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篇1
1.超声波
声波是物体机械振动状态的传播形式。超声波是指振动频率大于20000Hz以上的声波,其每秒的振动次数很高,超出了人耳听觉的上限,人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,有两种形式:横向振荡(横波)及纵向振荡(纵波)。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播,其传播速度不同。另外,它也有折射和反射现象,并且在传播过程中有衰减。超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律,与可听声波的规律并没有本质上的区别。与可听声波比较,超声波具有许多奇异特性:传播特性──超声波的衍射本领很差,它在均匀介质中能够定向直线传播,超声波的波长越短,这一特性就越显著。功率特性──当声音在空气中传播时,推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。在相同强度下,声波的频率越高,它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高,所以超声波与一般声波相比,它的功率是非常大的。空化作用──当超声波在液体中传播时,由于液体微粒的剧烈振动,会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合,会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用,从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用,会使液体的温度骤然升高,从而使两种不相溶的液体(如水和油)发生乳化,并且加速溶质的溶解,加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。
超声波的特点:(1)超声波在传播时,方向性强,能量易于集中;(2)超声波能在各种不同媒质中传播,且可传播足够远的距离;(3)超声波与传声媒质的相互作用适中,易于携带有关传声媒质状态的信息(诊断或对传声媒质产生效应)。
2.超声波传感器
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。以超声波作为检测手段,必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器,习惯上称为超声换能器,或者超声探头。
超声波探头主要由压电晶片组成,既可以发射超声波,也可以接收超声波。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。超声波传感器主要材料有压电晶体(电致伸缩)及镍铁铝合金(磁致伸缩)两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅(PZT)等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器,它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波,同时它接收到超声波时,也能转变成电能,所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送,也能作接收。 超声波传感器由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成,换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中幅射;而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成,换能器接收波产生机械振动,将其变换成电能量,作为传感器接收器的输出,从而对发送的超进行检测。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。
二、超声波传感器的应用
1.超声波距离传感器技术的应用
超声波传感器包括三个部分:超声换能器、处理单元和输出级。首先处理单元对超声换能器加以电压激励,其受激后以脉冲形式发出超声波,接着超声换能器转入接受状态,处理单元对接收到的超声波脉冲进行分析,判断收到的信号是不是所发出的超声波的回声。如果是,就测量超声波的行程时间,根据测量的时间换算为行程,除以2,即为反射超声波的物体距离。把超声波传感器安装在合适的位置,对准被测物变化方向发射超声波,就可测量物体表面与传感器的距离。超声波传感器有发送器和接收器,但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化,即在发射超声波的时候,将电能转换,发射超声波;而在收到回波的时候,则将超声振动转换成电信号。
2.超声波传感器在医学上的应用
超声波在医学上的应用主要是诊断疾病,它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是:对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。
3.超声波传感器在测量液位的应用
超声波测量液位的基本原理是:由超声探头发出的超声脉冲信号,在气体中传播,遇到空气与液体的界面后被反射,接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间,即可换算出距离或液位高度。超声波测量方法有很多其它方法不可比拟的优点:(1)无任何机械传动部件,也不接触被测液体,属于非接触式测量,不怕电磁干扰,不怕酸碱等强腐蚀性液体等,因此性能稳定、可靠性高、寿命长;(2)其响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量。
4.超声波传感器在测距系统中的应用
超声测距大致有以下方法:①取输出脉冲的平均值电压,该电压 (其幅值基本固定)与距离成正比,测量电压即可测得距离;②测量输出脉冲的宽度,即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t,故被测距离为 S=1/2vt。如果测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法加以校正。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。
三、小结
文章主要从超声波与可听声波相比所具有的特性出发,讨论了超声波传感器的原理与特点,并由此总结了超声波传感器在生产生活各个方面的广泛应用。但是,超声波传感器也存在自身的不足,比如反射问题,噪声问题的等等。因此对超声波传感器的更深一步的研究与学习,仍具有很大的价值。
参考文献:
[1]单片机原理及其接口技术.清华大学出版社.
[2]栗桂凤,周东辉,王光昕.基于超声波传感器的机器人环境探测系统.2005,(04).
篇2
一、超声波传感器概况
1.1超声波及其原理
物体机械振动状态的传播形式就是声波，而超声波主要是指声波频率在20000Hz以上的声波形式。由于这种声波每秒钟的振动频率较高，因此大大超出了人耳所能承受的听觉范围。超声波按照其在机械振荡过程中的不同表现形式，可将其分为纵向与横向两种振荡波[1]。而在我国现阶段的工业实践中，主要应用的是纵向振荡波，与可听声波相比，超声波具有独特的传播特征，其衍射能力较强，而且在均匀的传播介质中可以进行直线传播。一般情况下，在同等强度条件下，声波的频率与功率具有正相关性，声波频率越大，其传波的功率就越大。因为超声波要比一般声波频率更大，所以其在运行传播时的功率也较大。由于超声波具有诸多优点，因此在不同环境下得到了广泛应用与实践。
1.2超声波传感器的特点
超声波传感器是利用超声波的上述优点研制而成的一种数字传感器，以超声技术为核心、超声传感装置为载体，进行超声波传输与接收。通常情况下，超声波传感器又称为超声换能器及超声探头。超声波探头主要由压电晶片构成，其不但可以接收超声波，而且可以发射超声波。因此在超声探头中，核心运作组件就是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。这种压电晶片通过具有磁致伸缩作用的镍铁铝合金材料与具有电致伸缩作用的压电晶片材料制成。采用压电晶体材料构成的超声波传感器是具有可逆功能的一种数字化传感器，在其运行过程中可将机械设备的电能转化为机械能，从而在不同能量转化过程中产生超声波。与此同时，超声波传感器可接收超声波，从而将机械能转化为电能[2]。因此，按照超声波传感器的实际工作运行原理，可将其分为超声波接收器与超声波传输器。
二、超声波传感器的具体应用分析
