一种基于超声波和红外的测距定位系统

引言

　　传感器检测技术、无线电通讯技术、计算机控制技术是现代信息技术的三大支柱，它们分别构成了信息技术系统的"感官"、"神经"和"大脑"。传感器技术是信息社会的重要技术基础，其品种、性能和质量直接决定了信息技术系统的功能和质量。因此有人说："征服了传感器就等于征服了科学技术"。由此可见，传感器的开发与运用具有重大的意义。随着现代科学技术的发展，人们对传感器的性能水平及运用方式提出了更高的要求，而在被人们广泛运用的传感器家族中，超声波传感器和红外线传感器以其优异的性能得到人们的青睐，广泛用于军事、医疗、工业和家电产品。但目前超声波传感器和红外线传感器一般都是单独使用，由于这两种传感器具有功能互补的特点，故而应把这两种传感器综合起来，以制作出功能更全、精度更高、结构更简、成本更低的传感器探测系统。基于上述考虑，本文开展了基于超声波与红外线探测技术的测距定位系统的研究。

　　1　测距原理分析

　　目前，超声波传感器广泛用作测距传感器，常作为一种辅助视觉手段与其他视觉工具（如CCD图像传感器）配合使用，可有效提高机器的视觉功能。

　　1.1　超声波发生器

　　超声波发生器可分为两大类：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。电气类包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械类包括加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也有所不同。目前常用的是压电式超声波发生器。

　　1.2　压电式超声波发生器工作原理

　　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，其外观结构与内部结构分别如图1和图2所示。

图1　超声波发生器外观结构

图2　超声波发生器内部结构

　　该传感器有两个压电晶片和一个共振板，当其两极外加脉冲信号，且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，将迫使压电晶片振动，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，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离S,即：S=340t/2。

　　2　定位原理分析

　　由于超声波传感器的波束发散比较严重，当超声波发射点距障碍物较远时，超声波传感器的方向定位精度较差，因而有必要引入其它方法或传感器来改善其性能。经查阅资料得知，红外线传感器可弥补其性能上的不足。红外线具有光束发散小的优点，目前很容易得到光束视角小于5°的红外线传感器。

　　相对于超声波传感器，其定向精度有了很大的提高。而且，还可以采用反应速度较快的红外线传感器（如光导红外传感器，其响应时间达到了微秒级）来消除超声波传感器盲区，提高系统的整体性能。

　　当红外线反射型传感器接通电源后，即从模块内部的红外线反射管向前方发射红外线，一旦有物体或人体进入其有效探测范围内时，红外线就会有一部分被反射回来，被与发射管同排安装的光敏接收管所接收，光敏接收管的电阻将因此减少，引起与其串连的电阻出现电压变化，由电压比较器处理后，在输出端给出低电平信号，引起单片机中断，从而进行有效控制。

　　红外线反射型传感器的检测距离与工作电压密切相关。工作电压越高，红外线反射功率越强，检测距离就越远；反之，电压低，检测距离就相对较近。

　　3　系统总体方案

　　本文研究目标是利用单片机应用技术及传感器探测技术，开发一套传感器定位测距系统。该系统将采用超声波传感器来测距，采用红外线传感器来定位，其组成框图如图3所示。

　　系统包括四部分：超声波收发部分、红外线收发部分、控制部分和显示部分。控制部分是一个单片机系统，包括信号发射功能、信号判断和分析功能以及控制显示功能。

图3　系统总体框图

　　4　系统硬件设计

　　4.1　微控制器单元设计

　　微控制器单元设计是本系统的核心部分，针对系统要求体积小、功耗低的特点，选用AIMEL公司的AT89C51。这是一个带有4K字节闪速可编程可擦除只读存储器的低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，可与工业标准80C51的指令设置和管脚输出兼容，因而具有较好的实用性[2]。在选定单片机型号以后，还需完成以下电路的设计工作。

4.1.1　复位电路设计

控制系统的复位电路应具有上电复位和手动复位功能。由于复位电路易受噪声干扰，故在设计时，一要保证整个系统可靠