摘要：本文设计并实现了一种多超声信号融合处理系统，主要用于移动机器人超声测距导航。系统针对超声回波信号的特点，使用AT89C52单片机对来自多个超声波传感器的微弱回波信号进行数字处理，并通过RS-232串行口与主机实现通讯。利用该系统，可以完成超声波信号的精确提取及多传感器信息的融合处理，为移动机器人在未知环境下的快速导航奠定了基础。
关键字：多通道；超声测距；信息融合

1 引言

在移动机器人超声测距导航系统中，单一的超声波传感器因其发射角等固有的不足难以完成对环境的全面探测。因而在实践中，常常用到大量的超声传感器阵列。

然而，专门针对这种情况设计的数据采集处理平台却很少。同时，在远距离测量时，超声回波信号很微弱并受到了较大噪声干扰。在这种情况下，传统的基于电路方法的超声测距仪很难实现回波的提取，常常造成误判。而已有的基于PC机的数据采集卡却又带来了便携性和适用性差的问题^[1]。

本文介绍的基于单片机的数字信号采集处理系统，针对上述情况，采用了八通道设计以适合多超声传感器信号的采集，并引入了数字信号处理算法，通过对超声回波信号的数字处理，可以精确地检测回波，完成高精度测距的任务。另外基于该平台进行的多传感器数据融合处理使得移动机器人可以获得更准确的环境信息，提高了环境感知的能力。

2 系统硬件电路设计

图1 系统结构框图

如图1所示，系统的主要硬件组成包括：前端微弱信号调理模块、A/D转换模块、微控制器模块、存储器模块、串行通讯模块以及扩展模块等。多个超声波换能器获取的回波信号输入系统后，经过各自前端调理电路处理，采样转化为数字信号，然后存放至系统SRAM芯片中。AT89C52单片机从SRAM芯片中读取数据并进行回波提取处理以及多通道融合处理，最后根据需要将处理结果通过RS-232标准接口送往上位PC机。同时，PC机的控制指令也可以通过该接口传送给单片机。

2.1微弱信号调理电路

在一般情况下,超声回波信号十分微弱,转换电信号的幅值也较小,必须采用高增益的放大电路。同时，复杂的工作环境又使得超声回波信号中包含了较多的噪声干扰。因此在设计调理电路时，既要进行信号的放大又要做适当的滤波处理。

由于系统要对多个超声传感器信号进行同步处理，因而设计了八通道并行的调理电路。每一个通道如图2所示。电路采用两级AD公司的高性能、超低失调电压运算放大器OP07串连实现信号的放大，并采用LM741芯片完成低通滤波处理。其中，在信号放大的第二级上设计了两个精密电位器R₅和R₆，其功能分别用于放大倍数和零点漂移的调整，以适合信号的下一步处理。

图2 微弱信号调理电路

超声回波信号经过调理电路后，八个输出端(通道一至通道八）将依次连接到A/D转换器的八个模拟信号输入端，以完成信号的模数转换处理。

2.2 A/D转换电路

A/D转换电路采用了MAXIM公司推出的8位8通道高速模数转换芯片MAX158^[2]。该芯片具有转换速度快、功耗低、精度高等特点。每通道转换时间仅为2.5μs，能够满足移动机器人导航时实时信号处理的要求。

MAX158芯片的外部模拟信号输入端AIN1-AIN8分别连接八路来自信号调理电路的超声回波信号，DB0-DB7端为转换结果的三态数据缓冲输出端，连接AT89C52单片机的八位数据线。 端为片选信号输入端，片选信号来自单片机的P1.4脚。REF+和REF-为参考电压的正负极输入端（分别对应全为1和全为0的输出），连接 +5V标准电压和GND。A0-A2端控制了芯片内部的多路开关。MAX158根据这三个端口的输入信号选择通道，并对此通道模拟量进行跟踪和保持。

MAX158芯片提供了两种不同的工作方式，即MODE0和MODE1。系统采用MODE1流水线读数方式，工作时序如图3所示：一个读信号（置 端和 端为低电平）会启动一个新的转换，并随即取走上一次转换的结果。两个读信号至少间隔2.5μs以保证数据的转换和读取。 端在 端或 端的上升沿转为高电平，并在一次转换过程结束时出现低电平。

2.3 微控制器模块

系统采用的AT89C52型单片机内含8KB的Flash程序存储器、256字节的RAM、具有32根I/O 线、3个可编程定时器^[3]。相比其他类型单片机而言，AT89C52单片机具有较多的片内资源, 既保证了数据处理代码的存储空间，又能够在很少外围电路的情况下构成功能完善的信号采集系统。系统部分电路连接如图4所示。