首先，超声波传感器可在远距离传输过程中得到运用。通过上述分析可知，超声波传感器主要由处理单元模块及超声换能单元模块、输出单元模块所组成。在具体应用过程中，处理单元模块可对超声换能器进行电压激励，从而使经过激励后的电压以脉冲形式发出电磁波。随之，超声换能器转入接收状态，处理单元模块对接收到的超声波脉冲进行科学分析，以此判断其接收到的信号是否是超声波的回声[3]。如果经过核实，其所接收到的信号是超声波回声，则对超声波的声波传输时间进行测量分析，按照行程测算结果，对反超声波的行程时间进行测算分析。在具体应用过程中，可将超声波传感装置安装于适当位置，并对被测物体变化方向发射的超声波进行分析，就可测量物体表面与超声波传感器之间的实际距离。
其次，超声波传感器可在医学领域进行广泛应用。目前，超声波在医学领域中的实践应用，主要体现在患者临床疾病诊断方面。随着这项技术不断成熟，超声波传感器诊断已成为我国现阶段医学领域中的一种重要诊断方式。在实际运用过程中，利用超声波进行疾病诊断的主要优点是受检者无明显的疾病痛苦，而且实践操作过程非常简单、无损害、无创伤，诊断过程中有较为清晰的显像，尤其是诊断精确率较高。
另外，超声传感器在测量液位中具有重要作用。在液位测量过程中，超声波的使用原理是，通过超声波探头发出超声脉冲信号，其在空气中进行广泛传播。当传播过程中遇到空气与液面之后，就会被被测液体的液面反射回来，此时技术测量人员可根据反射回的信号测算时间与距离，从而得到液面实际高度。在液面测量中，超声波传感器测量技术属于非接触式测量，因此测量过程中电磁干扰小、不易受到刺激性液体腐蚀，且测量结果稳定，设备使用寿命较长。
除此之外，超声波传感器可在测距系统中得到应用实践。采用超声波传感器进行距离测算，不但可以科学测量设备输出脉冲的宽度，而且可以测量脉冲波的具体运行时间。因此，测量精度较高，并可对测量结果与测量过程进行修正。
结束语：综上所述，超声波传播方向性较好，因此能够集中进行传播；同时，超声波的传播适应能力较强，其能够在不同传播媒介中进行科学传播，而且能够实现远距离传播；再者，超声波与传声媒介的相互作用适中，而且在传波过程中容易携带有关传声媒介状态的信息。因此，基于上述应用优点，其在我国诸多技术领域已得到广泛应用与实践。
参 考 文 献
篇3
近年来，科学技术发展日新月异，人们的生活水平也不断提高，新科技产品走近人们身边，机器人的功能和应用领域也在不断扩大。机器人的功能由只能从事简单的、固定的操作，向可以从事多种任务扩展；机器人的工作环境从工厂或者车间现场，走向海、陆、空，走入医院、办公室、家庭以及各种娱乐场所；机器人的应用行业已经不局限于制造业，向医疗、服务、农业、林业、搜救、建筑、海洋等非制造业领域进军，这就要求机器人具有自主移动的功能。目前，移动机器人是机器人科学的研究热点之一，它可以移动到固定机器人无法到达的位置，从而完成特殊的操作任务。轮式移动机器人具有控制简单、运动稳定、滑动摩擦阻力小、能源利用率高、不必要考虑行走的平衡性等优点，正在向实用化迅速发展。本课题研究的目的意在设计出基于传感器的可以实现行走、避障、转向等功能的移动机器人。
目前，移动机器人控制技术的研究关键技术和发展趋势包括以下几点：
1.路径规划控制技术。传感器将实时探测到得工作环境信息反馈给移动机器人，从而获得障碍的形状、尺寸及位置信息，并作出局部路径规划。
2.传感技术。机器人对自身及外部障碍物位姿信息的检测以及处理，获取有效的环境信息，为决策系统提供保障。
3.多传感器信息融合技术。将不同传感器反馈的局部信息整合，消除多传感器间的冗余信息，排除矛盾，提高检测环境的准确性，从而提高系统的决策及规划的准确性。
4.开发技术。研究开放式控制系统和模块化控制系统作为开发的重点技术。
5.智能化技术。知识理解、反应、归纳、推断和问题求解等内容是智能控制系统智能化的主要研究内容[3]。
从以上的分析可以看出，移动机器人要走向实用，必须拥有稳定的运动系统、可靠的导航系统、精确的感知能力和具有既安全又友好地与人一起工作的能力。
二、多超声波传感器及信息融合
超声波频率为20kHz以上，波长较短，绕射小，能够按照指定方向传播。超声波的频率越高与光波的相似性越大，其指向性强，速度快，能耗消失缓慢，可在较远距离中传播，距离分辨率又高，同时还具有小体积，轻质量，易于安装，并且不易受到外界环境的干扰等突出优点。因此，超声波传感器在移动机器人的测距方面也得到了广泛的应用。
多超声波传感器的信息融合的目标就是满足系统的实际要求，将环境信息从多超声波传感器中提取并合成，以全面准确的描述环境信息。它一方面要求多超声波传感器系统和其信息系统的相互协调，有机融合以充分体现信息资源的价值；另一方面要求抽象合成，以减少超声波系统的信息通讯与信息处理压力策略。经优化处理后的多传感器信息具有信息冗余性、信息互补性、信息低成本性和信息实时性，因而可以比较完整地、更精确地反馈环境特征。
目前，使用的多传感器数据融合方面具体的方法包括加权平均法、贝叶斯估计法、卡尔曼滤波法、模糊积分法、确定性理论法、人工神经网络法以及D-S推理法等。
在D-S推理中，基本概率赋值函数的数据计算、合成都可以通过D-S合成公式进行处理，但是当决策框架复杂时，基本概率合成公式处理的数据量将大大增加。D-S理论法的优点在于不需要先验概率的信息，因此广泛应用于故障诊断、目标识别、综合规划等领域。
本文采用D-S论证法将多传感器信息融合。其基本概率分配函数满足：
三、机器人避障系统分析
本文设计的移动机器人为三轮机构，其中包括：前轮一个，为驱动轮和操舵轮；后轮两个，主要起支撑作用，为随动轮。前轮的驱动与转向分别由直流电机和步进电机进行控制。
直流电动机的突出优点为：启动性能、制动性能良好，可以在大范围内实现平滑的调速，因此广泛应用于需要快速正反转的电力系统中。
步进电机是无刷电机，因为它的磁体转子在转轴上，绕组装在机壳上，没有电刷。转子自由的旋转，与任何构件没有电器上的接触。它能够将电脉冲信号转变成角位移，因此步进电机非常适合于单片机控制。
本系统以SPCE061A为核心，采用六个超声波传感器，分为两组，每组由三个超声波传感器模组完成测距任务，每组超声波测距模组分别在小车的正前方排布和正后方成线阵列传感器分布。超声波传感器通过转接板模拟数字开关CD4052与SPCE061A板进行独立通讯，将测量距离反馈给单片机，使其对控制步进电机进行控制，实现对小车车身的姿态调整纠正及障碍进行自主避障。
路径规划是机器人在未知的、有障碍物的环境中，安全地避开障碍物，找到一条合适路径顺利地从起点移动到终点。根据对不同工作环境的认知程度，可以将移动机器人的路径规划划分为两大类：一类是基于完整环境信息的全局路径规划，即静态或离线路径规划；另一类是基于环境信息部分已知或者完全未知的情况下依靠传感器感知环境信息和作出规划的局部路径规划，即动态或在线路径规划。
本文的轮式机器人采用超声波传感器来探测障碍物以获得环境信息，具有近似、不完善性并且混杂着一定的噪声，而模糊逻辑算法的一个突出优点是能处理这种不确定输入信息，并且能产生较为光滑的输出量。其次，轮式移动机器人动学模型比较复杂，因此难以确定，而模糊逻辑算法是不需要精确的数学模型。此外，轮式移动机器人为一个典型时延、非线性的不稳定系统，而模糊逻辑算法可以实现输入空间与输出空间之间非线性映射。因此，我们选择模糊逻辑算法进行本文的轮式移动机器人的路径规划方法。
结论
篇4
一、相关原理概述
1、调平控制系统原理。调平控制系统由超声波传感器、数字式控制器、控制电路和电磁换向阀组成。每台摊铺机都配备两套控制系统，控制系统分别安装在摊铺机的两侧位置。主要是利用单片机来控制数字控制器，需要将每一侧的超声波传感器固定在平衡梁所制成的直梁上，平衡梁主要是由铝合金制成，主要是将支架安装在摊铺机的一侧位置，来达到调平大臂的目的。熨平板通常会直接放在路面上，并且还会随着路面的变化而移动，通常将该种连接形式成为浮动式熨平板。同时，摊铺机在行走时，在调平油缸的带动下，会随着熨平板一起发生移动。
2、超声波传感器测距原理。非接触式调平系统被广泛的应用雨后超声波测距传感器中，在实际的使用过程中，加大了对脉冲回波方式的合理利用，还可以通过发送探头的形式运营传播介质对发出的超声脉冲波进行传输，声波在发射后，会通过传播介质返回到接收探头上，超声脉冲的时间测试，主要是计算发射到接收所要经历的时间，探头到目标之间的距离计算公式为：L=0.5ct。其中L表示探头到目标的距离，c表示超声波在介质中的传播速度[1]。
二、测距系统软硬件设计
1、测距系统的硬件设计。首先，合理选择单片机。在进行电路单片机测距控制时，需要选择AT89S52型号的单片机，该单片机自身具有高性能和低功耗特点，内部含有8kFlash只读程序存储器，随机存取数据存储器、可编程定时计数器等。其次，做好超声波发射与接收电路设计。需要充分利用单片机的P1.0来控制超声波，并运用三极管来实现驱动，通过输出高电平，能够激发超声波传感器，达到发射超声波的目的。超声波传感器在平时主要是输出低电平，需要确保输出的脉冲电压信号保持在10V，由于此信号与单片机TTL电平出现严重的不相容现象，脉冲信号需要经过电平来转换成脉冲信号。最后，需要做好看门狗接口电路设计。需要充分利用看门狗电路来提升工作的可靠性，防止单片机程序进入到死循环，确保系统能够自动复位，程序重新开始启动和执行。
