对超声波的另一种描述讲解.docx

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对超声波的另一种描述讲解

电子设计报告

题目：

自动避障电动小车

学校：

郑州大学西亚斯国际学院电子工程系

指导老师：

忽晓伟周伟

队员姓名：

陈亚丽王荣磊

第一部分设计任务及要求

一、任务

二、要求

第二部分方案分析与论证

一、主控系统分析与论证

二、机械系统分析与论证

三、传感器系统分析与论证

四、语音系统分析与论证

五、小结

第三部分硬件的具体设计与实现

一、主控系统原理框图与模块设计

二、机械系统原理框图与模块设计：

1、前轮电机驱动模块设计

2、后轮电机驱动模块设计

三、超声波检测模块原理框图与模块设计

四、语音系统原理框图与模块设计

第四部分系统软件设计

一、程序总体流程图

二、各个功能模块流程图

第五部分系统组装,调试与测试

第六部分附加功能

一、语音启动控制

二、数码管显示蔽障次数

三、语音播报运动时间

附录：

附录A电原理图

附录BPCB板图

附录C程序清单

摘要

本系统采用凌阳SPCE061A十六位单片机为控制核心，采用超声波传感器来检测障碍，达到精确躲避（再开发:

采用红外传感器进行里程统计）；采用直流电机实现精准控制小车的前进、后退、左转、右转、快慢速行驶、从而躲避避障；采用语音控制方式小车启动。

本次设计基于完备的软硬件系统,很好的实现了小车语音启动、自动行驶和避障、播报运动时间和显示蔽障次数等功能。

关键词:

超声波传感器语音遥控凌阳61板控制系统

Abstract

Keywords:

MCUsensor

第一部分设计任务与要求:

一．任务：

要求：

小车能够躲避大小不一样的障碍物，可以用于因控制其启动，自动蔽障。

发挥：

能够播报使用的时间和蔽障次数。

第二部分方案的分析与论证:

根据题目要求，系统可划分为几个基本模块，如图所示。

对各模块的实现，分别有以下不同的设计方案：

一、主控系统分析与论证:

方案一：

采用凌阳公司的16位MCU-SPCE061A

方案二：

采用英特尔的MCS-51系列单片机

性能比较：

相关规格比较如下：

MCU-SPCE061A

MCS-51

核心

16位u’nsp

8位8051核心

IO口

32:

A（16）、B（16）可以单独定义输入输出口的状态

32：

P0（8）、P1（8）、P2（8）、P3（8）不可以单独定义状态

中断结构

14个中断源、2个优先级；

5个中断源、2个优先级别

存储器

32K字FLASH

2K字SRAM

4KROM

128字RAM

CPU时钟

32768HZ～49.152MHZ（可软件选择）

2～8MHz

位操作

无

有

本题若使用MCS-51设计则难免设计更多的外围电路，不方便小车携带。

而凌阳MCU-SPCE061A板内部集成了AD/DA转换、功能强大的16位微处理器，内置MIC放大电路和自动增益（AGC）放大电路，2个16位通用定时器/计数器，实时实钟（RTC），低电压复位、低电压监测，内置在线仿真接口（ICE），具有保密功能，具有WatchDog功能，这些为小车的功能扩展提供了相当大的空间，按照该单片机的要求对其编制程序可以实现很多不同的功能。

二、机械系统分析与论证:

本题目要求小车的机械系统稳定、简单、而四轮运动系统具备以上特点，因此我们选用市售玩具汽车的运动系统并进行了改装：

1、小车电动机模块的选择：

方案一：

同样是采用一般的玩具直流电动机，采用的是左右轮分开控制的策略，左右轮分别用一个电机控制。

方案二：

玩具小车上的电机均为一般的玩具直流电动机，前轮用一个电机来控制方向，后轮用另一个电机来控制速度。

以上两种方案中，方案一采用左右轮分开控制的方法，此实验转向灵敏度要求并不很高，且左右驱动增加了程序的繁琐；方案二对于避障来说较易控制。

因此，我们采用方案二——前后轮驱动。

2、电动机转速控制的选择：

方案一、采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。

但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较贵。

更主要的是问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。

方案二、采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。

优点为电路简单，缺点是继电器的响应时间慢，机械结构易循损坏，寿命短，可靠性不高。

方案三、PWM即直流脉宽调制，它是利用器件的开关作用将直流电源电压转换位一定频率的方波电压加在直流电动机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制来改变电枢的平均电压，从而来实现电动机的转速。

