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一种基于超声波和红外的测距定位系统

发布时间:2020-07-01 02:10:09 阅读: 来源:地热反射膜厂家

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。

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