(内蒙古机电职业技术学院，内蒙古 呼和浩特 010051)
摘 要：文章介绍了一种用于移动机器人避障的超声波测 距系统，具体设计了基于单片机控制的8路超声波测距系统的软件和硬件，并阐述了该系统 的构成和工作原理。
关键词：移动机器人；超声波传感器；测距；单片机
中图分类号：TP274＋.53 文献标识码：A 文章编 号：1007—6921(2008)16—0122—03
为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其感知障碍物的存在并及时 获取距障碍物的距离信息。
超声波是指频率在20KHz以上，不能引起正常人听觉反应的机械振动波，由于超声波指向性 强，能量消耗缓慢，在介质中传播地较远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波测 距往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，同时超声波传感器具有硬件实现简 单，性价比高等优点，因而被广泛地应用到移动机器人的感知系统中。
1 超声波测距
1.1 超声波发生器
为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生 器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方 式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所 产生的超声波的频率、功率和声波拓性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是 压电式超声波发生器。
1.2 压电式超声波发生器原理.gif)
压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图1 所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的 固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果 两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为 电信号，这时它就成为超声波接收器了。
1.3 超声波测距原理
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播， 途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时，根据接收与发射 之间所需要的时间以及声速，就可确定机器人到目标的距离。距离与时间、声速的关系表示 为D=CT/2，式中D为机器人与被测物之间的距离，C为声波在介质中的传播速度（在空气中C ＝331.4×[KF(]1+t/273[KF)]m/s，t为摄氏温度），在不要求测距精度很高的情况下，一般 可以认为C为常数，取C=340m/s，T为超声波发射到超声波返回的时间间隔，此法测距主要是 测量时间T。
2 超声波测距系统的硬件设计
本超声测距系统共有8对超声波传感器，分布在机器人前方、左方和右方，分别辨识正前方 、左前方、右前方、左方和右方的障碍物信息。在硬件设计上，采用上、下位机结构，下位 机主要完成测距数据的采集处理，上位机则根据下位机采集的距离等数据完成复杂的避障算 法。下位机采用AT89C51单片机对8路超声信号进行循环采集，并将数据送到数据缓冲区存储 ，同时还把所采集的距离数据及时传给上位机。上位机采用PC机，一旦下位机有数据发送就 立即启动中断接收子程序接收。上位机与下位机通过RS—232串行口相连。该测距系统结构 框图如图2所示，测距系统主要由超声波发送、接收、时间计测、单片机控制等部分组成。
2.1 超声波发送电路
超声波发送电路由多谐振荡器LM555、功率放大器、多路选择开关CD4097B及超声波发射传感 器等环节组成。经分析可知，频率为40KHz左右的超声波在空气中传播的效率最佳，图3即为 单独一路的40KHz超声波发送电路（略去多路选择开关CD4097B）。其工作原理如下：
单片机通过软件编程首先初始化端口P1，使引脚P1.4为低电平，发送给LM555的置零输入端 ，使其振荡器的输出被置为低电平，不受其他输入端状态的影响。当要发送超声波信号时， 其单片机通过软件控制P1.4引脚输出高电平则使LM555振荡器的置零输入端为高电平，振荡 器输出40KHz的方波，经过功率放大，经多路选择开关CD4097B按序传送到选通通道的超声波 发生传感器，开始发射超声波。通过软件控制经过一段延时以后即可以使P1.4引脚输出低电 平，则使振荡器输出端输出零，关闭超声波的发送。一般发射超声波时间为125～200微秒， 即5～8个40KHz的方波。
脉冲发送间隔取决于要求测量的最大距离及测量通道数。本系统有八路测距通道，采用分时 工作，按顺序循环测距。若在有效测距范围内有被测物的话，则应在后一路超声波束发出之 前接收到前一路发出的反射波，否则认为前一路无被测物。因此按有效测距范围可以估算出 最短的发送脉冲间隔时间。本系统设计的最大测距范围为5m，所以脉冲间隔时间为t=2s/v=2 ×5/340≈30ms,实际应取≥30ms,本系统中定时发送脉冲的过程通过定时器T0定时30ms的中 断来完成。
2.2 超声波接收电路
回波接收电路由超声波接收传感器、多路选择开关CD4097B、放大电路LM358以及音频译码器 LM567等环节组成。图4为单独一路超声波接收电路原理图（略去多路选择开关CD4097B）。 其工作原理如下：
由于在距离较远的情况下，声的回波很弱，因而转换为电信号的幅值也较小，因此要经过信 号放大。超声波接收器接收到超声波信号以后经过放大器LM358放大，经放大后的信号输入 给音频译码器LM567。LM567是带有锁定环的音频译码集成块，其5、6脚外接的电阻和电容决 定了内部压控振荡器的中心频率f0，f0=1/1.1RC ,其1、2脚通常分别通过电容器接地，形成 输出滤波网络和环路单级低通滤波网络，2脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽：电容值越 大，环路带宽越窄。调节R8在发射的载频上，当3脚输入信号频率为40KHz，幅度＞25mV 时，输出端8脚由高电平变为低电平，此低电平信号被连接到单片机的INT0引脚向CPU发中断 请求。在中断服务程序中，计算从发射到接收的距离。
2.3 时间计测
超声波从发送到接收的时间间隔的测定是由单片机内部的计数器T1来完成的，在超声波发送 的同时启动计数器T1，在INT0中断进入中断服务程序中时关闭T1读取计数值，由此可以得到 超声波的传播时间，根据从发射到接收所花的时间算出障碍物距离。
由于超声波发射传感器与超声波接收传感器相隔很近，这样当发射传感器发射超声波时，有 部分超声波未经被测物反射就直接绕射到接收传感器上，从而引起系统误差。为了防止系统 的误差，在这里采用了延迟接收技术，即在开始发射超声波后1ms左右，接收电路对此期间 到达的任何信号都不予理睬，计数器计到预定延迟时间后信号才有效，以此来提高系统的抗 干扰能力。因此在发送40KHz超声波后立即启动T1，待延迟1ms后开启接收回波中断，这样就 能有效躲过这种干扰问题。采用这种延迟技术同时也不可避免地产生了所谓地“盲区”，本 系统的盲区约为17cm左右，即障碍物在17cm以内时，系统不能检测。
2.4 单片机控制
单片机通过控制多路选择开关CD4097B来决定八个通道分时工作的顺序。多路选择开关CD409 7B是一个双八选一开关，CD4097B的X侧选择发送通道，Y侧选择接收通道，