2、测距系统的软件设计。在对控制系统软件进行设计时，需要加大对单片C软件系统的运用，选用C语言进行编写，测距功能单片机主要是采用模块化设计方法，软件系统由超声波接收子系统、循环发射子系统、数字滤波子程序等模块共同构成。主程序在使用前，需要做好串行通信初始化和定时计数器初始化工作，确保中断功能的合理设计。超声波的循环发射子程序在实际的应用过程中，时间间隔维持在25ms，要求做好超声波发送及万字滤波和数据存储工作，超声波在循环发生时，每次都会产生8个超声波脉冲。在对超声波接收子程序模块中的数值进行计算时，需要运用T2中断来读取计数器中的技术支持，计算出探头距路面之间的距离[2]。
结论：本文主要是对超声波传感器在摊铺机自动调平控制系统中的应用情况进行分析，对调平控制系统原理和超声波传感器测距原理进行简要概述，提出了测距系统软硬件设计方法。通过研究表明，路面高程偏差的非接触式测量符合摊铺机自动调平控制系统的发展趋势，在实际的使用过程中克服了传统接触式调平基存在的不足点，对提升摊铺机的调平系统性能具有重要作用。通过对测距仪系统软硬件的合理设计，提升了测距系统的测量精度，满足了系统设计要求。
篇5
1 引言
在卷烟包装生产过程中，胶位控制系统一直是困扰生产效率提高的重要环节。目前，烟草企业的包装设备中主要机型为GD包装机，该机型胶位检测传感器设计为电容传感器，是开关量输出模式，机器在生产过程中受环境因素影响有时会出现误动作，严重影响产品质量和机器的生产效率。
2 系统原理
超声波可在不同介质中以不同的速度传播的特性，超声波具有定向性好，能量集中，在传输过程中衰减小，反射能力较强等特点。对胶位控制系统的进行新型设计，采用超声波传感器元件，超声波传感器可广泛应用于非接触式检测，不受光线，被测物颜色等的影响，它不仅能够定点和连续测胶位，这种特性对胶位检测不受生产环境因素干扰非常有益。与其他测位技术相比较，它不需要特别防护，安装维修较方便，而且结构方法都较简单，经济效益显著。胶位控制设计采用超声波液位测量技术，运用超声波脉冲回波方法，由发射传感器发出超声波脉冲，传到液面经反射后返回接收传感器，测出超声波脉冲从发射到接受所需的时间，根据媒介中的声速，就能得到从传感器到液面之间的距离，从而精确测定胶位高度。
3 胶位控制方案
3.1 系统的设计
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到使用要求。另一方面在工作中，超声波传感器有着优越的抗干扰性与工作的稳定性，故选择超声波传感器代替原设备的电容传感器进行测量物体间的距离。
在数据处理方面，本文设计采用PLC作为控制器（如图1示，系统软件设计的总框图），针对超声波传感器的测量结果进行处理，用触摸屏进行显示和设定。超声波传感器的输出信号是0―10V，接入PLC的模拟量输入模块中经处理转换为液面高度显示在人机界面上。
3.2 系统的控制
系统的控制主要完成显示液面高度、设定报警区间和注胶时间功能控制模式（如图2示，系统控制模式）。区间设定是根据实际情况设定，保证涂胶量符合生产工艺要求，通过液面高度和注胶高度的比较来判断是否注胶，液面高度情况还能反映元器件是否损坏。超声波传感器的测量结果可以实现供胶的闭环控制，随机器速度的变化控制增加与减少供胶量，胶位液面可以设定高低位报警功能，能够实现以数字的形式显示测量距离。
3.3 元件的x择
系统设计采用UNDK系列超声波传感器，这类型传感器检测范围为30―250mm，分辨率小于0.3mm，声波频率为300KHZ，响应时间小于50ms。其参数基本特点符合设计要求，能够达到控制的精度和要求。
4 结语
篇6
1.关于超声波的研究
超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：传播特性──超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，该特性就越显著［1］。功率特性——当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大［1］。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。空化作用——当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，且加速溶质的溶解，加速化学反应，这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用［2］。另外超声波还具有化学效应。
现在我们介绍有关超声波散雾的知识，一定频率的超声波作用与雾滴也会发生作用，雾滴在吸收超声波的同时与此超声波产生共振，发生共振时，雾滴的结构发生破碎或碰撞，达到驱雾散雾的实施目的。这就给我们这个研究项目，利用超声波来散雾，提供了理论依据。
超声波对自然雾气中粉尘颗粒具有聚结的作用，从而能加速沉降，沉降的结果使分散体系发生相分离［3］。可利用悬浮在流体(气体或液体)中的固体颗粒下沉而与流体分离。总的来说，超声波对非均一系统的作用，主要是利用声能使悬浮的颗粒积聚成比较大的颗粒，然后使之沉降，雾气中的雾滴在于超声波发生共振式，结构破碎，比重轻的水汽上浮，比重大的颗粒聚集并下沉，从而最终达到散雾的目的。
2.超声波除雾装置工作原理
当把超声波散雾的道理应用到实际中时，则是以超声波散雾电路的形式实现得（即除雾装备），其特征是电子振荡电路产生与雾滴发生共振的超声波振荡频率信号，振荡电路连接电子功率放大电路，功率放大电路连接超声波换能器，或电子振荡电路直接输出连接超声波换能器；同时，通过外加电路或振荡电路本身产生高幅度的脉冲波由功放电路混合到电路中，使所发射的超声波混合有高幅度的脉冲波成份，雾滴在吸收超声波的同时与此超声波产生共振，发生共振时，雾滴的结构发生破碎或碰撞，达到驱雾散雾的实施目的。除雾装备的启动和停止有对雾敏感的湿度传感器控制电路来自动控制。
3.散雾湿度传感器电路设计
3.1 硬件部分（电路）
3.1.1 主要芯片选择与芯片特点
AT89SS52单片机：AT89SS52是基于增强的51结构的低功耗8位CMOS微控制器。高性能、低功耗的AT89SS52单片机主要特点如下：先进的RISC结构、非易失性的程序和数据存储器、JTAG接口、外设特点、特殊的处理器特点［4］。因此AT89SS52成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。
湿度传感器SHT10：瑞士Sensirion公司推出了SHTxx单片数字温湿度集成传感器。采用CMOS过程微加工专利技术（CMOSens technology），确保产品具有极高的可靠性和出色的长期稳定性。该传感器由1个电容式聚合体测湿元件和1个能隙式测温元件组成，并与1个14位A/D转换器以及1个2-wire数字接口在单芯片中无缝结合［4］，使得该产品具有功耗低、反应快、抗干扰能力强等优点。
SHT10的主要特点如下：相对湿度和温度的测量兼有露点输出；全部校准，数字输出；接口简单（2-wire），响应速度快；超低功耗，自动休眠；出色的长期稳定性；超小体积（表面贴装）；测湿精度±45%RH，测温精度±0.5℃（25℃）［4］。
3.1.2 原理图
原理图 Schematic diagram
3.2 程序设计实现的功能
通过湿度传感器SHT10自动检测的环境湿度，然后通过AT89SS52单片机处理并在液晶上显示，当湿度上升到达某一定值，蜂鸣器响，一个发光二极管亮，当湿度下降到某一定值，蜂鸣器停，另一个一个发光二级管亮。湿度控制的上下限可自行设定。此外可以显示日期与时间。
4.本装置实现功能与使用方法
4.1 该装置通过湿度传感器SHT10测量环境湿度，然后通过AT89SS52单片机处理并在液晶上显示，当湿度上升到达某一定值，蜂鸣器响，一个发光二极管亮，此时表示除雾装备启动；当湿度下降到某一定值，蜂鸣器停，另一个发光二级管亮，此时表示除雾装备停止工作。同时，湿度控制的上下限可以自己设定，调整起来非常便利，可以实现复位、功能选择、增大减小量程、确定等功能。所选用的SHT10精度高，反应灵敏，探测电路的反应速度快，可以非常准确的控制除雾装置开启和关闭，从而最大化地平衡功耗和效果之间的关系。
4.2 电路实物使用方法：本装置湿度控制的上下限可自行设定。第一个键是复位键，可以将各设置清除。第二个是功能键，可以选择调节什么变量。第三个按键是增加键，可对数字进行增大调整。第四个按键是减小键，可对数字进行减小调整。第五个按键是确定键。
5.小结
我们对超声波散雾的原理及可行性方面的研究投入了很多的时间和精力。并设计出对雾敏感的湿度传感器控制电路，该电路能够及时监测雾的降临，并自动启动除雾设备，并在除雾后切断除雾设备的电源，实现自动控制。将设计功能电路做成实物。但是由于无法得到大功率超声波发生设备及自身物理知识的不足，没有对“超声波在什么频率范围下可以散雾”得出确切的结论。
参考文献
[1]Alain Leger,Marc Deschamps.Ultrasonic Wave Propagation in Non Homogeneous Media[M].Berlin:Heidelberg,2009:12-21.
[2]曾文远,刘心绪.热学与分子物理[M].成都:四川教育出版社,1987:212-214.
[3]Michael Allaby.Fog,smog&poisoned rain[M].上海:上海科学计技术文献出版社,2009:2-22.
[4]郑峰,王巧芝,刘瑞国,等.51单片机应用系统(第2版)[M].北京:中国铁道出版社,2011:10-58.
