超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)
由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。
為了使移動機器人能自動避障行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。本文所介紹的三方向（前、左、右）超聲波測距系統(tǒng)，就是為機器人了解其前方、左側(cè)和右側(cè)的環(huán)境而提供一個運動距離信息。
二、 超聲波測距原理
1、 超聲波發(fā)生器
為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器。總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。
2、壓電式超聲波發(fā)生器原理
壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。
3、超聲波測距原理
超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2
圖1 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)
這就是所謂的時間差測距法。 <
三、 超聲波測距系統(tǒng)的電路設(shè)計
圖2 超聲波測距電路原理圖
本系統(tǒng)的特點是利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計時，單片機選用8751，經(jīng)濟易用，且片內(nèi)有4K的ROM，便于編程。電路原理圖如圖2所示。其中只畫出前方測距電路的接線圖，左側(cè)和右側(cè)測距電路與前方測距電路相同，故省略之。
1、40kHz 脈沖的產(chǎn)生與超聲波發(fā)射
測距系統(tǒng)中的超聲波傳感器采用UCM40的壓電陶瓷傳感器，它的工作電壓是40kHz的脈沖信號，這由單片機執(zhí)行下面程序來產(chǎn)生。
puzel： mov 14h, #12h；超聲波發(fā)射持續(xù)200ms
here： cpl p1.0 ；輸出40kHz方波
nop ；
nop ；
nop ；
djnz 14h，here；
ret
前方測距電路的輸入端接單片機P1.0端口，單片機執(zhí)行上面的程序后，在P1.0 端口輸出一個40kHz的脈沖信號，經(jīng)過三極管T放大，驅(qū)動超聲波發(fā)射頭UCM40T，發(fā)出40kHz的脈沖超聲波，且持續(xù)發(fā)射200ms。右側(cè)和左側(cè)測距電路的輸入端分別接P1.1和P1.2端口，工作原理與前方測距電路相同。
2、超聲波的接收與處理
接收頭采用與發(fā)射頭配對的UCM40R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘�，�?jīng)運算放大器IC1A和IC1B兩極放大后加至IC2。IC2是帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊LM567，內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率f0=1/1.1R8C3，電容C4決定其鎖定帶寬。調(diào)節(jié)R8在發(fā)射的載頻上，則LM567輸入信號大于25mV，輸出端8腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖�，作為中斷請求信號，送至單片機處理。
前方測距電路的輸出端接單片機INT0端口，中斷優(yōu)先級最高，左、右測距電路的輸出通過與門IC3A的輸出接單片機INT1端口，同時單片機P1.3和P1.4接到IC3A的輸入端，中斷源的識別由程序查詢來處理，中斷優(yōu)先級為先右后左。部分源程序如下：
receive1：push psw
push acc
clr ex1 ；關(guān)外部中斷1
jnb p1.1, right ；P1.1引腳為0,轉(zhuǎn)至右測距電路中斷服務(wù)程序
jnb p1.2, left ；P1.2引腳為0,轉(zhuǎn)至左測距電路中斷服務(wù)程序
return：SETB EX1；開外部中斷1
pop? acc
pop? psw
reti
right： ...? ；右測距電路中斷服務(wù)程序入口
? ajmp? return
left：... ；左測距電路中斷服務(wù)程序入口
? ajmp? return
3、計算超聲波傳播時間
在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器T0，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在INT0或INT1端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，計算距離。其部分源程序如下：
RECEIVE0：PUSH PSW
PUSH ACC
CLR EX0 ；關(guān)外部中斷0
? MOV R7, TH0 ；讀取時間值
MOV R6, TL0?
CLR C
MOV A, R6
SUBB A, #0BBH；計算時間差
MOV 31H, A ；存儲結(jié)果
MOV A, R7
SUBB A, #3CH
MOV 30H, A?
SETB EX0 ；開外部中斷0
POP ACC?
POP PSW
RETI
四、超聲波測距系統(tǒng)的軟件設(shè)計
軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)程序，如圖3（a）（b）(c) 所示。主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。
定時中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時間值的讀取、距離計算、結(jié)果的輸出等工作。
五、結(jié)論
對所要求測量范圍30cm~200cm內(nèi)的平面物體做了多次測量發(fā)現(xiàn)，其最大誤差為0.5cm，且重復(fù)性好。可見基于單片機設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、測量誤差小等特點。因此，它不僅可用于移動機器人，還可用在其它檢測系統(tǒng)中。