由于PWM调速系统中功放元件工作在开关状态，且开关频率高，具有以下优点：

1、核心电路简单，需要功率器件少。

2、开关频率高，电流易连续，谐波少，电机损耗和发热较少。

3、电枢电流易连续，系统在低速时性能好，调速范围宽，稳速精度高。

4、系统频带宽，快速性好，动态抗干扰能力强。

5、电流波形系数好，主电路器件开关损耗小，装置效率高。

玩具车的电源时由4节1.5V的电池，电源的电压和能量都十分有限。

而PWM控制需用的大功率可控器件少，系统的工作效率高，电路实现简单，而且我们选用的凌阳单片机可以直接进行PWM输出。

因此我们采用了PWM调速控制方案。

三、避障传感器系统分析与论证:

   方案一、红外传感器的的测距基本原理为发光管发出红外光，光敏接收管接收前方物体反射光，据此判断前方是否有障碍物。

根据发射光的强弱可以判断物体的距离，它的原理是接收管接收的光强随反射物体的距离而变化的，距离近则反射光强，距离远则反射光弱。

方案二、超声波传感器的原理是：

超声波由压电陶瓷超声波传感器发出后，遇到障碍物便反射回来，再被超声波传感器接收，然后将这信号放大后送入单片机。

红外传感器受器件特性的影响，一般的红外光电开关抗干扰性差，受环境光影响较大；并且探测物体的颜色、表面光滑程度不同，反射回的红外线强弱就会有所不同。

而超声波系统测量距离较远,且环境适应力强。

因此我们选择方案二。

四、语音系统分析与论证

方案一、选择专门的语音存储芯片ISD1420，通过单片机进行录放音的控制。

用这种方法虽然比较简介方便，但是在地址模式所占IO口较多,在操作模式下进行随机播放又需快进,较适合于顺序播放。

且存储空间较小，只能存储总计20s的语音，无法进行语音识别。

为了能更好的使用语音播放和语音辨识，我们放弃了此方案。

方案二、选择DSP进行语音识别，DSP具有很强的信息处理能力，能够进行语音的存储录放和语音的辨识，但是考虑到系统的成本和使用的灵活和方便，我们放弃了此方案。

方案三、使用凌阳61开发板，该精简开发板体积小，使用方便，且具有凌阳系列的很强的语音处理功能，且具有语音播报和辨识的模块。

凌阳61单片机是16位单片机，具有DSP功能，有很强的信息处理能力，最高时钟频率可达49MHz，具有运算速度高等优势。

这些都为语音处理和辨识准备了很好的条件。

因此我们选用了方案三。

五、小结：

经过一番仔细的比较与论证，我们确定了系统各个主要模块的最终方案如下：

主控系统：

采用采用凌阳公司的16位MCU-SPCE061A

机械系统：

用两个直流电机前后轮驱动用直流脉宽调制速度。

避障传感器系统：

超声波传感器

语音系统：

使用凌阳61开发板语音系统

第三部分：

硬件的具体设计与实现

一、主控系统原理框图与模块设计

系统总体方案介绍

用61板来控制电动小车，使用IOB0-IOB15用于超声波传感器,IOA8-IOA11来控制小车的行进动作,IOA0-IOA7,IOA15用于数码管显示。

如图所示：

　　系统主要由61板、超声波测距模组和小车驱动电路构成。

61板作为整个系统的主控板，超声波测距模组在小车运动期间定期检测前方是否存在障碍物，驱动电路驱动电机，在主控板61板的控制下完成各个动作。

另外增加了特定人语音识别的功能，通过命令来控制小车，使小车智能化。

　　在主函数中调用相关函数完成特定人语音的训练，然后在训练成功后进行语音识别，根据识别的命令执行小车启动的操作。

程序流程如图所示：

主程序流程图

根据FLASH中的标志位来进行判断是否为第一次下载。

使用库函数BSR_ExportSDWord（uiCommandID）将训练好的语音模型导出存储到FLASH中进行操作，然后再调用读写FLASH函数。