图4  系统部分电路连接图

2.4 存储器模块

由于系统要实时采集多路传感器信号，对数据存储要求较大。因此我们选用了可存储256K*8位信息的DCM8256芯片。DCM系列高速数据不挥发存储器，具有体积小巧，读/写速度快（小于100ns、可达50ns），读/写方式简单的优点，可在-40℃-+85℃温度下可靠工作，并且即使在有特殊干扰的情况下（如强磁场、电源急剧反复波动等），也能达到万无一失保存数据的效果，因而十分适合移动机器人野外作业的需要。

由于AT89C52单片机的最大寻址空间为64K，而DCM8256的空间为256K，因而要对寻址进行扩展。地址扩展的方式有两种，一种方法是DCM8256的低16位地址直接与MPU的地址线相连，而高两位地址由硬件逻辑实现；另一种方法是利用MPU的I/O口进行扩展。第一种方法虽然占用I/O资源较少，但电路复杂，需要额外的硬件。系统采用第二种方法，如图4右半部分所示，将DCM8256芯片的A16端和A17端分别连接到AT89C52单片机的P1.6端和P1.7端，片选信号接到P1.5端上。寻址操作可以通过简单的软件编程来实现。

2.5 串口通讯模块

在移动机器人超声测距导航系统中，超声测距的结果要上传至移动机器人的主处理器，由其控制机器人采取相应的对策；主处理器也要发送指令控制超声数据的采集和处理。因此单片机和主处理器之间的通讯是整个系统不可或缺的一个组成部分。

在我们的系统中，AT89C52单片机为下位机，移动机器人主处理器为上位机，二者通过RS-232串行口接收或上传数据和指令。在此，系统使用了集成电平转换芯片MAX232来进行RS232C/TTL 电平转换。MAX232的引脚11和引脚12直接和AT89C52的TXD、RXD串行口连接，引脚13和引脚14与RS232连接^[4]。

另外，由于超声测距系统受环境因素影响较大，在测量时要考虑到环境温度、自身速度等相关信息。对此系统额外采用了扩展模块设计，在电路中集成了温度、速度测量的电气处理模块，方便信息的综合分析。

3 系统软件设计

系统软件主要由单片机处理软件和PC机监控软件两部分组成。

3.1 单片机软件设计

单片机软件主要实现数据的采集和存储、回波的数字处理以及串口通讯等功能。主流程框架如图5所示。根据超声波测距具有的周期性特点，系统通过PC机设定单片机的采集周期。运行一次采集存储子程序即完成一个周期的采集，然后系统调用数据处理子程序进行回波信号的数字处理，并根据串口命令使用通讯子程序将结果发送至PC机。

图5  单片机软件主框架                        图6  采集存储子程序流程

在采集存储子程序中，每次模数转换结束时对SRAM频繁的开关操作会占用系统很大的时空开销，影响系统的实时性。对此，系统采用了增设缓冲区的方法。每次A/D转换结束，数据被送往开辟在单片机内部的缓冲区而不是立即写入外存。当八个通道采集完一轮后，再将缓冲区的内容一起写入外部存储器（流程如图6所示）。这样，在保证采样频率一致的前提下有效的提高了系统的实时性。

3.2 PC机软件设计

系统监控软件使用VC++6.0语言开发，它的作用是通过串口命令控制单片机工作，并抽象硬件设计，为移动机器人导航提供环境信息。

应用该软件，可以实现PC机对单片机的参数及命令设定、数据查询、数据存取以及曲线绘制等功能，并可以通过对数据的进一步融合处理，实时获取障碍物的距离、位置等信息，完成当前作业环境的建模，实现环境感知。软件的运行界面如图7所示。

4 小结

  图7 软件运行界面

本系统专门针对移动机器人导航时的多超声传感器信息融合应用而设计。经实验证明，系统简单实用、稳定可靠，完全达到设计目的。

本文作者创新点：（1）结合移动机器人多超声测距的实际，设计了多通道的融合处理系统，软硬件简单明了，工作可靠，特别适合多传感器信息融合应用。（2）良好的噪声抑制能力和较高的测量精度。由于超声回波信号十分微弱并含有噪声，S/N较小，抗干扰性不强。以往基于模拟电路设定阈值来判断回波的做法往往会受到噪声信号的干扰而造成误判。本系统使用数字信号处理方法，将超声回波数字处理，减少了误判的概率，解决了高噪声背景下的回波识别问题，增加了系统的可靠性。（3）系统基于单片机设计，电路板设计合理紧凑，使得系统具有良好的便携性，相比于基于PC机的数据采集卡更加适合移动机器人应用。（4）良好的抗干扰能力。通过PCB 板上的一些设计及工控机箱来加强对电磁干扰、电压扰动的适应能力, 能够适应恶劣的工作环境。

