位差超聲波傳感器在智能玩具機(jī)器人中的應(yīng)用

程序設(shè)計(jì)思路主要分為2步：
1)根據(jù)位差超聲波傳感器的控制時(shí)序圖(圖3)，啟動(dòng)位差超聲波距離傳感器，即通過(guò)單片機(jī)編程，給超聲波傳感器的信號(hào)引腳提供一個(gè)持續(xù)時(shí)間為5μs的高電平，然后拉低信號(hào)引腳750μs，這樣位差超聲波傳感器就被啟動(dòng)，發(fā)出超聲爆裂，與此同時(shí)，啟動(dòng)單片機(jī)的定時(shí)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)超聲波遇到物體時(shí)會(huì)立即反射回來(lái)，位差超聲波傳感器的接收器接到回波時(shí)，會(huì)自動(dòng)拉低其信號(hào)引腳的電平，單片機(jī)查詢到此引腳的電平下降沿到來(lái)時(shí)停止定時(shí)器計(jì)數(shù)，此時(shí)定時(shí)器計(jì)數(shù)值就間接反應(yīng)了超聲波從反射到返回所經(jīng)歷的時(shí)間。
2)讀出定時(shí)器的計(jì)數(shù)值除以2，便得到超聲波在遇到被測(cè)物體返回的時(shí)間，根據(jù)：距離=速度×時(shí)間，就可以計(jì)算出前方物體的距離，因超聲波在常溫下的空氣介質(zhì)中傳播的速度大約為344 m／s，即29．034μs超聲波能傳播1 cm，具體編程時(shí)在程序中用語(yǔ)句x=count／29．034來(lái)計(jì)算距離值，獲得被測(cè)距離值后，調(diào)用LCD顯示函數(shù)將距離值在LCD模塊上顯示出來(lái)。
2．2 超聲波導(dǎo)航程序設(shè)計(jì)
利用位差超聲波距離傳感器測(cè)得的“距離”信息，可以引導(dǎo)智能玩具機(jī)器人實(shí)現(xiàn)避障行走。當(dāng)智能玩具機(jī)器人距離前面障礙物小于20 cm時(shí)，它會(huì)向左拐改變行進(jìn)方向，避免與物體碰撞，下面簡(jiǎn)要分析以超聲波導(dǎo)航程序的基本設(shè)計(jì)思路，程序設(shè)計(jì)算法用流程圖表示如圖5所示。

程序通過(guò)反復(fù)調(diào)用超聲波測(cè)距子程序，獲取智能玩具機(jī)器人前方被測(cè)物體的距離值；判斷距離是否在設(shè)定閾值以內(nèi)，若大于程序設(shè)定的距離閾值，調(diào)用函數(shù)Forward()，驅(qū)動(dòng)智能玩具機(jī)器人前進(jìn)；若小于程序設(shè)定的距離閾值，調(diào)用Backward()，驅(qū)動(dòng)智能玩具機(jī)器人后退一段距離；接著又調(diào)用Left_Turn()，驅(qū)動(dòng)智能玩具機(jī)器人左拐后程序再返回重復(fù)以上過(guò)程。

3 系統(tǒng)調(diào)試
3．1 硬件系統(tǒng)的調(diào)試
硬件系統(tǒng)的制作與調(diào)試相對(duì)簡(jiǎn)單，其具體過(guò)程簡(jiǎn)述如下：首先根據(jù)硬件設(shè)計(jì)原理圖，采用Protel DXP2004軟件合理布局和布線，設(shè)計(jì)出智能玩具機(jī)器人的控制器PCB，然后用制板設(shè)備制作出PCB樣板；根據(jù)元器件清單，在PCB上安裝焊接好元器件，連接好直流伺服電機(jī)，將測(cè)試軟件下載到智能玩具控制器的單片機(jī)存儲(chǔ)器，接通電源開(kāi)機(jī)運(yùn)行，用示波器測(cè)試觀察控制器的單片機(jī)最小系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)關(guān)鍵點(diǎn)信號(hào)波形是否正常。
3．2 系統(tǒng)整體調(diào)試
根據(jù)上述程序設(shè)計(jì)思路，在Keil C編譯環(huán)境中用C語(yǔ)言編寫程序代碼，編譯程序，將生成的HEX文件燒寫到控制板上的單片機(jī)程序存儲(chǔ)器，開(kāi)機(jī)運(yùn)行，智能玩具機(jī)器人按程序設(shè)定運(yùn)行模式前進(jìn)，當(dāng)前方有物體時(shí)，在LCD顯示屏上實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地顯示出小車和前方物體之間的距離值；當(dāng)小車距前方物體小于程序設(shè)定的距離閾值時(shí)，小車掉轉(zhuǎn)方向繼續(xù)前進(jìn)，經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)表明：位差超聲波距離傳感器在下列情況下不能精確地測(cè)量距離，如圖6所示。

1)與物體距離大于3 m當(dāng)被測(cè)物體距離智能玩具機(jī)器人3 m之外時(shí)，如圖6(a)所示，因位差超聲波傳感器的發(fā)射功率不夠，反射回來(lái)的信號(hào)太弱，導(dǎo)致LCD上顯示出的距離值不能反映實(shí)際距離值。
2)被測(cè)物體不在正前方 當(dāng)被測(cè)物體不在智能玩具機(jī)器人正前方，如圖6(b)所示，而是有一定的偏角，因與物體的表面形成的反射角度太小，使傳感器接收器接收不到反射回來(lái)的信號(hào)，導(dǎo)致LCD上顯示出的距離值不能反映實(shí)際距離值。
3)前方被測(cè)物體橫截面太小 當(dāng)前方被測(cè)物體體積太小或是橫截面太小，如圖6(c)所示，因?yàn)闆](méi)有足夠強(qiáng)度的信號(hào)返回到傳感器，導(dǎo)致LCD上顯示出的距離值不能反映實(shí)際距離值。

4 結(jié)束語(yǔ)
超聲波傳感器在非接觸性測(cè)量方面的應(yīng)用非常廣泛，可用于檢測(cè)液體水位(特別是具有腐蝕性的液體，如硫酸、硝酸液體)，汽車倒車防撞系統(tǒng)，金屬(或非金屬)探傷，機(jī)器人感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，利用位差超聲波傳感器與51單片機(jī)構(gòu)成智能玩具機(jī)器人的“距離感知系統(tǒng)”，具有電路接口簡(jiǎn)單，成本低廉，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，但其測(cè)量精度受到位差超聲波傳感器的最大測(cè)量距離以及與被測(cè)物體反射角等的限制。