学文网【摘要】该系统是以空气中超声波的传播速度为确定条件，利用发射超声波与反射回波的时间差来测量障碍物的距离。本设计主要分为硬件模块和软件模块。以智能小车为平台来实现移动测距，采用PWM控制直流电机，采用AT89S52单片机进行控制及数据处理，该测距系统主要由超声波发射电路、超声波接收电路、单片机控制电路、寻迹电路、温度补偿电路、直流电机驱动电路及显示电路构成。利用所设计出的超声波测距系统，对不同的距离进行了测试，并进行了误差分析。最后对测距系统进行了验证。实验表明，该系统对室内有限范围内的障碍物距离测量具有较高的精度和可靠性。
【关键词】超声波；智能小车；寻迹；温度补偿；测距
1.引言
超声波是一种指向性强的，能量消耗比较慢的波。它在介质中传播的距离比较远。因而超声波经常用于距离的测量，可以解决超长度的测量。超声波测距与其它非接触式的检测方式方法相比，如电磁的或光学的方法不受光线，被测对象颜色，电磁干扰等的影响。超声波对于被测物体处于黑暗，有灰尘，烟雾，电磁干扰，有毒等恶劣的环境有一定的适应能力。因此在液位测量，机械手控制，车辆自动导航，物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辩力，因而其准确度也较其它方法高，而且超声波传感器具有结构简单，体积小，信号处理可靠等特点。无论从精度还是从可靠性方面，超声波测距做得都比较好。利用超声波检测迅速，方便，计算简单，又易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。具有广泛的发展前景。
超声波在使用方面也是比较方便和快捷的，超声波测距模块小巧方便，使用起来比较容易。在动态测距的系统中使用起来比较方便，安装容易，在车载的测距系统中运用较为广泛。
这种方案能实现对进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，移动测距可以更精确的多角度测量，温度补偿提高测量精度，PWM脉宽调制（Pulse Width Modula-tor）控制直流电机，运用灵活方便。
2.总体方案设计
（1）驱动方式的选择：本设计采用的是PWM控制直流电机。PWM具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。直流电机由电动机、转子位置传感器和电子开关线路三部分组成。
（2）CPU的选择：本设计采用的是AT-89S52单片机，AT89S52单片机是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器。在芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash。
（3）显示系统的选择：本设计采用的是LCD液晶显示。单片机系统中使用液晶显示模块作为输出器件具有以下优点：显示质量高；数字式接口；体积小、重量轻；功率消耗小。
3.硬件设计
本系统以AT89S52单片机作为智能小车的检测和控制核心，对小车的整个行驶过程进行实时监控，使用超声波测量物体的距离，用马达控制驱动芯片L298N控制小车的行驶，小车可以在行进的同时显示被测物的距离。该系统基于可靠的硬件设计和软件的浮点运算在行进和检测过程中的精确控制，整个系统的电路结构简单，可靠性高[1]。实验测试结果满足要求，系统硬件方框***如***1所示。
3.1 寻迹模块
5对红外发射管和红外接收管全部在一条直线上，黑线同一边的两个传感器之间的宽度不得大于黑线的宽度。小车前进时，始终保持沿着黑线行走的轨迹，当小车偏离黑线时，正中间的发光二极管变亮[2]，说明是低电平，而旁边的发光二极管将变暗，说明是高电平，它就能检测到黑线，把检测的信号送给小车的处理，控制系统发出信号对小车轨迹予以纠正。若小车回到了轨道上，即中间显示高电平，旁边4个显示低电平，则小车会继续前进；最外边的两对红外发射管和红外接收管用于后备保护，它的存在是考虑到小车由于惯性过大会依旧偏离轨道，再次对小车的运动进行纠正，从而提高了小车寻迹的可靠性。现场实测表明，虽然小车在寻迹过程中有一定的左右摇摆。但只要控制好行驶速度就可保证车身基本上接近于沿着轨道行驶。
3.2 单片机最小系统模块
AT89S52单片机最小系统由AT89S52单片机及其电路组成，是整个超声波测距的核心电路。单片机最小系统是在以AT89S52单片机为基础上扩展，使其能更方便的运用与测试系统中，不仅具有控制方便和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被测试的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。单片机具有功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，应用广泛。
3.3 驱动模块
