲信号不被识别。 详细的 Polaroid 6500 系列超声波测距模块硬件驱动电路图见附录 B。 6500 超声模块有两种工作方式：单回声模式和并联回声模式。 对这两种工作方式而言，电源、触发输入 (INIT)、数据的输出和内部空白输入信号都是一样的。 超声模块工作时，自电源电压 Vcc 开通到 INIT 信号置高，至少要有 5ms 的延时时间。 这段时间里，系统使所有的电路系统复位，内部振荡器要处于稳定状态。 INIT 信号置高后，便会驱动传感器产生超声脉冲输出 (XDCR)，振幅为 0V400V 的 16 位 脉冲信号激励传感器产生发射信号， 16 位脉冲信号结束时，换能器被置 200VDC 偏压，以便进行最佳的接收操作。 6500 超声波传感器驱动电路主要由 TL851 和 TL852 功 能模块构成 [9]。 电路工作时，通电源电压 Vcc(+5V)至少 5ms 后单片机控制脉冲触发信号 (INIT)淮南师范学院本科毕业论文（设计） 9 置高， INIT 信号被输入到 TL851。 TL851 是一种经济型的数字 12 步测距控制集成电路，其内部有一个 420KHz 的陶瓷晶振，在脉冲发送的前 16 个周期，陶瓷晶振被 分频，形成 的超声波信号，经三极管 Q1 和变压器 T1后发射出超声脉冲信号，经过 延时 (等待换能器稳定 )后即可开始接收回波信号 (ECHO)。 接收回波时， 6500 内的调谐电路使得只有频率接近 的信号才能被接收，而其 它频率的信号则被过滤。 TL852 是专门为接收超声波而设计的芯片，返回的超声波信号比较微弱，需要进行放大才能被单片机接收， TL852 主要提供放大电路，当 TL852接收到 4 个脉冲信号时，就通过管脚 REC 给 TL851 发送高电平表明超声波己经接收。 TL852 通过 GCD、 GCC、 GCB 和 GCA4 个管脚与 TL851 连接，实现第二级可控增益放大器随时间成指数变化。 TL851 接收到回波信号后传输回波信号 (ECHO)到 STC12C5410 单片机，从触发输入信号 (INIT)启动至接收到回波信号 (ECHO)的时间即为超声行程 时间，单片机利用内部计时器可记录此行程时间，再根据声波在空气中传播，即可计算出超声波传感器与被测障碍物之间的距离，即超声行程时间与声波在介质中的传播速度乘积的一半。 Polaroid 6500 系列超声波传感器在进行单回声信号检测时即单目标测量时的时序关系图如图 23 所示。 电压输入传输脉冲 接收控制选择接收控制输入内部空白输入回声2. 38ms低电平16位 脉冲 低电平 图 23 Polaroid 6500 系列单目标测量时序图 图 27 中，电压是超声测距模块的工作电压；输入 (INIT)是触发控制输入信号，控制超声波的发射；接收控制选择 (BLNK)信号用于控制超声模块的工作方式，即是单目标探测还是多目标探测方式。 为避免将超声发射器的回淮南师范学院本科毕业论文（设计） 10 振当作回波信号，自开始发射超声波信号到开始探测回波信号有一个时间间隔，此时间间隔默认为 ，即相当于存在 厘米的探测盲区。 但接收控制输入 (BINH)信号可以缩短此探测盲区时间间隔。 本设计采用单目标探测方式，探测盲区时间间隔采用默认值，即 [10]. 6500 系列超声波探头工作条件见表 21。 表 21 6500 系列超声波工作参数设置 参数 最小 最大 单位 供给电压， Vcc V 高电平 ,VIH BLNK,NINH,INIT V 低电平 ,VIL BLNK,NINH,INIT V 回声输出电压 V 延时时间，供电到 INIT 置高 5 ms 回转周期 80 ms 工作环境温度， TA 0 10 ℃ 总体方案设计 本系统由 超声波收发模块、按键检测模块、 STC12LE5412 单片机与ATmega16 单片机组成的双机通信系统、液晶显示、系统报警和语音播报模块组成。 