篇7
局部放电最明显的特征就是产生电脉冲，电脉冲中包含很多可以研究分析的信息，如信号能量幅值的衰减，波形的畸变和延时等。电气定位法的原理是根据放电脉冲在绝缘介质中传播时的参数特性，建立相关的传递函数来确定放电源的空间位置。
（1）行波法。
行波法的主要原理是利用波的时延特性来计算放点源与被测点的距离。局部放电在放电时会产生波形，波形传播开始的瞬间会出现容性分量，需要经过一段时间的时延后，行波分量才到达测量端。根据行波传播的速度，通过测量行波延迟的时间，就可以计算出所求距离，估计出放电源所在位置。
（2）极性法。
极性法的原理是通过比较变压器绕组的不同端子上局部放电信号的极性，如对单相变压器，理论上希望在高、低压绕组的四个端子测到不同极性的局部放电信号，根据不同的极性信号来确定放电位置。但是极性法仅能识别到局部放电源可能存在于变压器绝缘的某个区域。要精确地测出放电的位置，必须利用其他方法。
（3）起始电压法。
假设变压器绕组上的电压分布均匀，令绕组长度为L，绕组两端电位各为UH，UL。
若放电点N离高压端H的距离为x，放电点电压为UN，则有：
（UH-UN）/（UN-UL）=x/（1-x）（1.1）
当UN达到起始放电电压UI时，则有：
（UH-UI）/（UI-UL）=x/（1-x）（1.2）
若已知L，则只要改变绕组两端的电压，测出UH1，UH2，UN1，UN2，并将其代入式1.1和1.2即可求出放电位置x。
2 电气定位法存在的问题
（1）由于变压器有很复杂的内部结构，因此对于不同的放电点，在局部放电时产生的波在运行过程中可能会发生振荡，但是测量放电信号不能反映变压器内部真实状况，只能在变压器的测量端点进行，所以误差相对较大。
（2）部分电气定位法强烈地依赖于变压器内电气结构。
（3）只能对单局部放电源定位，对于多局部放电源定位还有待研究。
3 超声波定位法
超声波定位基本方法是当变压器内绝缘发生局部放电时，较大的能量释放将激发产生超声波，并以球面声波的形式经固、液绝缘和金属介质向四周传播。当放电能量较大或放电点距箱壁较近时，安装在箱壁上的超声波传感器可接收到超声波信号，通常需在箱壁上布置多个超声波传感器（4个或4个以上），定位时选择某传感器为基准传感器，以此为基准触发其余传感器接收局部放电产生的超声波信号。两个传感器接收声波的时间差，可用离放电点最近的传感器的声信号作为基准信号来触发其余传感器的接收测量，并获取同一局部放电超声信号传播到其它传感器时对应的相对时间τ。声波传播时间T乘以声波速度即为声波的传播距离。然后利用简单的几何关系，便可得到由若干方程组成的非线性方程组：
-=V0τn，n=1，2，…N
上式中（x，y，z）局部放电源坐标，（xn，yn，zn）是第n个超声波传感器坐标，（x0，y0，z0）是基准超声波传感器坐标，τn是第n个超声波传感器相对基准传感器的延时，V0是超声波在变压器油中的等值波速，N为超声波传感器个数。
4 超高频-超声波定位法
超高频-超声波联合定位法是澳大利亚的西门子研究机构使用局部放电产生的超声波和电磁波联合检测技术监测变压器中的局部放电活动。该系统运行的关键依据是超声波和电磁波在变压器介质中的传播速度是不一致的，因而可以测量两种波到达传感器的时间差，进而确定局部放电的位置。定位系统依赖一个可同时检测射频和超声波的复合传感器探头。复合探头包括超声波传感器和射频传感器两部分，其中射频传感器由包围超声波传感器的环形铜环组成，铜环与地间形成一个电容，这种容性天线及与其连接的引线电感形成一个谐振电路，感应局部放电引起的电场扰动；超声波传感器结果较复杂，传感器周围填满环氧树脂，后面充满比例为1：3的环氧树脂和钨粉的混合物，具有很低的横向耦合系数，可有效抵制接收变压器箱壁变向传播产生的横波。
5 阵列传感器定位法
阵列传感器定位法是超声波定位的改进方法，依据超声波到达超声传感器的波程差和相位差来确定放点信号的方位，是一种基于传感器阵列采集超声信号的局部放电定位方法。该方法用多个超声波传感器构成阵列代替传统的多个超声波探头，通过传感器阵列对局部放电信号进行多点并行采样，以检测传感器接收到的信号为时间基准，依次计算出平面相控阵传感器接收到的超声波信号的传输时延以及相差，再根据相控测向的方位角得出放电点的空间几何位置，实现变压器内多放电源的定位。
与传统的超声定位法相比，阵列定位的信噪比高，而且可以解决多径传输问题，传统的超声定位将传感器安装在变压器内部不同位置，导致放电信号通过多个不同路径到达探头，探头接收信号同一性差，导致定位误差大。除此之外，阵元的数量优势可以转化为性能优势，当个别阵元失效使接收信号存在误差时，并不影响整体定位结果，因此，阵列定位法检测可靠性更高。
综上所述，表1总结了目前变压器局部放电源定位的方法及特点。
篇8
当今社会测距是很普遍也很重要的问题，许多场合下需要准确、迅速、实时的测距。例如盲人在行走的过程中，需要一个装置来检测前方有无障碍物，在距离障碍物距离过近的时候必须可以报警；又如汽车倒车的时候也需要检测车尾与车库的距离，在危险距离的时候可以报警，使车主可以及时刹车，避免发生事故；再如一些的门口也需要测距的装置，当有人靠近的时候，会发出警报，使该区域的安全性得到保障。目前，测距的方法很多，如红外检测具有造价低、安全性能好、制作简单等优点；缺点是检测精度低、实用性低。由于超声测距是一种非接触式检测，其抗干扰能力较强，如光源、气候对超声的干扰都比较小，相比于其他的技术更精确，更安全。同时，超声测距具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。基于这一现状，本设计选用超声波来检测距离。
1 系统的整体设计
针对上述问题，本出如下的设计：先由超声波传感器向正前方发射超声波，与此同时开始计时，超声波沿着前进的方向传播，由于超声波能感应到障碍物，因此传播过程中碰到障碍物就会立即朝反方向回传，这样超声波接收器就可以接收到因障碍物而回传的超声波，同时，计时停止。超声波在空气中的传播速度v，设传播时间为t，那么单程传播的为t/2，由距离（s）=速度（v）时间（t）/2，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s）。同时一方面将距离（s）由显示屏显示出来，让使用者能对前方有无障碍物一目了然，并且还能掌握障碍物与其的具体距离；另一方面，设置一个距离最小值，也成阈值，当障碍物的距离小于这个阈值的时候，单片机会给报警器发出报警信号，使报警器报警，让使用者能够迅速准确的做出应对措施。超声波测距原理如图1所示。
2 系统的硬件设计
2.1 硬件器件的x型
本设计的传感器选取的是非接触式的HC-SR04超声波测距模块，HC-SR04超声波测距模块使用成本低、抗干扰能力强并且准确性能好。单片机选取ARM系列最新、最先进构架的Cortex-M3内核的STM32，STM32不仅性能优越，而且价格便宜，所以本设计选取它作为主处理器。由于本设计的显示屏只需要显示距离信号，所以选取易于控制、成本低的1602显示屏。
2.2 硬件设计
硬件的组成可以分为两个部分：第一部分由超声波传感器以及STM32处理器组成，为检测部分，具体作用为：首先由STM32控制超声波发射器发射超声波，与此同时STM32控制定时器开始计时，由于超声波是沿着直线传播，当在前方遇见障碍物时，超声波会立即反射回来，当超声波传感器接收到超声波的时候STM32控制计时结束；第二部分由1602显示屏、报警电路组成，STM32检测计算出来的距离会由1602显示屏显示出来，当距离小于预先给STM32设定的阈值时，STM32会立即给报警电路发出报警信号，使蜂鸣器报警。报警部分由蜂鸣器和报警电路组成，报警电路如图3所示。
3 系统的软件设计
软件的设计主要是对STM32的编程，首先初始化串口和定时器，并且预先设置好阈值。接着给连接超声波传感器的IO口发出指令，开始发射超声波，并且由STM32控制定时器开始计数；接着实时监测超声波接收器有无信号的读取，若有，则说明前方有障碍物，定时器停止计数。取定时器的计数差值，由定时器计数的差值可以计算出共同的时间，而单向路程所需的时间为共同时间的一半，就可以计算出障碍物与超声波传感器的距离。同时还要将这个距离与预先设置好的阈值进行比较，若距离值小于阈值，则STM32会给报警电路发出报警信号，达到报警效果。
4 实验结果分析
随机选取不同的距离、不同材质的障碍物进行检测十次，每当达到检测范围的时候，显示屏每次都能准确的显示出障碍物的距离，并且当过度靠近障碍物的时候，蜂鸣器每次都会发出报警。结果表明本文设计的超声波测距系统能够准确的实现测距和报警的目的，满足当前市场的要求，同时制作简易，具有很好的发展和使用前景。
参考文献：
篇9
文章编号：1004-373X(2008)09-122-02オ
An Orientation System of Underwater Robot Based on Single Chip Computer
ZHOU Shibin,HAO Jingru,HUANG Min
(Beijing Institute of Machinery,Beijing,100085,China)
オ
Abstract：The orientation system of underwater robot captures the distance information by the ultrasonic sensors,and uses three points location theory to compute the coordinate of the position.To save the time and temperature information by single chip computers,which transmit this information to the industrial PC to complete the orientation.Finally,we can obtain a lot of orientation data through experiment.Then we can obtain the orientation precision of two different type sensors which used for sending signals,though analyzing these data by the method of non-linear optimization.The conclusion is valuable reference for the improvement of the system and orientation precision.