在本模块中，选用的是ST公司的L298N电机专用驱动芯片。驱动器主要由信号电源引入端，控制信号输入端，直流减速电机调速PWM脉宽信号输入端[3]，控制信号指示灯，光电隔离（抗干扰），核心芯片（L289N），二极管桥式续流保护，电源滤波，端子接线构成。
3.4 超声波模块
测量时，发射器向某一方向发出一束超声波，超声波遇到障碍物后反射回来，探测器检测到反射波后，计时器计算超声波从发射到返回所经历的时间t（称为度越时间），由于超声波的速度v在一定介质和温度下是已知的，因此其所经过的路程（发射器与障碍物距离s的2倍）即可通过下式算出：
（3.1）
（3.2）
式中：s为被测物到测距仪之间的距离；2s为超声波往返通过的路程；t为超声波从发射到接收所用的时间；v为超声波在介质中的传播速度。
这种方法称为时间差测距法。当然超声波的速度与通过的介质和介质的温度有关，在介质确定但介质温度不同时，可以测得介质温度，然后对速度进行补偿，从而获得更准确的速度和距离。例如超声波在空气中的传播速度随温度变化的关系：
（3.3）
式中：T为实际温度，℃：v为传播速度，m/s。
3.5 显示模块
在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和***形。在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、LED数码管、液晶显示器。本模块主要是采用的是LCD液晶显示模块，LCD是液晶显示屏，主要是用来做面显示的，它本身不发光，然后通过电流使屏幕产生各种颜色的浑浊现象[4]，后置一个光源来透过前面的LCD面板使人看到***案。
4.软件模块
程序总流程***如***2所示。
超声波测距程流程为：开始时设定初值，定时器0设定初值为1，总中断EA置1（即开总中断），然后输出频率为40KHz的脉冲，该脉冲串遇到障碍物后将返回到超声波接收器，障碍物越远，返回所需的时间越长，同时信号也越弱，因此可以说收到返回信号越晚，就需要更大倍数的放大，即最大放大倍数，这可能会使放大器在近距离时饱和，对测量并无影响。
电机驱动采用PWM脉宽调制信号，要使电机能够工作，正转或者反转，控制端IN1、IN2需为一高一低电平，且使能EN为1，当使能EN为0时，电机停止工作。增大占空比可使速度变快，反之，减小占空比可使速度减小。
5.实验结果
通过本系统在实验室完成了所需要的测距实验。表1是在室温为25℃的条件下测量的结果。
由表1所示，测量距离与实际距离比较接近，但测量中还是存在一定的误差。由反射物而引起的偶然的误差，这可能是测量中最大的误差源。发射探头发出的超声波并不是沿直线传播，而是呈喇叭状扩散传播的。并且反射物表面不是基于单片机的超声测距系统很平整，也并不一定垂直于两探头的轴线，所以反射回来的波也许是从不同点获得，测量的结果必然不相同。
电路中使用的电子元件都有一定的时延，电路板焊接时的焊点，以及接地都会产生干扰，对我们系统来说也就增加了一定的系统误差。
远距离测量时，回波信号微弱，混有大量的噪声，对回波信号以及输出信号的判定造成很大干扰，容易产生误判，使得测量结果有误差。
每次测量时，探头的位置，方向有微小变动，而且环境条件的不同也会得到不同的结果。
6.总结
本设计是基于超声波的移动测距系统，测量误差为0.2～1cm，测量量程为0～2m，超声波测量过程中考虑到了温度补偿，用于保证一定温度范围内测量的准确性。本设计主要研究了以下几项内容：
（1）以智能小车为平台，进行移动测距。小车具有寻迹功能，由红外发射管和红外接收管对信号进行发射与接收，使小车能沿着黑线走，从而实现寻迹功能。
（2）使用AT89S52单片机作为超声波测距的核心部分，使用方便灵活，性价比高，利用较少的资源做了较多的事，误差保证在要求范围内。
（3）驱动模块采用直流减速电机，适用于本设计所用的小车，较步进电机而言，直流电机具有体积小，重量轻，工作电压小，能耗低等优势，从而实现对小车的驱动作用。
（4）用1602LCD液晶显示，2行16列来显示被测物的距离。
参考文献
[1]管玉国，戴国瑞，高鼎山.智能气敏元件测试仪的研制[J].仪器仪表学报，1997，19（2）：223-226.
[2]戴佳，戴卫恒.C语言应用程序设计[M].北京：电子工业出版社，2006.
[3]全，张炳义等.电机测试技术[M].科学出版社， 2004：112-113.
[4]Philips Sdmiconductors Datashcct.SN54HC574 OCTAL EDGE-TRIGGEREDD-TYPE FLIP-FLOPS WITH 3-STATE OUTPUTS[S].1998.
作者简介：谭广通（1981—），男，辽宁普兰店人，大学本科，工程师，现供职于辽宁葫芦岛市91245部队，研究方向：测控技术。
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