在进行语音识别时，首先读取FLASH将语音模型取得，然后调用BSR_ImportSDWord（uiCommandID）函数将语音资源载入内存。

在识别出命令后，执行小车启动前进动作。

　　在小车运动期间会播放语音。

播放采用后台方式，使用4096Hz时基中断处理语音解码。

这样可以释放大量CPU资源在前台处理其他事务。

　　语音播放函数流程图如图4-2所示。

图4-2语音播放程序流程图

　　在4096Hz时基中断中进行的处理流程如图4-3所示。

图4-3语音播放中断服务程序流程图

避障的实现是在小车运动期间利用超声波传感器完成的。

程序将调用超声波测距函数进行小车前方障碍物检测。

测距函数利用MCU产生40KHz超声波发射传感器。

当接收传感器接收到回波后经过处理电路处理将引起SPCE061A的外部中断，计算从发射超声波到产生中断的时间，即可计算出目标物体的距离。

测距函数流程如图4-4所示。

图4-4 测距函数流程图

二、机械系统原理框图与模块设计：

1、前轮电机驱动模块设计

2、后轮电机驱动模块设计

三、超声波检测模块原理框图与模块设计

二、超声探测器的选型与工作方式

1、超声探测器的选型

超声探测技术主要用于中程测距、结构探伤等领域，超声波换能器是其核心部件，换能器按其工作介质可分为气相、液相和固相换能器；按其发射波束宽度可分为宽波束和窄波束换能器；按其工作频率又可分为38KHz、40KHz等不同等级。

按题目要求我们选用气相、窄波束、40KHz的超声波换能器。

2、用超声波探测器测距的工作方式的选取

当利用超声波探测器测距时常用二种方法——强度法和反射时间法，强度法是利用声波在空气中的传输损耗值来测量被测物的距离，被测物越远其反射信号越弱，根据反射信号的强弱就可以知道被测物的远近，但在使用这种方法时由于换能器之间的直接耦合信号很难消除，在放大器增益较高时这一直接耦合信号就可使放大器饱和从而使整套系统失效其原理如图2.2.1示，由于直接耦合信号的影响强度法测距只适合较短距离的且精度要求不高的场合。

反射时间法是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离其原理如图2.2.2示，对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数，我们通过测量回波时间T利用公式

其中，S为被测距离、V为空气中声速、T为回波时间（

），可以计算出路程，这种方法不受声波强度的影响，直接耦合信号的影响也可以通过设置“时间门”来加以克服，因此这种方法非常适合较远距离的测距，如果对声速进行温度修订，其精度还可进一步提高，本题中我们选用此方法。

图2.2.1强度法示意图

T2

1、 功能简介

　　三种测距模式选择跳线J1（短距、中距、可调距）：

　　短距：

20cm～100cm左右（根据被测物表面材料决定），精度1cm；-

　　中距：

70cm～400cm左右（根据被测物表面材料决定）；

　　可调：

范围由可调节参数确定，当调节在合适的值时，最远测距700cm左右；

2 、电气参数

　　超声波传感器谐振频率：

40KHz

　　模组传感器工作电压：

4.5V～9V

　　模组接口电压：

4.5V～5.5V

3 、超声波发射电路原理图

超声波谐振频率调理电路原理图

　　由单片机产生40KHz的方波，并通过模组接口（J4）送到模组的CD4049，而后面的CD4049则对40KHz频率信号进行调理，以使超声波传感器产生谐振。

4 、超声波回波接收处理电路

超声波回波接收处理电路

　　超声波接收处理部分电路前级采用NE5532构成10000倍放大器，对接收信号进行放大；后级采用LM311比较器对接收信号进行调整，比较电压为LM311的3管脚的输入，可由J1跳线选择不同的比较电压以选择不同的测距模式。