参考文献：

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[3]王幸之,钟爱琴等.AT89系列单片机原理与接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社2004：20-21
[4]高泽利,李颖.六通道数据采集及处理系统的研制[J].微计算机信息,2005,21(9-1): 94-97

引言

随着生活水平的提高，越来越多的人把旅游当成了一种时尚的消费方式，而有些问题也随之产生，如导游人员的缺乏及其素质不高，加之大批喜欢独立自由的旅游者的出现，这些促使了电子导游系统的产生。电子导游系统发展有个过程，最开始时是一种半自动化系统，功能是把景点信息以语音文件格式存储在导游机里，一般通过键盘直接键入景点代码，选择播放。这种类型的导游机，缺点是要输入景点代码，很不方便。发展到现在，出现了全自动化的导游机，它在景点先安放无线发射模块，这些发射模块可以控制工作范围，这样在各个景点就有不同的编码信号。游客到达景点后，游客手上的导游机会自动接收编码信号，经过解码后，由控制中心控制语音播放即可。本文介绍了这一全自动化导游机的设计，采用了miniC-A101FS和单片机AT89C2051配合使用。

1 miniC-A101FS和SC2272的介绍

1.1 miniC-A101FS

miniC-A100FS是串口控制的语音模块，使用简单，扩展灵活且性能高。该模块不仅提供丰富的串口命令用于控制语音模块播放，还可以向上位机提供查询命令。其特性如下：

◆支持MPEG1／2／2.5 layer3的MP3格式播放；

◆支持USB2.0，通过USB接口更新音乐；

◆提供串口控制；

◆支持Flash容量范围：0～1 024 MB；

◆支持SD卡。

1.2 SC2272

SC2272和SC2262配套使用。它们采用CMOS工艺制造，最多拥有12个地址引脚，可支持多达531 441个地址的编码，因此极大地减少了码的冲突。SC2262完成发射，送出SC2262当前的地址编码和数据位数据。当SC2272与SC2262地址一致时，SC2272接收到2帧以上SC2262的串行码，SC2272和SC2262的振荡频率必须一致。当SC2272收到有效信号时，其引脚VT将变成高电平。

2 电子导游系统的电路及系统构成

在设计的系统中，射频发射模块被分布在景区的各个景点中，它们工作在不同的编址信号上。电子导游机采用比较通用的51系列单片机AT89C2051作为系统的控制处理单元，利用P1口循环给解码芯片SC2272发送00H～FFH的数据，作为它们的地址；同时，射频接收头J04P将接收到的信号送至SC2272解码，如果解码的信号与单片机给地址预设的信号一致，将触发中断INT1，进入中断处理子程序，在中断处理子程序中，将进人对应的中断处理程序进行放音。TXD将用于与语音模块进行串行通信，P3口的INT1用于中断。系统功能由发射部分和接收部分构成。

发射部分采用集成了SC2262和F05P发射头的发射模块，工作距离可通过天线的长短和工作电压的高低来调节。接收部分就是游客手持的电子导游机，系统框图如图1所示。

SC2272解码出来的地址码与预设的地址码一致时，VT脚便从低电平跳到高电平，将此信号送反相器取反后，触发中断INT1；中断控制子程序通过RXD、TXD向语音播放模块发送指令“2404010000”，语音播放模块便开始播放景点介绍。系统电路如图2所示。

图2中有3个按键，2个是声音大小键，另外1个是复位键。声音大小键采用“采样不同点电压”的原理，是语音播放模块自带的按键电路；而复位键则采用经典的电路，单片机的复位和语音播放模块的复位连在一起，共同作用。

为了增强抗干扰效果，将J04P垂直于电路板，且在板图上应该离语音播放模块有一定的距离，这样才能有最好的抗干扰效果。SC2262和SC2272的振荡电阻选择1 MΩ和200 kΩ为最佳。