整机系统框图如图 所示。 RX0（命令发送） TX1 TX0 (数据返回 )RX1 TX0 图 双单 片机通信实现超声波测速测距原理框图 STC12LE5412单片机 ATMega16单片机 REST 温度补偿 超声波发送 超声波接收 LCD 显示模块 数字语音模块 LED 报警指示 淮南师范学院本科毕业论文（设计） 11 由于本设计来源于 模块化助老 /助残 轮椅机器人，其工作环境一般为室内，且移动速度较为缓慢，因此在对障碍物距离信息测量以实现避障功能时，可简化为对静态障碍 物的距离检测 ，简化了设计计算过程；轮椅机器人的使用者为老人或残疾人等，考虑到市场、性价比等因素，设计在满足系统避障功能需求的情况下，选择了性价比高的超声波传感器。 本论文制定出了基于超声波测距传感器的机器人避障系统硬件电路设计的总体方案，利用单片机控制传感器对障碍物进行距离信息检测。 设计中基于超声波传感器机器人避障系统结构如图 24 所示 . 淮南师范学院本科毕业论文（设计） 12 第 3 章 超声波测距系统硬件电路设计 传感器的选型依据 作为一种代步工具，轮椅机器人主要辅助老年人和残障人士的日常生活，因此，在它上面安装的用于获取环境信息的传感器既要有足够的视场用以覆盖整个空间来获得完整的环境信息，又要具有较高的采集信息速率以保证机器人运动时能提供实时的信息。 与其它传感器相比，超声波传感器具有信息处理简单、快速、低价、距离分辨率高、硬件较容易实现、不需大量系统时间计算数据、且不易受天气条件及环境因素影响等优点，近年来被广泛用于移动机器人避障、定位及环境建模等系统中。 因此，在本设计中， 在参照同类设计的经验基础上，考虑到性能价格比，决定选用 SensComp 公司Polaroid 6500 系列超声波探头。 单片机的选型依据 STC12C5410 为一种改进型的 51 兼容单片机，指令集及主要架构与经典 51 相同，硬件资源略有增加： 1)高速： 1 个时钟 /机器周期，增强型 8051 内核， 工作频率： 0~35MHz,相当于普通 8051:0~420MHz， 速度比普通 8051 快 8~12 倍 2) 宽电压： ~，低功耗： 掉电模式 (),空闲模式 (),正常工 作模式 (),掉电模式可由外部中断唤醒，适用于电池 供电的便携式设备。 3) 27 个 I/O 口 ，可设置方式为 ： 51 准双向、 高阻输入、 OC 输出、推挽输出四种模 式 ,每个 I/O 口驱动能力均可达到 20mA。 4) 增设了 2 通道 PCA（可编程计数器阵列），弥补了经典 51 定时器功能“偏弱”的缺陷。 5) 硬件 SPI 接口， 全双工异步串行口 (UART),兼容普通 8051 的串口，ISP/IAP 在线编程及下载，无需编程器 /仿真器 6) 计时时钟保留 12 分频模式，新增了 2 分频模式，提高了计时精度。 设计要 求测距精度为 1%，即 要求测距误差小于 177。 1 cm 时 ,假定超声波速淮南师范学院本科毕业论文（设计） 13 度 C = 344 m/ s (20 ℃室温 ) ,忽略声速的传播误差。 则测距误差 sΔ t 01000 002 907 s , 即 21907 ms。 根据以上过计算可知 ,在超声波的传播速度是准确的前提下 ,测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级 ,就能保证测距误差小于 1 mm 的误差。 第 1 和 6 点 对于超声波测距应用有益，指令速度快可减少响应延时的不确定，计时精度高可提 高分辨率，第二点满足低功耗及强抗干扰能力的要求。 