引言
傳感器檢測技術、無線電通訊技術、計算機控制技術是現代信息技術的三大支柱，它們分別構成了信息技術系統的“感官”、“神經”和“大腦”。傳感器技術是信息社會的重要技術基礎，其品種、性能和質量直接決定了信息技術系統的功能和質量。因此有人說：“征服了傳感器就等于征服了科學技術”。由此可見，傳感器的開發與運用具有重大的意義。隨著現代科學技術的發展，人們對傳感器的性能水平及運用方式提出了更高的要求，而在被人們廣泛運用的傳感器家族中，超聲波傳感器和紅外線傳感器以其優異的性能得到人們的青睞，廣泛用于軍事、醫療、工業和家電產品。但目前超聲波傳感器和紅外線傳感器一般都是單獨使用，由于這兩種傳感器具有功能互補的特點，故而應把這兩種傳感器綜合起來，以制作出功能更全、精度更高、結構更簡、成本更低的傳感器探測系統。基于上述考慮，本文開展了基于超聲波與紅外線探測技術的測距定位系統的研究。
1 測距原理分析
目前，超聲波傳感器廣泛用作測距傳感器，常作為一種輔助視覺手段與其他視覺工具（如CCD圖像傳感器）配合使用，可有效提高機器的視覺功能。
1.1 超聲波發生器
超聲波發生器可分為兩大類：一類是用電氣方式產生超聲波；一類是用機械方式產生超聲波。電氣類包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械類包括加爾統笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也有所不同。目前常用的是壓電式超聲波發生器。
1.2 壓電式超聲波發生器工作原理
壓電式超聲波發生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的，其外觀結構與內部結構分別如圖1和圖2所示。
圖1 超聲波發生器外觀結構
圖2 超聲波發生器內部結構
該傳感器有兩個壓電晶片和一個共振板，當其兩極外加脈沖信號，且頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發生共振，并帶動共振板振動產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將迫使壓電晶片振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。
1.3 超聲波測距原理
超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回，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，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發射點距障礙物的距離S，即：S=340t/2。
2 定位原理分析
由于超聲波傳感器的波束發散比較嚴重，當超聲波發射點距障礙物較遠時，超聲波傳感器的方向定位精度較差，因而有必要引入其它方法或傳感器來改善其性能。經查閱資料得知，紅外線傳感器可彌補其性能上的不足。紅外線具有光束發散小的優點，目前很容易得到光束視角小于5°的紅外線傳感器。
相對于超聲波傳感器，其定向精度有了很大的提高。而且，還可以采用反應速度較快的紅外線傳感器（如光導紅外傳感器，其響應時間達到了微秒級）來消除超聲波傳感器盲區，提高系統的整體性能。
當紅外線反射型傳感器接通電源后，即從模塊內部的紅外線反射管向前方發射紅外線，一旦有物體或人體進入其有效探測范圍內時，紅外線就會有一部分被反射回來，被與發射管同排安裝的光敏接收管所接收，光敏接收管的電阻將因此減少，引起與其串連的電阻出現電壓變化，由電壓比較器處理后，在輸出端給出低電平信號，引起單片機中斷，從而進行有效控制。
紅外線反射型傳感器的檢測距離與工作電壓密切相關。工作電壓越高，紅外線反射功率越強，檢測距離就越遠；反之，電壓低，檢測距離就相對較近。