Keywords：ultrasonic wave;underwater orientation system;single chip computer;distance measurement
本课题研究的机器人工作在大约40 m深的浆液下，为了防止水煤浆由于长时间的存贮而沉淀，他能在按照预先规划的轨迹行走时完成搅拌功能。在这种条件下，一个很重要的问题就是机器人定位功能的实现，用来实时了解其具置。本机器人定位系统采用多路超声波传感器测距，然后采用三点定位法[1],把测距信息转化为机器人的位置信息。超声波作为一种无接触检测方式，与激光、红外以及无线电测距相比，在水煤浆中可以比较容易地穿透水煤浆达到测距的目的，且精度较高。
1 超声波测距系统
1.1 超声波测距原理
超声波测距原理一般采用时间度量法，计算公式为：
И
D=vt
(1)
И
式中D(m)为超声波传播的距离，v(m/s)为超声波在介质中传播的速度，t(s)为超声波在介质中传播的时间。而超声波在介质中传播的速度由介质的性质和温度T(℃)决定，由此可得到水中超声波的波速[2]为：
И
v=1 4492+4623T－0054T2
(2)
И
1.2 超声波测距的硬件系统
系统硬件框图如图1所示，其设计为分布式控制系统。在本系统中USR1为超声波发射传感器，USR2，USR3，USR4为接收传感器，他是型号为JSS-03的液下专用超声波传感器，该传感器既可做接收用同时也可做发射用，其灵敏度高，额定脉冲工作电压高，瞬时输出功率大。温度传感器选用DS18B20[3],该传感器具有单总线、抗干扰、测温范围宽(-55 ~+125 ℃)、适合远距离恶劣环境测温的特点。在本系统中使用的单片机(MCU0,MCU1,…MCU4)均选用51系列单片机AT89C52。
图1 系统硬件框图
当系统处于工作状态，由MCU0每隔3 s产生一个脉冲，信号经过放大激发信号发生器ST-3A，然后触发超声波发生器USR1；同时给MCU2,MCU3,MCU4的中断INT0一个低电平，使他们开始计时。当接收超声波传感器接收到发射超声波传感器发出的信号后，立即把产生的接收信号传给单片机，中间的信号调理过程为一级放大(放大100倍)、带通滤波、二级放大(放大50倍)、电压比较、光电隔离，其中电压比较的基准电压可调，当信号电压高于基准电压时使MCU的INT1中断。INT0中断和INT1中断的时间间隔即为发射与接收传感器间的时间，他存储在单片机固定的RAM中。而温度传感器DS18B20是分时完成对环境温度的测量的，采用严格的时序单片机进行双向通讯。单片机把温度信息存在他的固定RAM中。
1.3 超声波测距的软件系统
要完成对机器人的位置信息的测量就要求把存储在单片机RAM内的时间信息和温度信息采集到上位机中，然后把这些信息融合起来得到机器人的确切坐标。工控机与下位机采用串口通讯方式，通讯协议为MODBUS协议。同时上位机采用VC 60作为开发工具，工控机的软件程序采用模块化编程，程序主要由串口通讯模块、三点定位模块、数据库模块及界面模块组成,其循环通讯的流程如图2所示。
图2 循环通讯流程图
2 实 验
2.1 实验准备
为了验证程序的可靠性和对比两种超声波发射传感器在定位过程中的效果，做了水下定位实验，该实验是在9 m×7 m的长方形水池中进行的，水深25 cm左右。在实验之前在水平面内建立直角坐标系，同时在r=3 300 mm的圆周上均匀放置三个超声波接收传感器，其坐标(单位：mm)分别为(3 300，0)、(-1 650，2 858)、(-1 650，2 858)，在实验过程中超声波发射传感器在此圆周内移动。
根据以前一系列的实验结果，在本次实验的软件系统中对测距程序按下式进行了修正：(单位：mm)
И
y=(x－240)/1083 6
(3)
И
2.2 实验结果
(1) JSS-03型超声波发射传感器
该传感器的最佳发射频率为10 kHz，发射面为一个平面，波束角为60°，其指向性很强，在此定位系统中，3个接收传感器都能够收到该发射传感器的信号，但在其波束角内的接收传感器接收的信号比其他两个强，这就影响了接收传感器触发时的灵敏性。
如图3所示，中间的实线圆为经过非线性优化过的发射传感器的移动轨迹，半径为3 204 mm，这些定位点分散在轨迹圆的周围，外侧的虚线圆为偏离原点最远点所在的圆，内侧的虚线圆为距离原点最近的点所在的圆，最大误差为808%，这些误差主要来自于发射中心产生的误差和测距产生的误差。
图3 JSS-03型传感器定位结果图
图4 LYF-20型传感器定位图
(2) LYF-20型圆周发射传感器
复制的最佳发射频率为22 kHz，发射面为圆柱面，他的优点就是对于三个接收传感器而言发射中心是固定的，并且他们接收的信号强弱一致，但他的指向性不强，由于信号分散，故其发射的信号弱于JSS-03型传感器。如┩4所示。由于从发射源头就避免了发射中心产生的误差，所以他的定位精度较高，主要误差来自于测距误差，其优化后的轨迹圆半径为3 154 mm，最大误差为378%。在此可以看出，频率对超声波的测距是有很大影响的，频率越大，精度越高。
3 结 语
从实验结果看出，定位系统是可行的，有较高的可靠性，并且本系统的实时性可达1 s，其精度也可以达到我们预期的效果，但是硬件系统还有提升的空间。研究内容对水下机器人的定位，信号的采集，数据的远距离传输等都有参考价值。[LL]
参 考 文 献
［1］俞竹青.那须康雄.超声波网络导航中移动机器人的位置计算［J］.机器人技术及应用,2002(3):36-39.
［2］桑金.水深测量中的声速改正问题研究［J］.海洋测绘，2006,26(3):17-20.
