单片机超声波视觉识别系统的硬件设计

随着计算机技术、自动化技术和工业机器人的不断发展和广泛应用，视觉识别在工业中变得十分重要。例如，在机械加工自动化装配、检测、分类、加工与运输等过程中，对随意放置的工件作业，必须对工件的位置、形状、姿势、种类自动地进行判别。特别是在工件的运输过程中，问题显得更为复杂与困难。

近年来，随着工业自动化生产和装配过程中自动识别的需要，出现了多种视觉识别方法。根据其视觉信息载体的不同，可归纳为光学方法和超声波方法。光学方法在某些应用领域有其局限性；相比之下，超声波方法具有突出的优点：

●超声波的传播速度仅为光波的百万分之一，因此可以直接测量较近目标的距离，纵向分辨率较高；

●超声波对色彩、光照度不敏感，适于识别透明、半透明及漫反射性差的物体（如玻璃、抛光体）；

●对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、灰尘、烟雾、电磁干扰器、有毒等恶劣环境中；

●结构简单，体积小，费用低，信息处理简单、可靠，易于小型化和集成化。

因此，超声波法作为非接触检测、识别手段，已越来越引起人们的重视，并得到深入的研究。

超声波视觉识别系统的硬件设计

该系统是采用脉冲一回波方式，即所谓的“雷达方式”（极近距离内的雷达）工作的。该系统采用的超声波传感器为自制的电容型超声波传感器。

此传感器由一面蒸涂有金属的聚乙烯塑料薄膜与有适当厚度的金属背极构成，结构简单。与传统的压电晶体和压电陶瓷超声波传感器相比，其信息的上升沿和下降沿都较陡，因此有利于高精度的测量。该视觉识别系统的原理框图如下图所示。在该系统中，为补偿超声波在传播过程中受衰减、散射、吸收等因素的影响，设计了自动增益补偿电路（AGC电路和STC电路）。为实时补偿环境温度变化对声速的影响，设计了高精度测温电路。该设计运用可变域值与零交叉点相结合的方法，能准确确定反射波到达的时间，从而使系统具有了较高的测量精度。

1．可编程定时电路的设计

定时电路是系统的关键电路，决定着系统的工作时序。由时序下图可见，EMITTED信号、GATE信号和STC信号是3个最重要的信号。EMITTED信号决定着系统的超声波脉冲发射间隔时间，激励传感器周期性地发射超声波，同时决定计时器的计时起始时间。GATE信号的作用是屏蔽发射波或其他反射波，接收所需的反射波，同时也决定着测量距离的近限和远限。STC信号是AGC电路的主要输入信号。

此定时电路由INTEL8080/8085系列的可编程间隔定时器8253 - PIT和NE555以及74LS123等芯片构成，如下图所示。根据系统的工作时序要求，可以通过编程方法方便地改变触发脉冲输出间隔、GATE信号的时间宽度和STC信号脉冲宽度，使系统具有较好的适应性和灵活性，拓宽了系统的应用范围。

2．超声波发射一接收电路设计

本超声波视觉识别系统采用单片微机控制的单探头传感器——自收、自发式电容型超声波传感器。其探头直径为26 mm，频率f=80 kHz，由脉冲电压触发启动。为了补偿超声波在传播过程中受衰减、散射、吸收等因素的影响，设计了自动增益补偿电路（AGC电路和STC电路）。下图为超声波发射一接收主电路图。

下图为自动增益补偿电路图。

3．计时电路的设计

计时电路如下图所示。由于超声波在传播方向上会遇到许多反射物，从而使系统的接收电路会接收到许多反射波，但我们仅取第一个反射波作为测量中所须采集的信息。在测量过程中，为了提高测时电路的分辨率，提高测时精度，我们选用了频率为10 MHz标准石英晶振作为标准计时脉冲。

将8031单片机的TO工作在计数器方式，对测量窗口内的标准计时脉冲的个数进行计数，得到16位计数值，从而可确定超声波从发射到接收的传播时间为

式中：TN为每个脉冲的时间，0.1μs;N为脉冲个数。

4．反射波峰值采样一保持电路设计

超声波的反射波强度是随距离和反射物形状变化而变化的。在测量距离不变的情况下，反射波强度与物体的形状之间有着密切的联系。因此实时地分析和了解反射波强度的变化大小，对于正确判断反射物形状特征具有重要的价值。为了实时地采集反射波最大峰值（最大反射波强度）信息，必须经模／数(A/D)转换，再由单片机采集而进行分析和计算。但超声波信号是变化较快的模拟信号（频率f=80 kHz），而模／数转换过程需要一定的转换时间(如ADC0809在时钟500 kHz时，转换时间为120 μS)。因此必须设计高精度采样一保持电路，以采集反射波最大峰值信号。下图为反射波峰值采样一保持电路图。

该峰值采样一保持电路利用运算放大器开环放大倍数很大的特点，配合深度负反馈来克服二极管死区电压对测量精度的影响。为了阻止峰值采样存储电容器通过下一级的输入电阻放电，我们选用高输入阻抗运算跟随器A2，并在电容器C两端跨接一只场效应晶体管J作为高阻器件来复位该电路。此电路可得到高精度的峰值采样数值。