摘要：本文為實現智能小車的避障要求，設計了一套超聲波傳感器測距系統。首先介紹了超聲波傳感器工作原理和應用電路設計，并詳細說明了使用CD4051的簡單電路實現多路超聲波信號的循環發射與接收電路以及接收芯片CX20106的使用情況，最后給出了如何提高精度的方法，從而增強了系統的可靠性。

　　智能小車，即輪式機器人，是移動機器人的一種，是一個集環境感知、動態決策與規劃、行為控制與執行等多種功能于一體的綜合系統。隨著計算機科學的發展可以通過單片機控制來實現對其行駛方向、啟動、停止以及速度的控制，無需人工干預，操作人員可以通過修改智能小車的控制程序來改變它的行駛方式。移動機器人的避障運動一直是一個重要課題，實現避障的方法主要有超聲波避障、視覺避障、紅外傳感器、激光避障、微波雷達等。目前超聲波避障實現方便，計算簡單，易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到實用的要求，因此成為常用的避障方法。

　　一、超聲波測距系統組成及工作原理

　　本系統由STC89C52單片機作為控制系統核心，五路超聲波傳感器分別測量小車左方、左前方、前方、右前方、右方障礙物的距離，并根據所測數據采取相應的避障措施。超聲波傳感器位置如圖1所示。

　　圖1超聲波傳感器位置設置

　　超聲波傳感器的工作原理如下：當40KHz的脈沖電信號輸入后，由壓電陶瓷激勵器和諧振片轉換成機械振動，經錐形輻射器將超聲振動信號向外發射出去;發射出的超聲波向空中四面八方直線傳播，遇到障礙物后它可以發生反射;接收器在收到由發射器傳來的超聲波后，使內部的諧振片諧振，通過聲電轉換作用將聲能轉換為電脈沖信號，然后輸入信號放大器，最后驅動執行器使電路動作。

　　本文采用的是渡越時間法，就是通過檢測發射的超聲波與其遇到障礙物后產生回波之間的時間差Δt，求出障礙物的距離d，計算公式為d=c＊Δt2（其中

　　為超聲波波速，T為環境攝氏溫度）。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的，但如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償的方法加以校正。

　　本文應用的是TCT40-10RT接收分體式壓電陶瓷超聲波傳感器，系統框圖如圖2所示。

　　圖2超聲波測距系統框圖

　　超聲波發生器產生40kHz的方波，經脈沖調后驅動發射端的超聲波傳感器，發出同頻率的正弦波;在每個調制脈沖到來時，換能器發出8-12個周期的超聲波，同時啟動單片機的計數器定時;超聲波被測量目標反射后由接收端的傳感器轉換為電信號，經處理電路后產生中斷，同時單片機停止計數，然后由計數差計算障礙物的距離。

　　二、電路設計

　　（一）超聲波發生電路

　　圖3超聲波發生器以及信號調制前后對比

　　根據超聲波傳感器的工作特點，選擇NE555產生40kHz的方波，占空比為50%，電源電壓為5V，脈沖調制由單片機P1.0口控制NE555的復位（RST）引腳實現。P1.0=1時，3腳輸出40kHz的方波，持續8-12個周期（持續周期數若太少，難以正常激勵超聲波探頭，若太多則發射波與反射波容易產生疊加干擾）;P1.0=0時，3腳無信號輸出。低電平持續時間由測量距離決定，測量距離越大，低電平持續時間越長（如圖3所示）。

　?。ǘ┭h接收、發射電路

　　循環發射電路主要采用一個多路模擬開關CD4051進行控制發射順序，如圖4所示。INH是控制輸入引腳，該引腳呈邏輯高電平時，所有通道關閉;反之，通道開通狀態受地址選擇端A～C控制。圖4所示控制信號與圖3中的控制信號相同，當為邏輯高電平時，NE555的3腳輸出調制信號，同時經反相器反相后CD4051正常工作。在一路發射器發射完畢后，控制信號輸出低電平復位555，同時反相施加在4051的引腳INH上，關閉所有通道。

　　圖4超聲波循環發射電路

　　循環接收電路同樣采用CD4051，電路同接收電路基本相同。接收電路和發射電路采用相同的地址控制信號，即發射組正好與接收組相對應，例如1號發射傳感器與1號接收傳感器相對應，接收端CD4051的INH引腳由單片機P1.2控制，當一路發射器脈沖發射完畢后，經過一定的盲區延時，P1.2輸出低電平，接通相應通道。低電平持續時間與P1.0控制信號相同，如果在控制信號低電平這段時間內沒有檢測到回波信號，則P1.2輸出高電平禁止再接收，如果檢測到回波信號，停止計數器計數，讀取計數值，進入下一通道的發射與接收。

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