系统还要考虑播放完录音后是否要重复播放。本设计的功能是播放后不重复播放，除非游客按复位键，这是通过软件来实现的。在单片机的ROM中给每个景点留1字节的空间作为其播放标志位。每当进入景点播放时，判断该标志位是否为1，若是则表明已经播放过，将不再播放；否则，播放景点介绍。按复位后可以重复播放。

系统的软件流程如图3所示。

3 现场测试

为了检验电子导游设备的可靠性，进行了一些野外测试，效果良好：①发射模块距离可调，符合显示各旅游景点的需要，基本上能通过控制天线的长短和电压的高低得到理想的距离；②误码可能性极低；③通过程序的控制很好地实现了自动判断同一景点播放完后是否重新播放。

结 语

当前市场上电子导游系统有以下缺陷：成本高，体积大，语音存储容量小。本文介绍的导游系统配合使用无线射频发送／接收头F05P／J04P和编解码芯片SC22262／SC2272，采用低功耗单片机AT89C2051控制语音模块的工作，成功地减小了体积(大约是普通手机大小)。采用市场上的普通器件，大大降低了成本。语音模块miniC-A101FS支持的Flash容量是0～1024MB，而且支持SD卡，从根本上解决了导游机容量的问题。该设备已经投入到旅游景点测试，反映良好，不久就可以投入市场，相信会带来很好的经济效益和社会效益。

摘要：在宿舍或商场的出入口中采用监视和管理系统可以进行防盗和信息提示使用。基于AT89S51单片机的控制系统包括四部分：数据采集、控制系统、时钟电路、语音录音电路和报音提示信息电路。该系统采用单片机进行控制，结构简单，还可进行多种功能的扩展，如实现多机通讯，对更大的场合进行监控与管理等。
关键词：单片机，监控与管理，硬件，程序

1 引言

在学校宿舍、课室、图书馆、商场等场所的出入口，如果采用监控与管理系统，就可以对进出的人数进行统计，可以利用录音设备或显示设备进行温馨提示的管理工作，也可以在非进入时间进行监控报警等处理。基于AT89S51单片机的监控与管理系统由于采用了单片机进行控制，大大简化了外围硬件电路的设计，系统结构简单。同时，该系统可以进行很多的扩展，如实现多机通讯，对更大的场合进行监控与管理等。

2 系统硬件结构

2．1结构框图

图1 基于AT89S51单片机的监控与管理系统的结构框图

图1所示是基于AT89S51单片机的监控与管理系统的结构框图。该系统采用了AT89S51单片机系统来控制系统的工作，采用语音专用录音芯片，同时也加上时钟芯片，这样就可以根据自己和场合的需要进行不同的录音，发出适合的报音信号，而且也可以实时显示时钟、日历等，如果选用液晶显示电路，还可以进行文字显示，用于温馨提示，消息或新闻的发布等。本处只介绍利用语音IC实现报音的提示功能。

该系统由于采用了单片机的软件编程实现控制各模块电路的工作，并且可以通过键盘进行参数的设置，实现了自动控制，使得该系统变得更加完整，功能更多，同时可以进行扩展。

2．2 工作原理

1、  硬件组成

图2  各模块单元电路

该系统由AT89S51单片机最小系统电路为主要结构，利用其I/O口进行数据的采集和控制。图2是各单元电路。

该电路的工作原理是：首先由无线热释电人体红外探头根据人体恒温（37℃）发出特定波长（10uM）的红外线，通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上，再经热释电元件产生一定的电荷信号并送往单片机，此时单片机马上读取当前时间，并与之前单片机设定的时间段进行比较，如果发现当前时间落在所设时间段范围内，则向录音电路芯片发出控制信号，把相应时间段的录音内容送到报音电路，然后由报音电路通过放大电路放大后驱动扬声器，发出相应的声音；若发现当前时间没有落在所设时间段范围内，则不响应该次无线热释电人体红外探头送进来的中断信号，即后面的全部工作将不再进行下去，而是等待下一个中断信号的过来。

各芯片与单片机的连接如下：

①语音录音芯片占单片机Ｐ0的8个Ｉ/Ｏ口及Ｐ2.0～Ｐ2.5共6个Ｉ/Ｏ口；其中单片机的P0口、P2.0和 P2.1分别与ISD2560的地址线相连，用以设置语音段的起始地址。P2.2~P2.5用以控制录放音状态。P1.7用于录音键控制。

