超聲波傳感器是移動(dòng)機(jī)器人避障、測(cè)距常用傳感器之一。傳感器安裝在機(jī)器人上時(shí)距離地面不能太近，太近容易產(chǎn)生干擾信號(hào)，而且容易將可以翻越的障礙物當(dāng)成無法逾越的障礙物。傳感器兩探頭間的距離不能太遠(yuǎn)也不能太近，太遠(yuǎn)測(cè)量誤差過大，太近串?dāng)_信號(hào)過強(qiáng)。
機(jī)器人硬件系統(tǒng)主要包括：ARM處理器、單片機(jī)、外圍接口電路、機(jī)器人底盤以及電源等，其中ARM處理器是上層的核心，51單片機(jī)是下層的核心。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖
移動(dòng)機(jī)器人采用H橋控制方案，整體控制方案如圖2所示。
圖2H橋控制方案
電機(jī)共有4路PWM輸出分別作為左右輪的驅(qū)動(dòng)，而通過2路PWM輸出可控制一個(gè)電機(jī)，兩個(gè)電機(jī)以并聯(lián)方式連接。
當(dāng)L298N芯片使能信號(hào)ENABLE為高時(shí)，輸出才隨輸入變化，否則為高阻態(tài)，所以焊接時(shí)，ENABLE引腳及電源引腳VS均接電源VCC。
具體驅(qū)動(dòng)過程為：通過編程由控制芯片經(jīng)PWM發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，PWM輸出作為L(zhǎng)298N的輸入，經(jīng)L298N轉(zhuǎn)換輸出控制信號(hào)使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。
PWM輸出信號(hào)的高低則可以控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)占空比加大時(shí)，轉(zhuǎn)速升高；占空比減小時(shí)，轉(zhuǎn)速降低；當(dāng)PWM信號(hào)輸出占空比為0時(shí)可控制電機(jī)的停止。
當(dāng)左輪停止，右輪轉(zhuǎn)時(shí)，小車左轉(zhuǎn)；當(dāng)右輪停止，左輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，小車右轉(zhuǎn)。而2路PWM輸出的正負(fù)順序轉(zhuǎn)換則可控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制小車的前進(jìn)和后退。
系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
超聲波發(fā)射模塊設(shè)計(jì)
外加信號(hào)頻率等于兩壓電晶片的固有振動(dòng)頻率時(shí)，將會(huì)發(fā)生共振，課題中采用的超聲波傳感器中心頻率為40kHz，因此在超聲波發(fā)射電路中，通過軟件編程方式，對(duì)單片機(jī)I/O口置高和置低，產(chǎn)生40kHz脈沖信號(hào)，輸出到發(fā)射電路中。由于AT89S51單片機(jī)I/O口使用時(shí)能提供20mA灌電流能力，而吸電流能力較小，所以用74HC04來提高其輸出電流的能力，保證40kHz的脈沖信號(hào)有一定的功率。超聲波發(fā)射模塊原理圖如圖4所示。
圖4 超聲波發(fā)射模塊原理圖
超聲波接收模塊設(shè)計(jì)
如圖5所示，超聲波接收處理電路采用集成電路CX20106. CX20106接收到與其中心頻率相符的信號(hào)時(shí)， 7腳就輸出低電平。 7腳輸出的脈沖下降沿和紅外傳感器測(cè)距信號(hào)相與后接單片機(jī)中斷口。
圖5 超聲波接收電路原理圖
反射式紅外傳感器檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
紅外測(cè)距電路如圖6所示， LM567可以構(gòu)成低頻振蕩器作為紅外傳感系統(tǒng)的編碼電路，即利用其內(nèi)部的壓控振蕩器來產(chǎn)生低頻信號(hào)，由于R25=10.9kΩ， C25=2200pF，根據(jù)公式f0 =1/1.1RC，5腳輸出頻率38.91kHz的脈沖信號(hào)。此脈沖信號(hào)使三極管T1（8050）工作于開關(guān)狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外脈沖。采用這種方法省去了信號(hào)發(fā)生電路，簡(jiǎn)化了線路和調(diào)試工作，又防止了周圍環(huán)境變化和元件參數(shù)變化對(duì)收發(fā)頻率造成的差異，實(shí)現(xiàn)了紅外線發(fā)射與接收工作頻率的同步自動(dòng)跟蹤，使電路的穩(wěn)定性和抗干擾能力大大加強(qiáng)。
圖6 反射式紅外傳感器測(cè)距原理圖