5、电源接口

 超声波模组的电源接口电路

　　为外部电源接口，最高电压不要超过12V，J2为电源选择跳线，VCC_5即为由61板通过10PIN排线引入模组的电源；VCC即为模组的放大器、调理电路的供电电源。

当用户使用61板为其供电时，要把VCC与VCC_5V短接；而使用外部电源时，要把VCC与VCC_IN短接。

6 、测距模式选择跳线

 超声波测距模式选择跳线电路

　　模组提供了测距模式选择跳线J1，可以选择短距测量模式、中距测量模式，或距离可调模式。

跳线选择LOW时为近距测量模式，选择HIG时为中距测量模式；选择SET时为距离可调模式。

凌阳科技大学计划提供了短距测量模式和中距测量模式的完整程序（其中ultrasonic_Low为短距测量模式程序；ultrasonic_long为中距测量模式程序）。

7、 模组接口

 超声波模组接口电路

用户只需要把前面的电源输入跳线J2、测量模式选择跳线J1设置好后，用排线把J5与SPCE061A的IOB口低八位相接，J4与IOB口高八位相接，即可使用了。

8 、注意事项

　　◆提供给模组的电源必须在4.5V以上，而且尽量保持电源电压的稳定。

　　◆模组外接电源接口J3接入的电源不要超过12V。

　　◆模组工作的性能与被测物表面材料有很大关系，如毛料、布料对超声波的反射率很小，会严重影响测量结果。

　　◆模组的中距测距模式的精度与程序设计有关，提供的范例程序中没有对测距结果进行标定，所以有3～5cm的距离误差时是正常的。

超声波模块是用来测距并且避障用的，我们没有选用现有的超声波模块，而是自己根据超声波的原理，利用超声波探头和一些外围电路而搭建起超声波模块。

超声波测距的原理如下：

首先超声波传感器向空气中发射声脉冲,声波遇到被测物体反射回来,若可以测出第一个回波达到的时间与发射脉冲间的时间差t,利用

即可算得传感器与反射点间的距离s,测量距离

若s>>h时,则d≈s。

系统中有三个超声波模块，其中每个都有接收探头与发射探头，这三个模块分别位于小车的前、左、右处，来进行测距以达到避障的效果。

对于放射探头，我们选用的是发射频率为40KHz的一种，该类型现在应用较普遍，电路也比较简单，只需给发射端40KHz的脉冲，发射探头即不断的往外发送超声波。

对于接收探头，因为接收的超声波信号很微弱而且考虑到干扰的因素，接收端有放大电路与滤波电路。

当接收到超声波时，IO口即为高电平。

若此IO支持外部中断，则可在MCU中引发中断。

在我们的系统中，三个超声波模块接收端都有外部中断功能的IO口来确定是否检测到超声波。

因此通过计算测的距离障碍物的距离然后就可以判断是否转弯。

四、语音系统原理框图与模块设计

（一）超声波传感器

   超声波测距的方法为回声探测法，发射换能器不断发射声脉冲，声波遇到障碍物后反射回来被接收换能器接收，根据声速及时间差计算出障碍物的距离。

距离与声速、时间的关系表示为

式中：

s为与障碍物间的距离，m;c为声速，m/s；t为第一个回波到达的时刻与发射脉冲时刻的时间差，s。

c与温度有关，空气中声速与温度的关系可表示为

式中c为声速，m/s;θ为环境温度，℃。

（二）提高超声波测距精度的方法

1．采用合适的频率和波长：

使用超声波传感器测距，频率取得太低;外界杂音干扰较多；频率取得太高，在传播过程中衰减较大。

