位差超聲波傳感器在智能玩具機(jī)器人中的應(yīng)用

摘要：超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器，它在非接觸性測(cè)量方面應(yīng)用非常廣泛，筆者根據(jù)智能玩具機(jī)器人的距離感知系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)過(guò)程，介紹了位差超聲波傳感器在智能玩具機(jī)器人中的應(yīng)用，給出了位差超聲波傳感器與單片機(jī)系統(tǒng)的硬件電路接口和距離檢測(cè)軟件的編程思路，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得出了其測(cè)量精度與測(cè)量距離以及與被測(cè)物體反射角之間的關(guān)系。
關(guān)鍵詞：超聲波；機(jī)器人；傳感器；距離檢測(cè)

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的電子玩具技術(shù)含量較低，由于不具備智能化，利潤(rùn)空間小，受歡迎程度低。近年來(lái)，伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，智能控制器的發(fā)展迅速，一些典型的智能玩具如輪式移動(dòng)機(jī)器人在部分院校教學(xué)中得到推廣，因?yàn)橹悄芡婢邫C(jī)器人是一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，它融合制造技術(shù)、機(jī)械、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)和人工智能等眾多先進(jìn)技術(shù)，是進(jìn)行工程訓(xùn)練、教學(xué)實(shí)驗(yàn)和研究的理想平臺(tái)，在電子學(xué)教學(xué)領(lǐng)域中有著諸多的研究?jī)r(jià)值。
傳感器是智能機(jī)器人獲取外界數(shù)據(jù)的“感知系統(tǒng)”，離開(kāi)智能傳感器的機(jī)器人大多是些功能單一，不具備思維能力，有些甚至是底盤(pán)基座固定式的，使得這些機(jī)器人只能固定在某一位置按照事先設(shè)定動(dòng)作進(jìn)行機(jī)械式的重復(fù)操作，其應(yīng)用范圍僅限于工業(yè)生產(chǎn)中的重復(fù)性工作，不便于普及和推廣，可見(jiàn)基于傳感器的智能控制器在實(shí)現(xiàn)玩具機(jī)器人的智能化的作用中不可或缺，筆者介紹了一種基于超聲波原理的位差超聲波傳感器在智能玩具教育機(jī)器人中的應(yīng)用，通過(guò)較為具體的設(shè)計(jì)過(guò)程介紹了智能玩具機(jī)器人距離測(cè)試系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方法，并對(duì)位差超聲波傳感器的性能指標(biāo)和一些關(guān)鍵技術(shù)作較深入地探討，提出了一些編程控制技巧及算法。

1 硬件設(shè)計(jì)
采用“MCU+傳感器+顯示設(shè)備+執(zhí)行機(jī)構(gòu)”的總體設(shè)計(jì)方案，要求MCU對(duì)非接觸式傳感器獲取的外部距離信息進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)換，將得出的智能玩具機(jī)器人與前方障礙物的距離值送到顯示設(shè)備顯示，并根據(jù)程序設(shè)定的距離閾值控制智能玩具機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航功能，系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

其中系統(tǒng)MCU采用目前性?xún)r(jià)比較高的AT89C51單片機(jī)，利用“位差超聲波傳感器”作為距離傳感器，以非接觸的形式測(cè)量前方物體的距離；顯示設(shè)備采用LCD1602液晶顯示模塊；執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用PARALLAX公司生產(chǎn)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是編程控制方便且不需額外增加驅(qū)動(dòng)電路，圖1中超聲波傳感器測(cè)距的工作原理如圖2所示。

超聲波傳感器與單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行接口構(gòu)成距離檢測(cè)的硬件系統(tǒng)，在系統(tǒng)軟件的控制下，單片機(jī)向位差超聲波傳感器發(fā)送的一個(gè)觸發(fā)脈沖，位差超聲波傳感器被此脈沖觸發(fā)后會(huì)產(chǎn)生一道短40 kHz的脈沖電信號(hào)，此40 kHz的脈沖電信號(hào)通過(guò)激勵(lì)換能器處理以后，將轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)的能量，其振動(dòng)頻率約在20 kHz以上，由此形成了超聲波，該信號(hào)經(jīng)錐形“輻射口”處將超聲波信號(hào)在空氣中以每秒約1 130英尺的速度向外發(fā)射出去。當(dāng)發(fā)射出去的超聲波信號(hào)遇到障礙物以后，立即被反射回來(lái)。接收器接收到反射回來(lái)的超聲波信號(hào)后，通過(guò)其內(nèi)部轉(zhuǎn)換，將超聲波變成微弱的電振蕩，并將信號(hào)進(jìn)行放大，就可得到所需的脈沖信號(hào)，此脈沖信號(hào)再返回給單片機(jī)，表示回波被探測(cè)，這個(gè)脈沖寬度就是對(duì)應(yīng)于爆裂回聲返回到傳感器所需時(shí)間，其時(shí)序如圖3所示。