篇10
FPGA的硬件资源极为丰富，预留的引脚接口众多，这也为小车B后功能的升级留有可能性。本文的创新点在于：对传统的超市手推车的智能化改造：利用FPGA的多传感器接入：电机PWM的数字控制精确度高：系统多功能，具有扩展性。
硬件介绍及系统原理
本系统实现了基于FPGA的超市手推车智能跟随购物的功能，为了实现小车对环境的感知与小车自动行使的功能、本作品采用了自顶向下的设计方法，分别针对不同的功能模块，设计了相应的IP核，在FPGA内部完成对数据的处理分析。由于系统采用模块化的设计思想，系统整体的实时性、可靠性都有所提高，并且功耗降低，体积也满足了设计需求。
硬件介绍
基于小车需要对周围环境信息的改变做出实时响应，系统采用了双红外线传感器与超声波传感器采集距离与方向信息，并将采集到的数据发送到FPGA。经过FPGA的处理，通过PWM控制减速电机驱动板产生电机的驱动信号，最终实现对电机的控制。另外，RFID电子标签作为智能小车唯一的开启钥匙、不但提高了小车使用的安全性，也提高了使用过程中的便捷性。图l所示为小车硬件设计的总体框图。
系统采用的红外线传感器是E18-D80NK反射式接近开关传感器，是一种集红外线发射与接受于一体的轻便型传感器，可以测量0～80cm之间的障碍物，广泛应用于障碍物监测、流水线计数、门禁系统等多种场合。传感器自带电位器旋钮，可调节监测距离，并可以输出TTL的检测信号给处理器。
系统采用的超声波传感器是SRF06型超声波传感器，这是一款带温度补偿、集超声波收发功能的全数字传感器。可提供3cm-3.5m的非接触式距离感测功能、包括超声波发射器、接收器与控制电路。该超声波传感器采用四引脚与外界通信，其中除去电源与地线以外，还有一个信号输入/输出引脚，分别用于启动传感器测距与发送测量信号。该产品具有品质好、超快响应、抗温度干扰、与极高的性价比等优点。
系统原理及结构设计
系统利用FPGA的可编程及硬件实现上的优点，最大限度地利用FPGA的硬件资源来代替传统软件编程的数据采集方法，保证了数据采集的准确、高效。系统功能的实现由五个模块协同完成、包含了顶层模块、超声波启动信号发生模块、超声波接收信号模块、左电机PWM模块以及右电机PWM模块。系统采用FPGA开发板上提供的50MHz时钟作为全局参考时钟，通过FPGA内部的锁相环(PLL)对这一全局时钟进行分频处理，来满足对不同模块的时钟要求。由于电机供电需要12V电压驱动。而FPGA开发板以及传感器模块需要5V电压供电，系统采用了光耦器件作为电机驱动板的核心器件，有效地隔离了高电压(12V)可能对FPGA开发板及传感器模块造成的损害。不同的传感器需要有相应的信号驱动、这就利用了FPGA的可重复编程的特性，依靠VHDL硬件描述语言对加入的传感器编写对应的IP核模块、完成数据的综合采集、处理过程，也使得日后小车功能的升级更加便利。系统结构框图如图2所示。
系统设计及工作原理
此部分对系统涉及到的顶层模块、超声波启动信号发生模块、超声波接收信号模块、左电机PWM模块以及右电机PWM模块的编写及工作原理做了详细的介绍。
顶层模块设计
顶层模块的主要功能是将以上提到的超声波启动信号发生模块、超声波接收信号模块、左电机PWM模块以及右电机PWM模块连接起来，主要使用了元件例化语句使得各个独立的功能模块得以连接，成为一个完整的系统。另外，对红外线传感器模块的控制也是在顶层模块中实现，因为红外线传感器采集到的信号是一组开关量，在顶层模块中可以很方便地将子模块中采集到的信号量进行汇总分析，判断小车的转向。当小车检测到左或右方向有遮挡时，遮挡一侧的电机仍然是由超声波信号强度来驱动，而另一侧的电机则是被赋予一个高电平，意味着电机会被全速驱动，这样小车就会前往受到遮挡的一侧发生偏转。如果安装在小车两侧的红外线传感器都没有受到遮挡，就会以超声波传感器的信号驱动前进。
超声波启动信号发生模块解析
SRF06型超声波模块的启动需要一个10μs的TTL高电平作为启动信号，当超声波模块启动以后，模块内部会自动发送8个40kHz的方波，并自动检测是否有信号返回。通过测量这期间的时间差就可以计算出物体与小车的距离。
clock是系统参考时钟，时钟频率为50MHz，通过对这一时钟信号进行分频，可以把高速时钟信号降低为与超声波启动信号一个数量级的IP核内部时钟，这样计数器在计数发送启动信号时可减少系统资源的开销。另一方面、由于超声波的测距过程是一个实时不间断的过程，因此超声波也需要定时重复发送开启信号，计数器的另一个功能就是控制信号发送的频率间隔，这里定义的是在500ms检测一次距离的数据。
超声波接收信号模块
超声波接收信号的作用是对超声波测距返回信号的接收，通过接收到的信号计算出物体与小车之间的距离，并将计算后的信号值发送到驱动电机的PWM模块来动态调节电机的转速，实现小车跟人速度的无级调节。其中，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。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。
超声波接收子模块功能的实现是依靠内部分频器、计数器、状态机以及发送器这些进程并行实现的。分频器主要是为状态机分频出进程所需的参考时钟，由于状态机的状态转换主 要是依靠超声波信号发生模块发出的使能信号作为状态转换标志，所以时钟需要与发送的使能信号进行匹配后才能准备接受。
计数器在这个模块的作用有两个：其一，当接收信号端口接收到发送信号端口发送过来的数据时，状态机从idle空闲状态跳转到状态1，在状态l中，计数器启动计数，直到接收信号接收端的数据发生跳转，这时状态机再次发生状态的跳转。由状态1跳转到状态2，并关闭计数器，同时启动发送器准备发送时间数据到PWM模块。其二，计数器的男一个作用是对状态机状态3跳转到初始状态的控制，因为当数据传递到发送模块以后、需要对状态机及时复位，为更新的信号做好准备，这时使用了一个计数器在10个时钟周期结束后，自动调整状态机回归到初始状态。
发送器的作用主要是连接了控制电机转速的PWM模块、将通过计数器得到的时间数据以电机控制端口做实时的发送，并在每一次发送结束后自动清零。
电机PWM转速控制模块
PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在任意一个时刻，满幅值的直流电是在有或无的概率出现的，只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换，让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小，如图4所示。
电机PWM转速控制模块内部是由两个分频器、一个计数器以及一个数字比较器组成。分频器1为数字比较器提供了所需的时钟信号，由于控制信号的产生最终要通过光耦元件驱动电机转速，而电机驱动板上的光耦元件是低速光耦，这里的分频主要是考虑了对光耦能支持的最高速度进行了调整，保证了电机驱动信号的完整性。分频器2为计数器提供了所需的时钟信号，考虑到超声波测量的距离范围在3cm-3.5m之间，因此可以算出超声波测距一次的最短与最长时间。根据这个时间，我们通过分频器二控制了超声波读取数据的周期，这样可以保证超声波数据的有效性与实时性。
计数器的主要功能是捕获来自超声波接收模块发出的电机控制使能信号，并启动计数器工作，系统设计的PWM电机转速调节是100级转速调节，所以计数器采得的数值也会在0～100之间，当这一使能信号发生反转，计数器自动停止工作，清零并将所记得数值发送到比较器一端。数字比较器是PWM控制的核心部分，通过将采得的数值与一个固定数值的比较，就可以调节高低电平的输出宽度，这样就达到控制电机转速的目的。为了实现对小车的行径路线的360°控制，我们分别对左右轮电机编写了两组PWM电机转速控制模块，独立控制左右轮电机的转速。
系统仿真结果
FPGA仿真为数字系统提供了与设计芯片功能等价的硬件原型，以接近实际运行速度的方式执行设计模型。利用测试向量或通过真实目标系统产生激励，验证和测试芯片的逻辑功能，具有速度快，响应真实，并充分考虑了电路的时序要求。因此本设计中利用Xilinx公司的FPGA开发软件ISE10.1对FPGA实现的各部分功能模块进行功能仿真以及时序仿真，以验证设计的正确性。
图5所示为当超声波传感器的输入端接收到10μs的TTL高屯平后，在超声波传感器内部会自动产生8个40kHz的方波信号，然后通过接收模块接收到的反射波来产生一个高电平，这个高电平的时间就是超声波测到的监测距离，通过仿真，我们验证了功能的实现。
本文利用Digilent公司的Basys开发板作为开发平台，结合了多传感器的接入与电机的控制、射频识别模块以及对超市小车的机械改造、最终实现了小车的自动跟随购物，并在此基础上附加了语音导购功能，图6是经过改造的超市购物小车。
篇11
Hardware System Design Based on Multi-Sensor Intelligent Wheelchair
Hao Minchai
(Shijiazhuang Vocational College,Shijiazhuang 050081,China)
Abstract:High-performance low-cost intelligent wheelchair can greatly improve today's elderly and disabled users of the quality of life,safe and convenient to use people to their destination,during operation,the smart wheelchair can accept user issued the directive,according to the designated routes,so the design of intelligent wheelchair in the perception of the environment is an integral part of this paper,the context-aware intelligent wheelchair part of the multi-sensor system architecture,component design analysis and interpretation.