②时钟芯片占用单片机Ｐ1.0～Ｐ1.2共3个Ｉ/Ｏ口；

③键盘显示电路占用单片机Ｐ1.3～Ｐ1.6共4个Ｉ/Ｏ口。

④存储器E2PROM占用Ｐ2.6和Ｐ2.7共2个Ｉ/Ｏ口

⑤数据采集结果为外中断输入请求信号。

2．3 单元电路设计

1、单片机最小系统

该部分包括两部分：单片机最小系统及串行E²PROM。单片机最小系统主要以AT89S51为核心，外加上电复位电路及时钟电路组成；接入串行E²PROM主要是为了通过该E²PROM断电后继续保存系统所设定的相关参数。该电路使用的串行E²PROM是采用I²C总线接口的AT24C01，采用软件模拟的方法实现I²C总线数据的传送。

2、数据采集部分

为实现对人体数据的采集，该电路根据人体恒温发出特定波长的红外线信号，采用无线或有线的热释电人体红外探头，通过该探头可以将所采集回来的数据转换成一个电平信号去触发单片机，从而送出中断请求信号。由于该部分电路在本系统中只充当一个中断源使用，且不是该系统的核心电路部分，可采用一个成品的单元模块进行代替。

同时，由此可知，该控制系统也可以设置采集其他类型的数据作为中断源，方便地修改为其他服务的控制。

3、时钟芯片电路

为了实现实时时钟功能，该电路采用了美国DALLAS公司生产的高性能、低功耗的时钟芯片DS1302以及一些外围元件组成^[1]，该芯片具有时钟/日历功能，电路中配备了两粒纽扣式后备电池，以保证DS1302在外电源中断后正常计时，在单片机开机后，可以通过键盘校准DS1302的时间、日历。

4、语音录音芯片电路

为了实现根据不同的使用场合，发出不同的报音内容，该电路采用了语音专用录音ISD2560^[2]，它具有抗断电、音质好，使用方便，无须专用的开发系统等优点。录音时间为60 s，能重复录放达10万次。只要通过麦克风便可向录音芯片录入你想录入的内容。

5、键盘、数码管显示电路

电路的键盘控制和显示电路采用zlg7289A芯片构成数码管显示电路作为显示^[3]。该芯片具有SPI串行接口功能，无需外围元件可直接驱动LED，可同时驱动8位共阴式数码管(或64只独立LED)的智能显示驱动芯片，使用非常方便。zlg7289A 内部含有译码器可直接接受BCD码或16 进制码并同时具有2 种译码方式此外还具有多种控制指令如消隐﹑闪烁﹑左移﹑右移﹑段寻址等，使用非常方便。只使用单片机的4个端口。

6、报音电路

采用芯片ISD2560输出已经具有一定的功率，能正常驱动小的扬声器，但是为了能让报出的报音信号能更宏亮，更让人察觉，在输出已有一定的功率的情况下再加两级放大电路对输出信号进行继续放大，以驱动更大功率的扬声器，发出更加响亮的声音。

3.软件设计

 图3 主程序流程         

图4时钟芯片的流程      

图5 中断程序流程

主程序主要是用于系统开始或复位的初始化及调用各个子程序来完成对整个系统的控制，在初始化模块中除了一般的堆栈指针设置及对各个所要用到的寄存器进行赋值，还要对键盘显示控制芯片ZLG7289的复位初始化。主程序流程图见图3。

图4是时钟芯片DS1302程序流程，检测工作时间是否正确，如用户有修改，则采用用户修改结果。图5是其中断服务程序流程。其主要过程是开机进行初始化后，检测热释电元件是否产生一定的电信号，然后把现在的时间和E²PROM所存储时间相比较，判断是否需要播放某一段录音的时间，如果是，则播放相应的语言，然后返回。E²PROM所存储时间，用户可以键盘进行输入设置。同时，在编程时，可以设置设计算中断的次数，从而计算进出的人数。在非开放时间，如检测到人体信号，则可以输出报警信号。

4．结语

本系统以AT89S51单片机为核心，以无线热释电人体红外探头信号为中断请求信号，以当前时间为标准，通过软件编程实现控制报音的目的。本系统的创新之处是系统硬件电路上比较简单，使用元件少，电路更具有可用性，性价比高，可方便安装于各种需监测和管理场所。该系统非常方便扩展，如培养摄像头启动控制等，如果要实现更大范围的检测和监控，还非常方便改装成为主—从机的多机通信形式。

参考文献：

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[3] 广州周立功单片机发展有限公司 zlg7289A 8 位LED 及8 8 键盘控制芯片选型指南/upload/eWebUpload/200703/20070312110856345.pdf