單片機超聲波視覺識別系統(tǒng)的硬件設計

隨著計算機技術(shù)、自動化技術(shù)和工業(yè)機器人的不斷發(fā)展和廣泛應用，視覺識別在工業(yè)中變得十分重要。例如，在機械加工自動化裝配、檢測、分類、加工與運輸?shù)冗^程中，對隨意放置的工件作業(yè)，必須對工件的位置、形狀、姿勢、種類自動地進行判別。特別是在工件的運輸過程中，問題顯得更為復雜與困難。

近年來，隨著工業(yè)自動化生產(chǎn)和裝配過程中自動識別的需要，出現(xiàn)了多種視覺識別方法。根據(jù)其視覺信息載體的不同，可歸納為光學方法和超聲波方法。光學方法在某些應用領(lǐng)域有其局限性；相比之下，超聲波方法具有突出的優(yōu)點：

●超聲波的傳播速度僅為光波的百萬分之一，因此可以直接測量較近目標的距離，縱向分辨率較高；

●超聲波對色彩、光照度不敏感，適于識別透明、半透明及漫反射性差的物體（如玻璃、拋光體）；

●對外界光線和電磁場不敏感，可用于黑暗、灰塵、煙霧、電磁干擾器、有毒等惡劣環(huán)境中；

●結(jié)構(gòu)簡單，體積小，費用低，信息處理簡單、可靠，易于小型化和集成化。

因此，超聲波法作為非接觸檢測、識別手段，已越來越引起人們的重視，并得到深入的研究。

超聲波視覺識別系統(tǒng)的硬件設計

該系統(tǒng)是采用脈沖一回波方式，即所謂的“雷達方式”（極近距離內(nèi)的雷達）工作的。該系統(tǒng)采用的超聲波傳感器為自制的電容型超聲波傳感器。

此傳感器由一面蒸涂有金屬的聚乙烯塑料薄膜與有適當厚度的金屬背極構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單。與傳統(tǒng)的壓電晶體和壓電陶瓷超聲波傳感器相比，其信息的上升沿和下降沿都較陡，因此有利于高精度的測量。該視覺識別系統(tǒng)的原理框圖如下圖所示。在該系統(tǒng)中，為補償超聲波在傳播過程中受衰減、散射、吸收等因素的影響，設計了自動增益補償電路（AGC電路和STC電路）。為實時補償環(huán)境溫度變化對聲速的影響，設計了高精度測溫電路。該設計運用可變域值與零交叉點相結(jié)合的方法，能準確確定反射波到達的時間，從而使系統(tǒng)具有了較高的測量精度。

1．可編程定時電路的設計

定時電路是系統(tǒng)的關(guān)鍵電路，決定著系統(tǒng)的工作時序。由時序下圖可見，EMITTED信號、GATE信號和STC信號是3個最重要的信號。EMITTED信號決定著系統(tǒng)的超聲波脈沖發(fā)射間隔時間，激勵傳感器周期性地發(fā)射超聲波，同時決定計時器的計時起始時間。GATE信號的作用是屏蔽發(fā)射波或其他反射波，接收所需的反射波，同時也決定著測量距離的近限和遠限。STC信號是AGC電路的主要輸入信號。

此定時電路由INTEL8080/8085系列的可編程間隔定時器8253 - PIT和NE555以及74LS123等芯片構(gòu)成，如下圖所示。根據(jù)系統(tǒng)的工作時序要求，可以通過編程方法方便地改變觸發(fā)脈沖輸出間隔、GATE信號的時間寬度和STC信號脈沖寬度，使系統(tǒng)具有較好的適應性和靈活性，拓寬了系統(tǒng)的應用范圍。

2．超聲波發(fā)射一接收電路設計

本超聲波視覺識別系統(tǒng)采用單片微機控制的單探頭傳感器——自收、自發(fā)式電容型超聲波傳感器。其探頭直徑為26 mm，頻率f=80 kHz，由脈沖電壓觸發(fā)啟動。為了補償超聲波在傳播過程中受衰減、散射、吸收等因素的影響，設計了自動增益補償電路（AGC電路和STC電路）。下圖為超聲波發(fā)射一接收主電路圖。

下圖為自動增益補償電路圖。

3．計時電路的設計

計時電路如下圖所示。由于超聲波在傳播方向上會遇到許多反射物，從而使系統(tǒng)的接收電路會接收到許多反射波，但我們僅取第一個反射波作為測量中所須采集的信息。在測量過程中，為了提高測時電路的分辨率，提高測時精度，我們選用了頻率為10 MHz標準石英晶振作為標準計時脈沖。

將8031單片機的TO工作在計數(shù)器方式，對測量窗口內(nèi)的標準計時脈沖的個數(shù)進行計數(shù)，得到16位計數(shù)值，從而可確定超聲波從發(fā)射到接收的傳播時間為

式中：TN為每個脈沖的時間，0.1μs;N為脈沖個數(shù)。

4．反射波峰值采樣一保持電路設計

超聲波的反射波強度是隨距離和反射物形狀變化而變化的。在測量距離不變的情況下，反射波強度與物體的形狀之間有著密切的聯(lián)系。因此實時地分析和了解反射波強度的變化大小，對于正確判斷反射物形狀特征具有重要的價值。為了實時地采集反射波最大峰值（最大反射波強度）信息，必須經(jīng)模／數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換，再由單片機采集而進行分析和計算。但超聲波信號是變化較快的模擬信號（頻率f=80 kHz），而模／數(shù)轉(zhuǎn)換過程需要一定的轉(zhuǎn)換時間(如ADC0809在時鐘500 kHz時，轉(zhuǎn)換時間為120 μS)。因此必須設計高精度采樣一保持電路，以采集反射波最大峰值信號。下圖為反射波峰值采樣一保持電路圖。

該峰值采樣一保持電路利用運算放大器開環(huán)放大倍數(shù)很大的特點，配合深度負反饋來克服二極管死區(qū)電壓對測量精度的影響。為了阻止峰值采樣存儲電容器通過下一級的輸入電阻放電，我們選用高輸入阻抗運算跟隨器A2，并在電容器C兩端跨接一只場效應晶體管J作為高阻器件來復位該電路。此電路可得到高精度的峰值采樣數(shù)值。