超声波测距的硬件系统

系统硬件框图如图1所示，其设计为分布式控制系统。在本系统中USR1为超声波发射传感器，USR2，USR3，USR4为接收传感器，他是型号为JSS-03的液下专用超声波传感器，该传感器既可做接收用同时也可做发射用，其灵敏度高，额定脉冲工作电压高，瞬时输出功率大。温度传感器选用DS18B20，该传感器具有单总线、抗干扰、测温范围宽(-55～+125℃)、适合远距离恶劣环境测温的特点。在本系统中使用的单片机(MCU0，MCU1，…MCU4)均选用51系列单片机AT89C52。





当系统处于工作状态，由MCU0每隔3 s产生一个脉冲，信号经过放大激发信号发生器ST-3A，然后触发超声波发生器USR1；同时给MCU2，MCU3，MCU4的中断INT0一个低电平，使他们开始计时。当接收超声波传感器接收到发射超声波传感器发出的信号后，立即把产生的接收信号传给单片机，中间的信号调理过程为一级放大(放大100倍)、带通滤波、二级放大(放大50倍)、电压比较、光电隔离，其中电压比较的基准电压可调，当信号电压高于基准电压时使MCU的INT1中断。INT0中断和INT1中断的时间间隔即为发射与接收传感器间的时间，他存储在单片机固定的RAM中。而温度传感器DS18B20是分时完成对环境温度的测量的，采用严格的时序单片机进行双向通讯。单片机把温度信息存在他的固定RAM中。

1.3 超声波测距的软件系统

要完成对机器人的位置信息的测量就要求把存储在单片机RAM内的时间信息和温度信息采集到上位机中，然后把这些信息融合起来得到机器人的确切坐标。工控机与下位机采用串口通讯方式，通讯协议为MODBUS协议。同时上位机采用VC 6.0作为开发工具，工控机的软件程序采用模块化编程，程序主要由串口通讯模块、三点***模块、数据库模块及界面模块组成，其循环通讯的流程如图2所示。





2 实 验

2.1 实验准备

为了验证程序的可靠性和对比两种超声波发射传感器在***过程中的效果，做了水下***实验，该实验是在9 m×7 m的长方形水池中进行的，水深25 cm左右。在实验之前在水平面内建立直角坐标系，同时在r=3 300 mm的圆周上均匀放置三个超声波接收传感器，其坐标(单位：mm)分别为(3 300，0)、(-1 650，2 858)、(-1 650，2 858)，在实验过程中超声波发射传感器在此圆周内移动。

根据以前一系列的实验结果，在本次实验的软件系统中对测距程序按下式进行了修正：(单位：mm)





2.2 实验结果

(1)JSS-03型超声波发射传感器

该传感器的***佳发射频率为10 kHz，发射面为一个平面，波束角为60°，其指向性很强，在此***系统中，3个接收传感器都能够收到该发射传感器的信号，但在其波束角内的接收传感器接收的信号比其他两个强，这就影响了接收传感器触发时的灵敏性。

如图3所示，中间的实线圆为经过非线性优化过的发射传感器的移动轨迹，半径为3 204 mm，这些***点分散在轨迹圆的周围，外侧的虚线圆为偏离原点***远点所在的圆，内侧的虚线圆为距离原点***近的点所在的圆，***大误差为8.08％，这些误差主要来自于发射中心产生的误差和测距产生的误差。