临沂大学2013届本科毕业设计说明书
按式（2）计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离，设计时取20℃时的声速为344 m/s则有： d=(c×t)/2=172TO/10000cm （2) 其中，T0为计数器T0的计算值。 测出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。为了有利于程序结构化和容易计算出距离，主程序采用C语言编写。
3超声波发生子程序和超声波接收中断程序
超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送2个左右超声波脉冲信号（频率约40kHz的方波），脉冲宽度为12μs左右，同时把计数器T0打开进行计时。超声波发生子程序较简单，但要求程序运行准确，所以采用汇编语言编程。
超声波测距仪主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即INT0引脚出现低电平），立即进入中断程序。进入中断后就立即关闭计时器T0停止计时，并将测距成功标志字赋值1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值2以表示此次测距不成功。 前方测距电路的输出端接单片机INT0端口，中断优先级最高，左、右测距电路的输出通过与门IC3A的输出接单片机INT1端口，同时单片机P1.3和P1.4接到IC3A的输入端，中断源的识别由程序查询来处理，中断优先级为先右后左。部分源程序如附录3。
4 系统的软硬件的调试
超声波测距仪的制作和调试都比较简单，其中超声波发射和接收采用Φ15的超声波换能器TCT40-10F1（T发射）和TCT40-10S1（R接收），中心频率为40kHz，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距4～8cm，其余元件无特殊要求。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C0的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。 硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。根据所设计的电路参数和程序，测距仪能测的范围为0.07～5.5m，测距仪最大误差不超过1cm。系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。软件的调试程序见附录4
第三章 超声波测距系统在智能机器人中的应用
在智能机器人的研制开发中, 很重要的一部分就是机器人要能实现避障功能, 即通过传感器的作用, 探测机器人行进道路上是否碰到障碍。若碰到了障碍, 机器人应该自动转向, 躲避障碍。
1 避障系统设计思想
7
临沂大学2013届本科毕业设计说明书
移动机器人感知环境的手段是不完备的，传感器给出的数据是不完全、不连续、不可靠的，因此移动机器人的安全避障成为当今机器人研究领域的一个焦点问题和难点问题。安全避障具体的实现方法有很多种，超声避障实现方便，技术成熟，成本低，成为移动机器人常用的避障方法，但超声避障存在一些缺点，如存在探测盲区等，特别是当超声传感器和障碍形成一定角度时会产生幻影导致机器人得到错误的信息，从而发生碰撞。本文采用多个传感器的模糊避障算法来克服超声传感器的幻影干扰，实现机器人的安全避障。
2 硬件设计
移动机器人硬件系统主要由电源模块、车速检测模块、直流电机驱动模块、路径模糊避障模块、显示模块、单片机模块等组成。
路径模糊避障模块将采集到的路面障碍物与车体位置的信息、转速测量模块测得的车速信息通过各自的接口送到单片机。单片机则根据这些信息，通过相应的软件算法对舵机与直流驱动电机进行控制，进而完成对小车方向与速度的控制，电源模块则向各个模块提供所需的电压与电流，并要保证系统稳定安全的运行。
障碍物的信息包括超声波传感器中心到障碍物的最短距离和障碍物相对于车体的方位。移动机器人运行过程中，实时采集每个方向上超声波传感器中心到障碍物的边界距离，进行比较划分找到其中最短的距离及方位作为车体到障碍物的最短距离和方位。避障算法如下：移动机器人以某一速度前进，如果某一传感器检测到的距离符合R1~ R9某个规则，那么机器人就根据程序选择绕开障碍物或继续前进。避障软件实现的步骤包括主程序、测距程序、显示程序、电机转向控制，如图14所示为避障步骤图。
开始 系统初始化 测距子程序 电机转向控制 子程序
图14 避障程序流程图
8
临沂大学2013届本科毕业设计说明书
3 软件设计
单片机编程产生超声波，在系统发射超声波的同时利用定时器的计数功能开始计时，接收到回波后，接收电路输出端产生的负跳变在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，停止计时，读取时间差，计算距离，然后通过软件译码，将数据输出P0、P1和P2口显示。
程序流程图如图15，(a)为主程序流程图，(b)为定时中断子程序流程图，(c)为外部中断子程序流程图。
初始化 定时中断入口 外部中断入口 定时中断子程序 定时器初始化 读取时间值 发射超声波 有回波否？ 发射完否？ 外部中断子程序 停止发射 等待 计算距离 保存结果 清中断 清中断 返回 返回
图15 程序流程图
根据避障规则，移动机器人以某一速度前进，如果某一传感器检测到的距离小于某个值，这个值是预定义可编程的临界距离，那么机器人以某一角度偏转，从而绕开障碍物继续前进。机器人在行驶过程中如果遇到障碍物，它的超声波测距系统马上计算出机器人与障碍物的距离d，若d 9 临沂大学2013届本科毕业设计说明书 开始 初始化 左是否 有障碍？ 右是否 有障碍？ 距离d 图16 避障程序流程图 10 临沂大学2013届本科毕业设计说明书 总结 本课题介绍了一种基于单片机的超声波测距系统的原理和设计。给出了硬件和软件的设计方案。 超声波传感器是本系统的核心器件，本论文详细地介绍了超声波传感器的原理、结构、检测方式以及它的一些特性。只有深入地了解超声波传感器的工作原理，才能更好的设计测距电路。单片机是本系统的控制部分，采用Atmel 公司生产的AT89C51 芯片。通过对单片机产生的信号进行放大，以驱动传感器工作。接收电路采用的是CX20106A，通过接收电路对接收到的信号进行放大和整形，最终再输出负脉冲给单片机响应中断程序。本系统的LED 显示部分采用的是动态扫描方式，并用单片机软件译码。单片机内部采用C 语言编程，信号的产生、时间差的读取、距离的计算以及显示输出的译码都由单片机编程完成。 本文实现了利用超声波测距信息来实现移动机器人的顺利避障行走，是因为超声波测距仪信息处理简单、速度快，但它也具有一定的局限性，主要表现在探测波束角过大、方向性差、只能获得目标的距离信息，而不能准确地提供目标的边界信息等，故需要对数据的融合算法进行进一步的研究，以消除它的缺陷。 11