3 系統總體方案
本文研究目標是利用單片機應用技術及傳感器探測技術，開發一套傳感器定位測距系統。該系統將采用超聲波傳感器來測距，采用紅外線傳感器來定位，其組成框圖如圖3所示。
系統包括四部分：超聲波收發部分、紅外線收發部分、控制部分和顯示部分。控制部分是一個單片機系統，包括信號發射功能、信號判斷和分析功能以及控制顯示功能。
圖3 系統總體框圖
4 系統硬件設計
4.1 微控制器單元設計
微控制器單元設計是本系統的核心部分，針對系統要求體積小、功耗低的特點，選用AIMEL公司的AT89C51。這是一個帶有4K字節閃速可編程可擦除只讀存儲器的低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，可與工業標準80C51的指令設置和管腳輸出兼容，因而具有較好的實用性［2］。在選定單片機型號以后，還需完成以下電路的設計工作。
4.1.1 復位電路設計
控制系統的復位電路應具有上電復位和手動復位功能。由于復位電路易受噪聲干擾，故在設計時，一要保證整個系統可靠復位；二要使之具有一定的抗干擾能力，這可通過以下設計加以保障。
（1）復位電路RC參數的選擇
微控制器的復位脈沖高電平必須大于2個機器周期，若系統選用6MHz晶振，則1個機器周期為2μs，那么復位脈沖寬度最小應為4μs。在實際應用中，考慮到電源穩定時間、參數漂移、晶振穩定時間以及復位可靠性等因素，必須留有足夠的余量。圖4是利用RC充電原理實現上電復位的電路原理圖。實踐證明，上電瞬間RC電路充電，RESET引腳端出現正脈沖。只要RESET端保持10μs以上的高電平，就能使微控制器有效復位。
圖4 復位電路原理圖
應當指出，在圖4（a）所示電路中，非門的最小輸入高電平U′IH=210V，因而當充電時間t=016RC，則充電電壓UC=0145VCC=0145×5V≈2V，其中t為復位時間。由于在該電路中，有R=1kΩ和C=22μF，則有t=016×103×22×10-6=13ms。
（2）復位電路的可靠性和抗干擾設計
微控制器復位端口的干擾主要來自電源和按鈕傳輸線串入的噪聲。這些噪聲雖然不會完全導致系統復位，但有時會破壞CPU內的程序狀態字的某些位的狀態，對控制產生不良影響。以圖4為例，電源噪聲干擾過程如圖5所示，其中u代表噪聲源，為了分析方便起見，設u為階躍擾動。圖5中分別繪出了A點和B點的電壓擾動波形。
圖5 電源階躍擾動示意圖
由圖5可以看出，圖5（a）實質上是個低通濾波環節（慣性滯后環節），對于脈寬小于3τ的干擾信號有很好的抑制作用；圖5（b）實質上是個高通濾波環節（微分超前環節），對脈沖干擾沒有抑制作用。由此可見，對于圖4所示的兩種復位電路，圖5（a）的抗電源噪聲的能力要優于圖5（b）。但為了精簡系統電路，在電路系統設計中，還是采用了圖5（b）所示的復位電路。
4.1.2 振蕩器電路設計
晶振設計是單片機系統設計的重要環節之一，通常可用兩種方式產生單片機所需的時鐘信號。一種為內部方式，主要利用單片機內部的反相器作振蕩電路，具體接法如圖6所示。
圖6 晶體振蕩/陶瓷振蕩電路
該方式利用外接晶體作定時單元。晶體的頻率范圍在112～12MHz之間任選。電阻RS用來防止晶振被過分驅動。
在晶體振蕩下，電阻RF≈10MΩ。圖中并聯的兩個小電容可在5～30pF之間選擇，起頻率微調的作用，當VDD》415V時，建議C1=C2≈30pF（C1為相位調節電容；C2為增益調節電容）；另一種為外部方式，此方式的時鐘源直接來自外部硬件電路（見圖7）。對此電路來說，MCS-51系列單片機可使用已集成在片內的振蕩器，亦可使用由TTL門電路構成的簡單振蕩器電路。由于內部時鐘發生器是一個二分頻的觸發器，所以對外部振蕩源要求不嚴，通常是產生112～12MHz的方波。當外接振蕩器時，外部振蕩信號從XTAL1端，即內部三相波形發生器的輸入端輸入，XTAL2端可浮空。
