超(chao)聲波傳感器(qi)(qi)是移(yi)動機器(qi)(qi)人避障(zhang)、測(ce)距(ju)常用傳感器(qi)(qi)之一。傳感器(qi)(qi)安(an)裝(zhuang)在機器(qi)(qi)人上時距(ju)離地(di)面不能太近(jin)，太近(jin)容易產生干擾信(xin)號，而且容易將可以(yi)翻越的障(zhang)礙(ai)物當(dang)成無法(fa)逾越的障(zhang)礙(ai)物。傳感器(qi)(qi)兩探頭間(jian)的距(ju)離不能太遠也不能太近(jin)，太遠測(ce)量誤差過大，太近(jin)串擾信(xin)號過強。
機器(qi)人(ren)硬(ying)件(jian)系(xi)統主要(yao)包(bao)括(kuo)：ARM處理(li)(li)器(qi)、單片(pian)機、外圍(wei)接口電路、機器(qi)人(ren)底盤以(yi)及電源(yuan)等，其中ARM處理(li)(li)器(qi)是(shi)上層的核心，51單片(pian)機是(shi)下層的核心。硬(ying)件(jian)結(jie)構(gou)框圖如圖1所示。
圖1 硬件結構框圖
移動機(ji)器人采用H橋控制方案，整體控制方案如圖2所(suo)示。
圖2H橋控制方案
電(dian)機(ji)(ji)共有4路PWM輸出(chu)分(fen)別作為(wei)左右輪的驅動，而通(tong)過2路PWM輸出(chu)可控制一個電(dian)機(ji)(ji)，兩個電(dian)機(ji)(ji)以并聯方式(shi)連接。
當L298N芯片使能信號(hao)ENABLE為高時，輸出才隨(sui)輸入(ru)變(bian)化，否則為高阻態，所(suo)以焊接時，ENABLE引腳及電(dian)源引腳VS均接電(dian)源VCC。
具體驅動(dong)過程(cheng)為(wei)(wei)：通(tong)過編程(cheng)由控(kong)制芯(xin)片經PWM發出(chu)(chu)驅動(dong)信號(hao)，PWM輸出(chu)(chu)作為(wei)(wei)L298N的輸入，經L298N轉(zhuan)(zhuan)換輸出(chu)(chu)控(kong)制信號(hao)使電機轉(zhuan)(zhuan)動(dong)，從而實現電動(dong)機的驅動(dong)。
PWM輸(shu)(shu)出(chu)信號(hao)(hao)的高低(di)(di)則(ze)可以(yi)控制(zhi)直流(liu)電機轉(zhuan)速(su)。當占(zhan)(zhan)空(kong)比加(jia)大時，轉(zhuan)速(su)升高；占(zhan)(zhan)空(kong)比減小時，轉(zhuan)速(su)降低(di)(di)；當PWM信號(hao)(hao)輸(shu)(shu)出(chu)占(zhan)(zhan)空(kong)比為0時可控制(zhi)電機的停止(zhi)。
當左輪(lun)停止，右(you)輪(lun)轉(zhuan)(zhuan)時(shi)(shi)，小車(che)左轉(zhuan)(zhuan)；當右(you)輪(lun)停止，左輪(lun)轉(zhuan)(zhuan)動時(shi)(shi)，小車(che)右(you)轉(zhuan)(zhuan)。而2路PWM輸(shu)出(chu)的(de)(de)正(zheng)負順序轉(zhuan)(zhuan)換則(ze)可控制(zhi)(zhi)電(dian)機(ji)的(de)(de)正(zheng)反轉(zhuan)(zhuan)，進而控制(zhi)(zhi)小車(che)的(de)(de)前進和后退。
系統軟件結構如(ru)圖3所(suo)示。
圖3 系統軟件結構
超聲波發射模塊設計
外(wai)加信(xin)號頻率(lv)等于兩壓電(dian)(dian)(dian)晶(jing)片(pian)的(de)(de)固有(you)振動(dong)頻率(lv)時，將會(hui)發(fa)生共振，課(ke)題中(zhong)采用(yong)的(de)(de)超聲波傳感(gan)器中(zhong)心(xin)頻率(lv)為40kHz，因此在超聲波發(fa)射(she)電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)中(zhong)，通(tong)過軟件編(bian)程方式，對單片(pian)機(ji)(ji)I/O口置高(gao)和置低，產生40kHz脈沖信(xin)號，輸出到發(fa)射(she)電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)中(zhong)。由于AT89S51單片(pian)機(ji)(ji)I/O口使用(yong)時能(neng)提供20mA灌電(dian)(dian)(dian)流能(neng)力，而(er)吸電(dian)(dian)(dian)流能(neng)力較小(xiao)，所以用(yong)74HC04來提高(gao)其輸出電(dian)(dian)(dian)流的(de)(de)能(neng)力，保證40kHz的(de)(de)脈沖信(xin)號有(you)一定的(de)(de)功率(lv)。超聲波發(fa)射(she)模塊(kuai)原理圖如(ru)圖4所示。
圖4 超聲波發射模塊原理圖
超聲波接收模塊設計
如圖(tu)5所(suo)示(shi)，超聲波接(jie)收處理(li)電(dian)(dian)路采用集成(cheng)電(dian)(dian)路CX20106. CX20106接(jie)收到(dao)與其中心(xin)頻率(lv)相符(fu)的信號時， 7腳(jiao)就(jiu)輸(shu)出低電(dian)(dian)平。 7腳(jiao)輸(shu)出的脈(mo)沖下降沿(yan)和紅外傳感器測距信號相與后接(jie)單(dan)片機中斷(duan)口。
圖5 超聲波接收電路原理圖
反射式紅外傳感器檢測系統設計
紅(hong)(hong)外(wai)(wai)測距(ju)電路(lu)如圖6所示(shi)， LM567可以(yi)構成低頻振蕩(dang)器作(zuo)為紅(hong)(hong)外(wai)(wai)傳感系統的(de)編碼電路(lu)，即利用(yong)其(qi)內部的(de)壓控振蕩(dang)器來產生低頻信號(hao)，由(you)于R25=10.9kΩ， C25=2200pF，根據公(gong)式f0 =1/1.1RC，5腳輸出頻率(lv)38.91kHz的(de)脈沖信號(hao)。此脈沖信號(hao)使(shi)三極管T1（8050）工(gong)作(zuo)于開(kai)關狀態，驅動紅(hong)(hong)外(wai)(wai)發(fa)(fa)(fa)光二極管發(fa)(fa)(fa)出的(de)紅(hong)(hong)外(wai)(wai)脈沖。采(cai)用(yong)這種方法省去了(le)(le)信號(hao)發(fa)(fa)(fa)生電路(lu)，簡化了(le)(le)線(xian)路(lu)和(he)調試(shi)工(gong)作(zuo)，又防止(zhi)了(le)(le)周圍環境變化和(he)元件參數(shu)變化對收發(fa)(fa)(fa)頻率(lv)造(zao)成的(de)差異(yi)，實現了(le)(le)紅(hong)(hong)外(wai)(wai)線(xian)發(fa)(fa)(fa)射與接收工(gong)作(zuo)頻率(lv)的(de)同步(bu)自(zi)動跟蹤，使(shi)電路(lu)的(de)穩定(ding)性(xing)和(he)抗干擾能力大大加(jia)強(qiang)。
圖6 反射式紅外傳感器測距原理圖