Keywords:Intelligent wheelchair;Sensor;System;Positioning
一、传感器系统总体结构设计
能够实现智能轮椅的总功能主要有：定位系统，环境感知系统、控制系统、驱动系统和人机交互界面等功能。因此该系统的硬件结构如图1所示。其中传感器模块主要有内部状态感知和外部环境感知两部分构成，对于姿态传感器主要用来调整轮椅自身的位姿信息；编码器传感器是位移速度和距离获得自定位的信息采集源；视觉、超声波和接近开关主要负责持续获得周围环境和轮椅位于障碍物的距离等的信息。驱动控制模块我们采用电机控制后轮驱动的方式，在控制器的操作去控制电动轮椅的前进、后退和转向。
图1：智能轮椅硬件系统结构图
二、多传感器数据采集与处理
该智能轮椅有2个相对独立的驱动轮并各自配有电机码盘。电机码盘实时进行数据检测构成了里程计式相对定位传感器，并安装有倾角传感器和陀螺仪传感器来测量轮椅在运动过程的姿态。超声波传感器和接近开关用于感知周围环境信息。为能够实现远距离的障碍物信息，还配备了超声波传感器。还配备了CCD图像传感器用于判断前方行进路程中的深度信息。
三、姿态传感器
该智能轮椅设计采用了一个倾角传感器和一个陀螺仪的组合来构成姿态传感器检测车体平台的运行姿态。倾角传感器用来测量轮椅偏离竖直方向的角度，陀螺仪用来测量角速度。
以TMS320LF2407A为控制核心的运动控制器，根据编码器和姿态传感器检测到的平台运行的位移和姿态信号，通过一定的控制策略计算出控制量，再经脉宽调制控制及驱动器放大后驱动直流电动机运转，随时调整车体平台的运行速度，从而使车体平台始终保持平衡状态。控制电路原理图如图2所示。控制板采集来自倾角和角速度传感器的信号并对信号进行调理（滤波、整形、偏移），然后将信号传送到控制板中，经过DSP的运算处理（控制算法由电动车系统的数学模型推导而出），通过DSP的两路脉宽调制将控制信号发出，再经过电机驱动模块驱动电机运转，控制轮椅保持平衡状态。
图2：控制电路原理图
四、多路超声波测距模块
本智能轮椅自主避障系统采用超声波传感器测量障碍物的距离，工作时，由单片机通过三路信号线选通多路模拟开关，由多路模拟开关负责每一路超声波传感器的通断。每一路超声波传感器工作时，都由单片机的I/O口发射出频率为40kHz，幅值为5V的矩形脉冲信号，经过信号放大电路，变成稳定的12V矩形脉冲信号，由超声波发射换能器发射出超声波。超声波遇到障碍物返回，由超声波接收换能器接收，经过信号滤波放大集成电路，触发单片机中断。由单片机计算渡越时间，从而计算出障碍物的距离。
五、编码器
编码器是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺．接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“1”还是“0”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“1”还是“0”，通过“1”和“0”的二进制编码来将采集来的物理信号转换为机器码可读取的电信号用以通讯、传输和储存。
产生的时钟频率是每个输入序列的4倍，且把这个时钟作为通用定时器2的输入时钟。图4给出了正交编码脉冲、增减计数方向及时钟的波形。
图4：编码器输出脉冲图
篇12
Key words： high sensitive ultrasonic sensor；mobile robot；CAN bus
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）04-0200-02
1 概述
要想使自主移动机器人系统完成避障、环境地图的建立、定位、路径规划等任务，机器人必须具备实时采集环境信息的能力，而这离不开实时感知环境信息的传感器系统的支持。因此在移动机器人中开始越来越多的应用各类传感器，比如超声波、激光、红外、视觉等。在移动机器人感知系统中声呐超声波传感器的应用最为广泛，因为其具有处理信息简单、性价比高、速度快、硬件实现方便等优势。需要注意的是要想实现机器人对环境的感知，单个超声波传感器是无法做到的，因此机器人的感知系统都是多个传感器组成的，本文超声波发射器逐个轮流发射，但所有接收器同时接收。传感器布局如图1所示[1]。
本文采用SensComp 600系列声呐传感器，该传感器具有很强的接收灵敏度，因为它将6500测距模块和600系列超声波探头、探头中心频率50kHz整合起来了。该传感器的触发方式有两种，分别是内部触发和外部触发，I/O接口均兼容TTL逻辑电平，正常工作电压范围为6～24VDC[2]，波束角度15° （-6 dB），低响应特性 量程：6英寸～35英尺 非常好的接收灵敏度，如图2。
600系列同时具有发送和接收声波的功能。在假设声波的传输速度不变的情况下，通过测出声波从发射点到目标物体往返传输所需的时间，就可以测算出距离，超声波测距数学公式如式（1）。
式（1）中，D（单位为m）表示声波发射点与目标物体的距离；t表示声波往返发射点和目标时间。式（2）中，T为绝对温度；c0为声波，表示当0℃时，空气中的传播速度为331.4m/s。
SensComp 600系列声呐传感器的操作模式有单回波模式和多回波模式两种。在单回波模式下，输入引脚INIT电平跳变为高电平时传感器发送超声波，然后等待发送的声波反回，最后返回的信号被放大，并且在输出引脚ECHO输出高电平。从引脚INIT变为高电平到ECHO跳变为高电平的时间即为声波从传感器到障碍物往返所用的时间。在实际测距的过程中，SensComp 600系列只需采用单回波模式即可。
2 硬件电路设计
信息采集处理器对于测量系统而言不可或缺，本文设计中采用的是美国SliconLabrary公司的单片机C8051F040。C8051F×××系列单片机具有很强的兼容性，因为其具有8051兼容的微控制器内核。片内不仅具有标准8052的数字外设部件，还具有数据采集和控制系统等其它的很多数字外设部件，这就意味着其具有比标准8052更多的功能。C8051F040采用高速、流水线结构CIP-51内核，功能强大。汝100KS/s的12位ADC、控制器局域网控制器（CAN），6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列，温度传感器、可实现硬件的SPI，SMBus/IIC和两个UART串行口，64KB可在系统编程的FLASH存储器等。可通过设置交叉开关控制寄存器将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断、ADC转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其它数字信号配置在端口I/O引脚。该特性决定了用户可以依据自己的特定应用选择通用端口I/O和所需数字资源的组合。因此选用此单片机完全能满足设计要求。
根据自主移动机器人在复杂的非结构化环境中工作的功能要求进行设计，将各个功能模块化设计，控制系统组成如图3所示。
整个移动机器人控制系统的数据接收由CAN总线实现。超声波测距和其它传感器模块通过CAN总线实现与主控制器DSPIC30F4011指令的接收和测量结果的反馈，主控制器对超声波测距模块、其它传感器模块采集到的信息进行融合，识别当前环境，从而控制命令对驱动电机进行控制以实现机器人避障导航。
DSPIC30F4011属于16位单片机，是Microc hip公司新推出的DSPIC30F系列中的一款。由于DSPIC30F4011将单片机和DSP有机的结合在一起，扬长避短，使得DSPIC30F4011不仅具有单片机的所有优势，还具有DSP的高速运算能力。片上集成的CAN模块，可以实现其与其它数字信号控制器或CAN模块的通信，并且通信不受周遭环境的干扰，DSPIC30F4011单片机上集成的CAN模块也是一个通信控制器，可以实现BOSCH规范中定义的CAN 2.0 A/B 协议。
3 控制系统软件设计
在程序开始运行时首先要进行输入输出初始化，然后对CAN网络初始化。在CAN网络初始化后，各个控制器才会遵循CAN2.0B通讯协议。对CAN总线上的信息进行接收。如图4所示。
C8051F040有6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列，PCA捕捉中断程序，流程图如图5，其目的是完成超声波传输时间检测，PCA设置为上升沿捕捉模式。在超声波传感器引脚INIT上升沿起，PCA开始计时，当PCA的引脚跳变为高电平时，即传感器ECHO变为高电平时计时结束。但如果超过一定时间一直没有收到回波，就要重新进行下次测量。
4 系统精度测量对比数据
为标定系统测量精度，采用硬平木板作为障碍物进行测量，并用钢卷尺测量实际距离。在前左方45度角，前右方45度角，左侧，右侧，后方左侧45度角，后方右侧45度角进行测量精度试验，系统测量范围为15cm～200cm，验证多传感器自主移动机器人对环境的感知情况。由于门电路延时等原因，测量距离要大于实际距离。超声波测距系统测量值与实际值数据比较，具体如表1表示。
5 结论
设计了一种基于CAN总线通讯的多传感器测距的自主移动机器人控制系统，制定了CAN总线的通信协议。采用SensComp600声呐传感器和单片机C8051F040设计实现了测距，只需很少的硬件即可。不足之处是，由于SensComp600声呐传感器受温度影响较严重，改系统中没有进行温度补偿，会影响实际的测量数值。另外单片机C8051F040功能没有全部使用，可以设计更多功能，来扩展该系统。
参考文献：
[1]李亚楠，王金柱，马继存，孙文理.基于C8051F352单片机的弹道参数测量系统设计[J].传感器与微系统，2015-05-20.