并且，超声波传感器在测量过程中容易产生盲区，接收端易接收到泄漏波。

改善这一缺点，须减少发射波串的长度，增高发射波频率。

但发射波串长度过短会使得发射换能器不能被激振或激振达不到最大值；发射波频率过高则衰减大，作用距离下降、有试验表明：

使用40kHz的超声波，发射脉冲群含有10-20个脉冲，具有较好的传播性能。

2．提高系统的计时精度也可提高超声波的测距精度，计时器的计数频率越高，则由于时间的量化误差所引起的测距误差就越小。

3．对系统电路的时间延迟进行补偿可以减小测距误差，提高测距精度。

延迟时间

式中△t为延迟时间，s;s1,s2为2个已知的测量距离，m；t1，t2为对应的测量时间，s。

三、硬件系统构成

（一）系统组成

该测距系统由单片机、超声波发射接收电路、红外发射接收电路、数码显示电路及串口通信电路等模块组成，见图1。

控制核心为凌阳16位单片机SPCE061A，芯片上集成有2个16位可编程定时器/计时器，14个中断源，32位通用可编程输人/输出通道，7通道10位A/D转换器。

移动机器人的前方、左方、右方各安装一套超声波及红外传感器，使机器人能够感知3个方位的障碍信息。

单片机在接收到传感器的信息后，将传感器的信号转换为距离信息，在LED数码管上显示，并通过串口RS-232接口与上位PC机通信，传输距离信息。

（二）超声波传感器电路

凌阳单片机的I/O9-I/O11口接三路超声波发射电路，I/O3-I/O5接三路超声波接收电路。

单片机产生的40kHz信号由I/O输出，经反相器4049B组成的升压放大电路，最后，由超声波发射换能器UCM40T发射；声波遇到障碍物返回，被接收换能器UCM40R接收，信号经OP07组成的两级放大电路放大，通过锁相环音频译码器LM567选 频，滤除干扰信号，最后，通过I/O口输入单片机。

单片机通过声波的传输时间计算障碍物距离。

（三）红外传感器电路

凌阳单片机的I/O0～I/O6可作为10位A/D转换器。

本系统中，凌阳单片机的I/O0～I/O2口作为A/D转换器使用，I/O6～I/O8接三路红外发射电路，I/O0～I/O2接三路红外接收电路。

单片机I/O口输出高电平时与红外发光管TLN205导通，发射红外光；光波在遇到障碍物后反射，被红外接收管TPS708接收，产生一个与光强相对应的电流，电流经LM358组成的两级放大电路放大后，输出一个0～3V的模拟电压，经A/D口输人单片机。

单片机通过 电压的大小计算、判断障碍物的距离。

四、软件设计

   单片机SPCE061A选用系统时钟频率fosc＝20.480MHz，CPU时钟频率（CPUCLK）为fosc/2＝10.24MHz，时钟源A选用频率32768Hz，时钟源B选用频率1Hz,,SPCE061A提供2个16位的定时／计数器：

TimerA和TimerB。

TimerA的时钟源由时钟源A和时钟源B进行与操作形成；TimerB的时钟源仅为时钟源A。

   40kHz的超声波脉冲为高低电平各占12.5μs的方波，CPU时钟计数延迟123个指令周期即为12.5μs。

单片机通过不断的交替产生12.5μs的高低电平即可产生40kHz的脉冲信号，每次发射20个脉冲的脉冲群，持续0.5ms，脉冲发射、间隔时间至少20ms，从I/O口输出。

