一種基于超聲波和紅外的測距定位系統

　　引言

　　傳感器檢測技術、無線電通訊技術、計算機控制技術是現代信息技術的三大支柱，它們分別構成了信息技術系統的“感官”、“神經”和“大腦”。傳感器技術是信息社會的重要技術基礎，其品種、性能和質量直接決定了信息技術系統的功能和質量。因此有人說：“征服了傳感器就等于征服了科學技術”。由此可見，傳感器的開發與運用具有重大的意義。隨著現代科學技術的發展，人們對傳感器的性能水平及運用方式提出了更高的要求，而在被人們廣泛運用的傳感器家族中，超聲波傳感器和紅外線傳感器以其優異的性能得到人們的青睞，廣泛用于軍事、醫療、工業和家電產品。但目前超聲波傳感器和紅外線傳感器一般都是單獨使用，由于這兩種傳感器具有功能互補的特點，故而應把這兩種傳感器綜合起來，以制作出功能更全、精度更高、結構更簡、成本更低的傳感器探測系統。基于上述考慮，本文開展了基于超聲波與紅外線探測技術的測距定位系統的研究。

　　1　測距原理分析

　　目前，超聲波傳感器廣泛用作測距傳感器，常作為一種輔助視覺手段與其他視覺工具（如CCD圖像傳感器）配合使用，可有效提高機器的視覺功能。

　　1.1　超聲波發生器

　　超聲波發生器可分為兩大類：一類是用電氣方式產生超聲波；一類是用機械方式產生超聲波。電氣類包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械類包括加爾統笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也有所不同。目前常用的是壓電式超聲波發生器。

　　1.2　壓電式超聲波發生器工作原理

　　壓電式超聲波發生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的，其外觀結構與內部結構分別如圖1和圖2所示。

圖1　超聲波發生器外觀結構

圖2　超聲波發生器內部結構

　　該傳感器有兩個壓電晶片和一個共振板，當其兩極外加脈沖信號，且頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發生共振，并帶動共振板振動產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將迫使壓電晶片振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。

　　1.3　超聲波測距原理

　　超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s,根據計時器記錄的時間t,就可以計算出發射點距障礙物的距離S,即：S=340t/2。

　　2　定位原理分析

　　由于超聲波傳感器的波束發散比較嚴重，當超聲波發射點距障礙物較遠時，超聲波傳感器的方向定位精度較差，因而有必要引入其它方法或傳感器來改善其性能。經查閱資料得知，紅外線傳感器可彌補其性能上的不足。紅外線具有光束發散小的優點，目前很容易得到光束視角小于5°的紅外線傳感器。

　　相對于超聲波傳感器，其定向精度有了很大的提高。而且，還可以采用反應速度較快的紅外線傳感器（如光導紅外傳感器，其響應時間達到了微秒級）來消除超聲波傳感器盲區，提高系統的整體性能。

　　當紅外線反射型傳感器接通電源后，即從模塊內部的紅外線反射管向前方發射紅外線，一旦有物體或人體進入其有效探測范圍內時，紅外線就會有一部分被反射回來，被與發射管同排安裝的光敏接收管所接收，光敏接收管的電阻將因此減少，引起與其串連的電阻出現電壓變化，由電壓比較器處理后，在輸出端給出低電平信號，引起單片機中斷，從而進行有效控制。

　　紅外線反射型傳感器的檢測距離與工作電壓密切相關。工作電壓越高，紅外線反射功率越強，檢測距離就越遠；反之，電壓低，檢測距離就相對較近。

　　3　系統總體方案

　　本文研究目標是利用單片機應用技術及傳感器探測技術，開發一套傳感器定位測距系統。該系統將采用超聲波傳感器來測距，采用紅外線傳感器來定位，其組成框圖如圖3所示。

　　系統包括四部分：超聲波收發部分、紅外線收發部分、控制部分和顯示部分。控制部分是一個單片機系統，包括信號發射功能、信號判斷和分析功能以及控制顯示功能。

圖3　系統總體框圖

　　4　系統硬件設計

　　4.1　微控制器單元設計

　　微控制器單元設計是本系統的核心部分，針對系統要求體積小、功耗低的特點，選用AIMEL公司的AT89C51。這是一個帶有4K字節閃速可編程可擦除只讀存儲器的低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，可與工業標準80C51的指令設置和管腳輸出兼容，因而具有較好的實用性[2]。在選定單片機型號以后，還需完成以下電路的設計工作。