在综合考虑外部资源、运算能力及价格等 因素的基础上，本课题选择了 STC12C5410（ 10K FlashROM， 512 RAM）。 考虑体积因素，选择了 SOP20 封装，单片机采用 供电，降低发射超声波带来的电源干扰，降低功耗，提高可靠性。 采用 UART 口输出数据、设置参数。 因为 UART 口可以使用中断模式，读取软件开销较小，且 UART 是目前 MCU 中配置最普遍的，虽说会占用一个串口，但是现在多串口 MCU 越来越多，特别是 ARM 系列，如 ST 的 STM32 系列就有 23 个 UART 口。 采用 5V 供电，因为5V 是最常见的工作电压，便于日后将传感器应用于装置中。 上位机系统采用 AVR 单片机， STC 单片机负责接收主机命令，当 STC 单片机接收到测速或测距命令后，便会控制外部相连的超声波模块完成一次或多次收发信号工作， STC 单片机自身会对收到的信号进行分析计算，并给出一次输出结果，输出结果通过串行异步通信接口传送给 ATMega16 单片机进行实时显示和播报。 输出结果传出后， STC 单片机便处于等待接收命令状态，而不用理会显示和播报的任务，从而增强了系统的实时处理能力。 显示屏采用 Nokia 5110 LCD，此屏是专为 移动电话 设计 的液晶显示模块 ， 84*48 的点阵 LCD，可以显示 4 行汉字，采用串行接口 SPI 通信，信号线仅有 5 条，传输速率高达 4Mbps,可全速写入显示数据，无等待时间，采用低电压供电，正常显示时的工作电流在 200uA 以下，且具有掉电模式，因此非常适合于电池供电的便携式通信设备和测试设备中。 综上，本方案的确定依据有以下几点： (1)超声波传感器具有大的检测角、 距离分辨率高、硬件较容易实现 ，性能价格比很高； (2)控制电路中所采用的 STC 单片机具有多个模拟量输入接口，可以减少 I/O 口扩展电路 ，其自带的 SIP 接口可以为以后的性能升级提供空间； (3)控制电路中采用模块化的接口方式可以方便用户对传感器的任意控制。 淮南师范学院本科毕业论文（设计） 14 超声波发射驱动电路的设计 超声传感器等效为 1 个电感器、 2 个电容器和 1 个电阻器串并联电路如图 31 所示。 图中 ,左右两侧呈现容性 ,中间呈现感性 ,是一种典型高 Q 值晶体振子特性。 在 f S 和 f P 处出现 2 个阻抗最低点 ,因此 ,有 2 个谐振峰。 发送传感器在串联谐振峰有最高灵敏度 ,接收传感器在并联谐振峰有最高灵敏度。 电路激励和接收频率要考虑在此谐振点工作 ,此外 ,由于通常需要大功 率驱动 ,考虑用谐振升压推动是必要的。 图 31 超声波等效电路和电抗特性图 以前的设计中，其功率放大电路往往采用有源差分放大或者双晶体管复合以及逻辑门级联的方式，然而这几种方式只是单纯的提升了发射功率，并未也无法大幅度提升加到超声波换能器上的峰值电压，亦即无法大幅度增大超声波波幅（响度），从而相应降低了 系统可测距离，而采用有源差分放大以及逻辑门级联的方式无疑又增大 系统复杂性 ，考虑到超声波发射器多为压电陶瓷制造，其功率增加只有通过提高电压，大多需要 10V 以上驱动，而且是正弦波 信号。 鉴于此， 在发射部分使用了变压器升压再驱动超声波换能器，同时变压器的次级与超声波探头构成谐振回路，这都极大的提高发射效率，但副作用是发射后的余波时间较长，导致近距离的回波被淹没 ，因此设计了两种余波抑制电路。 淮南师范学院本科毕业论文（设计） 15 图 32 超声波发射驱动原理图 工作原理为 :由 STC5412AD 单片机产生 40kHz 的 TTL 脉冲信号通过 P1. 0。