篇13
文章编号：1004-373X(2011)17-0137-04
Design of Solar Ultrasonic Guide Device
WU Fei-bin, ZHANG Jin-ping, CHEN Wen-juan
(College of Physical Science and Technology, China University of Petroleum, Qingdao 266555, China)
Abstract： In order to help blind people overcome the difficulties of walking inconvenience, the design method and work principle of solar ultrasonic guide device based on single-chip microcomputer is introduced. This design includes five modules such as main control circuit, temperature compensation, voice alarm, range setting and the solar power function. Its characteristics include that the temperature compensation technique can improve the guide accuracy; the solar power module is energy-efficient which can overcome the difficulty of charging inconvenient; the intelligent alarm module can improve the use effect of guide device.
Keywords： solar energy; temperature compensation; ultrasonic distance measurement; guide device
0 引 言
为了更好地帮助盲人行走，各科研机构研制了各种电子导盲设备。传统电子导盲装置存在以下不足：使用普通电池，工作时间短，需要频繁更换电池；传感器受外界影响较大，探测精度不高；操作复杂，并且造价昂贵。
超声波［1］测距是一种非接触式检测方式，利用其可测范围广，不受光线和被测物体颜色的影响等优势，可以解决很多问题，在工业控制、勘探测量、精确定位和交通安全等领域都有广泛的应用［2-5］。目前超声测距实现方便，计算简单，容易实现实时控制，并且在测量精度［6］上能达到使用的要求，因此可以很好地使用于导盲器的研制中。
1 超声波传感器及测距的原理
超声波是指频率高于20 kHz的机械波，超声波传感器是在超声波频率内将交变的电信号转换成声音信号或者将外界声场中的声音信号转变为电信号的能量转换器件，习惯上称为超声波换能器，或是超声波探头。超声波探头材料是压电晶体或压电陶瓷，这种探头统称为压电式超声波探头，利用压电材料的压电效应来工作的，其压电效应具有可逆性。逆压电效应是将高频脉冲转换成高频机械振动，以产生超声波，可作为发射探头。正压电效应是将高频机械振动转化成高频电脉冲，可接收超声波信号，作为接收探头。
超声波测距的原理一般是回波渡越时间法，即检测从超声波发射探头发射的超声波，经空气介质的传播，与其遇到障碍物后产生回波，并被超声波接收探头接收的时间差Δt，即渡越时间，求出声源到障碍物的距离S，计算公式为：
2 实验装置与控制方法
本项目研究的太阳能超声波导盲器从功能上分为太阳能供电、语音报警、量程设置、温度检测、主控制系统等五个模块，其原理框图如图1所示。
太阳能电池板固定在导盲器支架顶端，通过驱动电路连接到可充电的镍氢电池为导盲器提供5 V直流电。超声波传感器和温度传感器固定在导盲器支架前端，分别连接到主控制电路上。使用时，先选择量程，打开开关，温度传感器检测环境温度，并将检测到的温度信号传输给单片机，单片机对超声波传播速度进行修正。在量程范围内，当超声波信号遇到障碍物时，信号被反射回来，并被超声波传感器接收。信号发射到接收的时间差与障碍物的位置有关，单片机通过分析超声波发射到返回的时间差，可以计算出障碍物的距离，并执行报警程序，语音报警声可以通过耳机接线口连接到耳机。
2.1 主控制模块
主控制模块主要由单片机进行控制，包括了超声波发射电路和超声波接收电路，由于要实现远距离测量，而超声波在空气中传播，其能量会随传播距离的增大而减小，从远距离传播回来的信号比较弱，需要经过多级信号放大。
2.1.1 超声波发射电路
发射电路主要由反向器74LS04和TCT40-1F超声波发射传感器构成，单片机P2.0端口输出的40 kHz方波信号一路经一级反向器后送到超声波传感器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波传感器的另一个电极。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻既可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，也可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。其原理图如图2所示。
2.1.2 超声波接收电路
超声波接收器采用与发射器相配对的TCT40-2S，将超声波调制脉冲转换为40 kHz的电压信号。集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，内置前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器、整型电路等。其中前置放大器具有自动增益控制功能，可保证在超声波接收较远反射信号而输出微弱电压时，放大器有较高的增益，而在近距离输入信号强时，放大器不会过载。考虑到红外遥控常用的载波频率为38 kHz与测距的超声波频率40 kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路，如图3所示。利用CX20106A接收超声波，具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。
2.2 温度补偿模块
由于超声波属于声波范围, 其波速v与温度有关, 声波速度受温度影响较大。其传播速度与温度T的关系为:
增加温度传感器，检测装置工作时的温度，将接收到的温度信息传至单片机，对超声波的速度进行温度补偿,可以校正超声波的传播速度, 提高测量精确度。利用集成温度传感器 DS18B20和AT89S52单片机为主体, 可以构成一个高精度的数字温度检测系统［7］，其电路如图4所示。DS18B20温度传感器，与传统的热敏电阻温度传感器不同，它能够直接读出被测的温度值，并且可根据实际要求，通过简单的编程，实现9~12位的A/D转换。因而，使用DS18B20可使系统结构更趋简单，同时可靠性更高。
2.3 语音报警模块
普通导盲器的报警方式比较简单，或者是单一的蜂鸣器报警，或者只有语音报警，二者都存在缺陷。结合两种报警方式，设置蜂鸣器和语音芯片作为声音报警器，使用者若选用语音芯片，系统可根据距离探测的结果语音报出障碍物的距离，也可以根据需要选择蜂鸣器直接报警。在近距离模式中，可以用蜂鸣器的频率来表示距离的远近，远的时候采用低频率的蜂鸣声，近的时候采用频率高的蜂鸣声，使用者可以根据声音频率的高低快速准确地判断前方障碍物的大致距离。在远距离模式中，采用语音报警模式来表示前方障碍物的距离，语音报警模块采用的语音芯片是WT588D。
语音系统的原理框图如图5所示，分语音存储和语音播放两部分。系统利用单片机进行数据采集，经处理转换为可判断语音芯片播放哪段语音的判断信号。然后驱动耳机播放声音信号，利用WT588D VoiceChip软件可以对语音芯片进行编辑、声音录入等操作［8］。
2.4 量程设置模块
本装置预设远距、中距、近距三个量程用来控制报警的距离，系统初始报警距离为近距1 m，按中距和远距按键可分别将初始报警距离设为3 m和6 m。
2.5 太阳能供电模块
通过太阳能光伏电池发出的直流电驱动系统，并以可充电的镍氢电池作为积蓄太阳能发电板的剩余电力的设备。太阳能供电模块由太阳能电池、太阳能控制器、蓄电池和DC-DC转换器等组成，如图6所示。太阳能控制器可以控制蓄电池对太阳能的采集和储存的工作状态，并对蓄电池起到保护作用，延长蓄电池使用寿命。
3 算法设计与实验结果分析
3.1 算法设计
本装置软件的控制核心为AT89S52单片机［9］，单片机通过读取量程设置值和温度值对初始设置状态进行修改，控制发射超声波，同时启动定时器计时，为了避免接收传感器直接接受发出的超声波，可在发射超声波后设置一段延时。当超声波探测器探测到回波时，计时器停止计时，读取时间差，根据回波测距原理计算出障碍物距离，并执行报警程序［10］，程序流程图如图7所示。由于采用的是12 MHz的晶振，计数器每个计数就是1 μs，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数(即超声波来回所用的时间)按式(3)计算，即可得被测物体与测距器之间的距离S，假设温度为20 ℃，则对应声速v为344 m/s,则有:
3.2 实验结果分析
试验中选用一纸箱作为障碍物，将报警模块换为液晶显示器进行定量测量，不同气温下在同一点位置测量5个值，添加温度补偿和量程选择，得到如表1所示结果。
由此可以看出，本实验的相对误差较小，但是由于盲区的出现，所测的结果不能与标准值完全相等。并且当障碍物距离比较近时，测量精确性较高；障碍物较远时，精确性相对较低；这是由于距离较远时，超声波回波信号较弱，噪声较大，容易产生误差。
4 结 语
目前导盲器的研究较多，本实验提出的设计方案特点是以太阳能作为系统的动力来源，采用半导体数字温度传感器实现对单片机超声波测距系统的温度测量和补偿，从而对声速进行补偿，对引起测量误差的因素进行修正处理，可以提高导盲器的导盲精度及灵敏度。由于预留了单片机引脚，便于进行功能拓展，同时导盲器系统以模块化进行组装，适宜增加其他功能模块。例如可以添加GPS定位器，可以帮助盲人家属及时了解盲人的行踪，避免盲人走失。而且本设计具有操作简便、体积较小等优点,因此可以很好地应用于实际生活中。
参 考 文 献
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