超聲波傳感器是移動機(jī)器人避障、測距常用傳感器之一。傳感器安裝在機(jī)器人上時距離地面不能太近，太近容易產(chǎn)生干擾信號，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)測量誤差過大，太近串?dāng)_信號過強(qiáng)。

　　1、超聲波發(fā)射模塊設(shè)計

　　外加信號頻率等于兩壓電晶片的固有振動頻率時，將會發(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，對單片機(jī)I/O口置高和置低，產(chǎn)生40kHz脈沖信號，輸出到發(fā)射電路中。由于AT89S51單片機(jī)I/O口使用時能提供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的脈沖信號有一定的功率。超聲波發(fā)射模塊原理圖如圖所示。

　　2、超聲波接收模塊設(shè)計

　　如圖所示，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時， 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距信號相與后接單片機(jī)中斷口。

　　在超聲波傳感器的使用過程中，需考慮到以下八個問題：

　　1、壓電式超聲波傳感器，在物理模型上，相當(dāng)于一個平板電容器。這種傳感器具有很高的內(nèi)部阻抗。當(dāng)作為接收器使用時，由于輸出信號很小，不能直接由主控MCU進(jìn)行處理，故需要在進(jìn)入主控MCU之前進(jìn)行阻抗變換和信號放大。其前置放大電路需具有較高的輸入阻抗。一般在前端還會加入RC有源帶通濾波器，以消除超聲波傳播過程中所受干擾信號的影響。

　　2、壓電陶瓷晶片都有一個固定的諧振頻率。發(fā)射超聲波時，加在其上面的交變電壓的頻率只有與它的固有諧振頻率一致時，超聲波傳感器才會有較高的靈敏度。當(dāng)所用壓電材料不變時，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非常方便的改變其固有諧振頻率。

　　3、在發(fā)射狀態(tài)時，超聲波感器的振蕩波形要經(jīng)過一段時間才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。為使傳感器充分振蕩起來，需結(jié)合傳感器的盲區(qū)距離，慎重選擇發(fā)射脈寬，以使發(fā)射幅度達(dá)到最大值。

　　4、超聲波傳感器是有一定的波束角的。如果被探測物體處于合適的角度中，超聲波傳感器會獲得正確的檢測結(jié)果。但是，如果被測物體的角度有偏差，則傳感器的測量結(jié)果中就會包含誤差。其中可能會出現(xiàn)的誤差有三角誤差、鏡面反射、多次反射等。

　　5、由于溫度會對聲波速度產(chǎn)生影響。要保證足夠的測距精度，這也是要考慮的一個因素。在傳感器設(shè)計中使用溫度補(bǔ)償功能，可以在環(huán)境溫度緩慢改變時保持穩(wěn)定的性能。但是，在環(huán)境溫度快速變化時，傳感器性能仍會受到很大影響。

　　6、多數(shù)超聲波傳感器的工作頻率為40-45Khz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人耳能夠聽到的頻率范圍。但是周圍環(huán)境有時也會產(chǎn)生類似頻率的噪音。這些噪聲會影響超聲波傳感器的測量結(jié)果。這時，可以通過對發(fā)射的超聲波進(jìn)行編碼來解決，比如發(fā)射一組長短不同的音波，只有當(dāng)探測頭檢測到相同組合的音波時，才進(jìn)行距離計算。這樣就可以有效的避免由于環(huán)境噪音所引起的誤讀。

　　7、當(dāng)多個超聲波傳感器一起工作時，由于聲波的反射，也會對測量結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，這是需要注意的。通過對超聲波傳感器的安放位置及其本身的性能指標(biāo)進(jìn)行仔細(xì)的設(shè)計，這種影響是可以消除的。

　　8、被測物體的大小，也會對超聲波傳感器的探測能力有一定的影響。一般來說，對同一個超聲波傳感器來說，被測物體的體積越大，則反射的超聲回波也越大，相應(yīng)的探測距離就會越遠(yuǎn)。反之，被測物體較小時，則超聲波傳感器的探測距離也會比較近。