圖7 外部晶體振蕩電路
圖7所示為一種典型的外部并行諧振振蕩電路。該電路主要應用晶體的基頻來設計。其中，74AS04反相器用來實現振蕩器所需的180°相移，417kΩ的電阻用來提供負反饋給反相器，10kΩ的電位器則用來提供偏壓，從而使反相器74AS04工作在線性范圍內。
圖8 外部串行諧振振蕩電路
圖8所示為一種典型的外部串行諧振振蕩電路。該電路也是應用晶體的基頻來設計。其中，74AS04反相器用來提供振蕩器所需的180°相移，330Ω的電阻用來提供負反饋，同時偏置電壓。
4.1.3 RC振蕩
RC振蕩適合于對時間精度要求不高的低成本應用。RC振蕩頻率隨電源電壓VDD、RC值及工作環境溫度的變化而變化。
由于工藝參數的差異，對不同芯片而言其振蕩器頻率將有所不同。另外，當外接電容CEXT值較小時，對振蕩器頻率的影響更大。同時，電阻電容本身的容差對振蕩器頻率也有影響。圖9所示為RC振蕩電路，如果REXT低于212kΩ，振蕩器將處于不穩定工作狀態，甚至停振。而REXT大于1MΩ時，振蕩器又易受噪聲、濕度、漏電流的干擾。因此，電阻REXT取值最好在3～100kΩ范圍內。在不接外部電容時，振蕩器仍可工作，但為了抗干擾及保證穩定性，建議接一20pF以上的電容。
圖9 RC振蕩電路
本系統選取晶體振蕩器作為微控制器的時鐘輸入，并選取6MHz時鐘頻率作為系統時鐘周期，既可以滿足系統頻率的要求，又可以克服阻容振蕩器精度不足的缺點，是一種較為適宜的設計選擇。
4.2 系統電路設計
在本測距定位系統中，系統電路可分成三部分，一是超聲波發射與接收電路部分；二是紅外線產生與接收電路部分；三是顯示電路部分，具體設計思路及設計結果如下：
4.2.1 超聲波發射與接收電路
圖10所示為超聲波發射電路。在該電路中，通過輸入引腳p110來控制超聲波，并經超聲波發射頭Tx發射出去；圖11所示為超聲波接收放大電路。在該電路中，先通過接收頭Rx接收超聲波，然后經兩級放大器把信號放大60dB，再輸送給超聲波檢波電路。
圖10 超聲波發射電路 
圖11 超聲波接收放大電路
圖12所示為超聲波檢波電路。在該電路中，超聲波脈沖信號被整流為正相信號（經測試，該正相信號近似于直流信號），此正相信號轉入電路中的電壓比較器，引起比較器輸出腳（即單片機的INT0腳）電壓跳變，由此即可判斷是否有回波信號存在。
圖12 超聲波檢波電路
4.2.2 紅外線產生與接收電路
圖13所示為紅外線發射電路。在該電路中，紅外線傳感器通過IN引腳輸入接收到的信號，當三極管的基極有電流時，三極管導通，從而有電流從位于發射極的紅外二極管流過，激發出紅外線。圖14所示為紅外線接收電路。在該電路中，當接收到反射紅外線信號時，光敏二極管的電阻將被降低，輸入到電壓比較器負端的電壓將被升高，從而使比較器的輸出端輸出低電平，并通過發光二極管的熄滅顯示出來，由此可判斷前方是否有障礙物。
圖13 經外線發射電路
圖14 紅外線接收電路
4.2.3 顯示電路
單片機接收到前面兩部分電路反饋回來的信息并經過相應算法的處理后，得出前方物體的距離與方向等信息，一方面可以控制相應的被控對象進行相應的動作，另一方面可以通過LED顯示相應的距離。本設計采用動態顯示，以節省單片機的輸出管腳，有利于簡化系統，具體電路如圖15所示。
圖15 系統顯示電路
5 系統軟件設計
系統工作時首先啟動紅外線傳感器進行探測，當檢測到有障礙物存在時，再啟動超聲波傳感器進行測距，然后通過LED進行顯示。如果檢測到的物體在超聲波傳感器的測量盲區內，則根據紅外線傳感器的響應情況對距離進行估計顯示。對應上述功能的程序框圖如圖16所示。
圖16 系統程序框圖
6 結語
本文采用超聲波傳感器和紅外線傳感器組成綜合測距定位系統，克服了由單一傳感器所構成探測系統的不足，同時具備了超聲波傳感器和紅外線傳感器探測的優點，能夠比較精確地測距和定向。同時，系統還采用了單片機控制技術，使系統具有良好的擴展性和實用性。