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的研究上。其优点是价格便宜，易于使用，且在10m以内能给出精确的测量。 2.4.1超声波测距的原理
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，其频率超过20KHz，分横向振荡和纵向振荡两种，超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。它有折射和反射现象，且在传播过程中有衰减。利用超声波的特性，可做成各种超声波传感器，结合不同的电路，可以制成超声波仪器及装置，在通讯、医疗及家电中获得广泛应用[7]。
作为超声波传感器的材料，主要为压电晶体。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，故它分为发送器和接收器。
通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离了。这与雷达测距原理相似。 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(s)，即：s=340t/2） 2.4.2超声波传感器的分类
为了研究和利用超声波，人们已经设计和制造了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：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。电气方式包括压电式、磁致伸缩型和电动型等。机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性不相同，因而用途也也不相同。目前，常用的是压电式超声波发生器。压电式超声波发生器实际是利用压电陶瓷晶体的谐振来工作的。超声波发生器的内部结构，有两个压电芯片和一个共振板。当两极外加脉冲信号，其频率等于晶体的固有频率时，压电芯片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电芯片做共振，把机械能转化成电信号，这时就成了超声波接收器。 2.4.3超声波测距特点
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，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，
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并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用[7]。
为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。超声波测距系统，就是为小车了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息[8]。
由于超声实现方便，技术成熟，成本低，且周围环境对于超声波的影响也不大，所以超声避障成为移动机器人常用的避障方法[7]。从国内外研究情况来看，超声波装置主要用作测距，通过测量声源与目标物之间的往返传播时间，求得目标物的距离。在有些情况下，超声波传感器是光学系统无可比拟的。超声波传感器的优点主要表现如下[10]：
1、对于黑暗的环境和物体，超声波传感器几乎不受恶劣环境的影响，仍然能够实时准确的探测障碍物信息，反馈给信息处理设备。
2、和光学传感器相比，超声波传感器不仅可以探测到障碍物的存在，而且能够得到障碍物距机器人的距离，便于机器人做出决策。
3、虽然光传播速度比声音快，但计算机控制器延时和电机响应速度等特点将限制机器人执行任务的速度，因此光速快的优势并不明显。 2.4.4超声波模块选择
采用US100超声波模块 US100主要技术参数
表2 US100主要参数 电气参数 工作电压 静态电流 工作温度 输出方式 感应角度 探测距离 探测精度 UART 模式下串口配置 US100超声波模块 DC2.4V~5.5V 2mA -20~+70度 电平或UART（跳线帽选择） 小于15度 2cm~450cm 0.3cm+1% 波特率9600，起始位1位，停止位1位，数据位8位，无奇偶校验，无流控制 US100超声波测距模块可实现0~4.5m的非接触测距功能，拥有2.4~5.5V
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的宽电压输入范围，静态功耗低于2mA，自带温度传感器对测距结果进行校正，同时具有GPI0，串口等多种通信方式，内带看门狗，工作稳定可靠。
US100 5pin接口各自的定义
表3 US100各pin接口定义 从左到右依次编号1.2.3.4.5 1号Pin 2号Pin 3号Pin 4号Pin 5号Pin 各自定义 接VCC电源（2.4V~5.5V） 为UART时接TX端，为电平触发时接Trig端 位UART时接RX端，为电平触发时接Echo端 接外部电路的地 接外部电路的地 2.5显示模块
选用LED数码管用作显示 2.5.1数码管的结构及工作原理
LED数码管（LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。led数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等....，led数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。共阴和共阳极数码管，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。
LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。
A、静态显示驱动：
静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O口进行驱动，或者使用如BCD码而是进位器进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O口多，如驱动5个
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数码管静态显示则需要5*8=40根I/O口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O口才32个。故实际应用时必须增加驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。
B、动态显示驱动：
数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划\的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是哪个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮[19]。 通过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位元数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O口，而且功耗更低。 2.5.2数码管的选择
为节省单片机I/O端口，采用四位一体共阴极动态数码管。
2.6控制系统模块
考虑选用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHDL语言进行编写开发。但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。同时，CPLD的处理速度非常快，而小车的行进速度不可能太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上，MCU就已经可以胜任了。若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。为此，不采用该种方案，进而提出了其他设想。
结合实际需求采用89C52作为主控制芯片，该芯片有足够的存储空间，可以方便的在线ISP下载程序，能够满足该系统软件的需要，对于本作品系统已经足够，采用该芯片可以比较灵活的选择各个模块控制芯片，能够准确的计算出时间，有很好的实时性。
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2.6.1单片机的发展
1946年第一台电子计算机诞生至今，依靠微电子技术和半导体技术的进步，从电子管——晶体管——集成电路——大规模集成电路，使得计算机体积更小，功能更强。特别是近20年时间里，计算机技术获得飞速的发展，计算机在工农业，科研，教育，国防和航空航天领域获得了广泛的应用，计算机技术已经是一个国家现代科技水平的重要标志[14]。
单片机诞生于20世纪70年代，象Fairchild公司研制的F8单片微型计算机。所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元(Center Processing Unit,也即常称的CPU)和数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM)及其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元，定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛[14]。
20世纪70年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模还比较小，功能比较简单，一般均把CPU、RAM有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上，象Fairchild公司就属于这一类型，它还需配上外围的其他处理电路方才构成完整的计算系统。类似的单片机还有Zilog公司的Z80微处理器。
1976年INTEL公司推出了MCS-48单片机，这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，并推向市场。它以体积小，功能全，价格低赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑[20]。
在MCS-48的带领下，其后，各大半导体公司相继研制和发展了自己的单片机，象Zilog公司的Z8系列。到了80年代初，单片机已发展到了高性能阶段，象INTEL公司的MCS-51系列，Motorola公司的6801和6802系列，Rokwell公司的6501及6502系列等等,此外,日本的著名电气公司NEC和HITACHI都相继开发了具有自己特色的专用单片机[20]。
80年代，世界各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统，甚至还有一些带A/D转换器的单片机，功能越来越强大，RAM和ROM的容量也越来越大，寻址空间甚至可达64kB，可以说，单片机发展到了一个新的平台。 单片机经历了SCM、MCU、SOC三大阶段[21]。
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