位差超聲波傳感器在智能玩具機器人中的應用

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，它在非接觸性測量方面應用非常廣泛，筆者根據智能玩具機器人的距離感知系統的軟硬件設計過程，介紹了位差超聲波傳感器在智能玩具機器人中的應用，給出了位差超聲波傳感器與單片機系統的硬件電路接口和距離檢測軟件的編程思路，并通過實驗，得出了其測量精度與測量距離以及與被測物體反射角之間的關系。
關鍵詞：超聲波；機器人；傳感器；距離檢測

目前國內生產的電子玩具技術含量較低，由于不具備智能化，利潤空間小，受歡迎程度低。近年來，伴隨計算機技術的高速發展，智能控制器的發展迅速，一些典型的智能玩具如輪式移動機器人在部分院校教學中得到推廣，因為智能玩具機器人是一個典型的機電一體化系統，它融合制造技術、機械、電子、傳感器、計算機和人工智能等眾多先進技術，是進行工程訓練、教學實驗和研究的理想平臺，在電子學教學領域中有著諸多的研究價值。
傳感器是智能機器人獲取外界數據的“感知系統”，離開智能傳感器的機器人大多是些功能單一，不具備思維能力，有些甚至是底盤基座固定式的，使得這些機器人只能固定在某一位置按照事先設定動作進行機械式的重復操作，其應用范圍僅限于工業生產中的重復性工作，不便于普及和推廣，可見基于傳感器的智能控制器在實現玩具機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器人中的應用，通過較為具體的設計過程介紹了智能玩具機器人距離測試系統的軟硬件設計方法，并對位差超聲波傳感器的性能指標和一些關鍵技術作較深入地探討，提出了一些編程控制技巧及算法。

1 硬件設計
采用“MCU+傳感器+顯示設備+執行機構”的總體設計方案，要求MCU對非接觸式傳感器獲取的外部距離信息進行計算轉換，將得出的智能玩具機器人與前方障礙物的距離值送到顯示設備顯示，并根據程序設定的距離閾值控制智能玩具機器人實現自動導航功能，系統整體框圖如圖1所示。

其中系統MCU采用目前性價比較高的AT89C51單片機，利用“位差超聲波傳感器”作為距離傳感器，以非接觸的形式測量前方物體的距離；顯示設備采用LCD1602液晶顯示模塊；執行機構采用PARALLAX公司生產的連續旋轉伺服電機，其優點是編程控制方便且不需額外增加驅動電路，圖1中超聲波傳感器測距的工作原理如圖2所示。

超聲波傳感器與單片機系統進行接口構成距離檢測的硬件系統，在系統軟件的控制下，單片機向位差超聲波傳感器發送的一個觸發脈沖，位差超聲波傳感器被此脈沖觸發后會產生一道短40 kHz的脈沖電信號，此40 kHz的脈沖電信號通過激勵換能器處理以后，將轉換成機械振動的能量，其振動頻率約在20 kHz以上，由此形成了超聲波，該信號經錐形“輻射口”處將超聲波信號在空氣中以每秒約1 130英尺的速度向外發射出去。當發射出去的超聲波信號遇到障礙物以后，立即被反射回來。接收器接收到反射回來的超聲波信號后，通過其內部轉換，將超聲波變成微弱的電振蕩，并將信號進行放大，就可得到所需的脈沖信號，此脈沖信號再返回給單片機，表示回波被探測，這個脈沖寬度就是對應于爆裂回聲返回到傳感器所需時間，其時序如圖3所示。