系统选用定时器A作为产生20ms的定时中断，选用定时器B作为超声波计数器。

   由于超声波传感器存在测量盲区，因而，在程序设计中，将远于30cm的测距由超声波传感器完成，30cm以内由红外传感器完成。

   红外测距过程中，选用定时器A产生0.1S的中断进行A/D采样，并将采样的电压值转换为距离信息。

主程序中，首先，进入红外探测子程序，如果探测到障碍物，则进人数据传输、显示及运动控制子程序；没有探测到障碍物，则进入超声波探测子程序。

超声波探测到障碍物，则进人数据传输、显示及运动控制子程序，没有探测到障碍物，则循环进行红外探测。

图2、图3分别为红外及超声波探测子程序。

五、测量结果

试验过程中，采用同大小、质地、颜色的障碍物进行测量。

试验表明：

系统在0～200cm的范围间测距精度在1％之内，能够较为准确对障碍物进行测距。

在30cm以内的测距由红外传感器完成，30～200cm之间的测距由超声波传感器完成，试验结果见表1。

六、结束语

   本文研究了一种低成本、低功耗、高效能的移动机器人侧距系统，采用超声波和红外传感器的多传感器系统，有效地解决了单一传感器测距系统中测量盲区的缺陷问题；并且，采用3组传感器组装配在机器人的3个不同位置，使得机器人可完成3个不同方位的测距任务。

三 系统原理图及说明

系统原理框图如下图所示。

主控元件采用凌阳SPCE061A单片机，属于凌阳u’nSP™系列产品的一个16位结构的微控制器。

SPCE061A在2.6V～3.6V工作电压范围内的工作速度范围为0.32MHz～49.152MHz，较高的工作速度使能很快的处理复杂的数字信号。

32位可编程的多功能I/O端口；两个16位定时器/计数器；32768Hz实时时钟；低电压复位/监测功能；8通道10位模-数转换输入功能并具有内置自动增益控制功能的麦克风输入方式；双通道10位DAC方式的音频输出功能。

四硬件电路设计

4.1 单片机最小系统设计

单片机最小系统接线如图2所示，在OSC1、OSC2端接上晶振及谐振电容，在锁相环压控振荡器的阻容输入VCP端接上相应的电容电阻后即可工作。

其他不用的电源和地端接上0.1μF的去藕电容用以提高抗干扰能力。

4.3驱动电路的设计

在驱动电路部分，本系统采用的是PWM控制。

由凌阳61板I/O口控制，结构如图（4）所示。

PWM1\PWM2分别控制转向与行进的速度，继电器K2\K3控制电机的转动方向。

图（4）

 五.应用实例分析前景展望

1.步进电机与直流电动机

2.左右转向灯

3.车速显示

4.时间显示

5.超声波与红外避障系统

6.金属探测报警器

7.单片机遥控发射接收系统

1.步进电机与直流电动机

本车步进电机采用四相的，采用的是单4拍。

通电顺序为A-B-C-D。

这样可以定出步距角为1.5度。

支流电机采用带齿轮减速的电机，转速降低，但转力提高了。

两者合理配合可以提高小车的精确转向定位，提高小车的防干扰性，在不平的路面上仍能正常行走。

在未来的我国登月计划中登月车的设计中它们可占有一席之地，可以为国家的航天事业做出一定贡献。

2.左右转向灯

.各种型号的车上方向灯是必不可少的。

本车的方向灯的设计上采用同一转向双重设计，即用红绿两种不同颜色的灯显示小车的转向程度。

当小车前轮转向角在0—22.5度时绿灯亮，而当小车前轮转向角在22.5—45度时红灯亮。

前者显示小车在缓慢转弯，而后者则表示小车处于急转弯状态。

它的实现是通过对步进电机步数测量得出的结果，当步进电机走的步数在0—15步内，绿灯亮15步以上红灯亮。

本项技术可清晰显示小车的行走状态，若将其应用与真实汽车上也是对汽车转向系统的一个改进，可进一步减少交通事故的发生。

3.车速显示

车速显示方面：

为了提高AT89C51中主控芯片管脚的利用率，在显示驱动，我们选用美国MAXIM公司生产的串行接口8位LED数码管驱动器芯片MAX7219。

选择MAX7219有以下几点原因：

（1）采用三线串行传送数据，仅用3个引脚与微处理相连，串行数据传送速率高达10MHz。

（2）有译码和不译码两种显示状态。

（3）上电时所有LED熄灭正常工作时通过外接电阻或编程方式调节LED亮度。

（4）最大功耗为0.87W，具有150微安电流的低功耗关闭模式。

从以上优点可以看出此芯片的功能十分强大，我们应用它来驱动4位数码管是十分容易实现的。

我们用脉冲记数的方法来测定小车速度，即在后轴电机加