摘 要: 為了提高移動機器人的定位能力，提出了一種測障系統。硬件電路以STC12C5A60S2單片機為主控核心，外圍電路主要由超聲波測距、電子羅盤測方位、數字測溫和液晶顯示電路組成。測距由超聲波渡越時間法實現，利用所測溫度實時修正參數，提高了測距精度。方位由電子羅盤采集并以數字量輸出，簡化了電路。系統軟件是一個微內核、多任務的實時系統，將μC/OS-II嵌入單片機，多參數采集程序運行之上，彌補了前后臺系統處理多參數實時性差的不足。實際運行表明，系統具有測試精度高、實時好和擴展性好等優點。
關鍵詞: 測障系統; μC/OS-II；多任務；單片機
測障系統由測距和測方位等功能組成，它是一個多參數、多功能采集系統，而基于過程處理的前后臺系統已很難在實時性和可靠性上滿足要求。隨著技術的進步,一些8位及以上微控制器已能嵌入實時操作系統(RTOS)，應用程序運行之上，兩者相互協作，組成一個多任務、多功能、可裁剪的測控系統，有效地克服了傳統設計方案的不足。
μC/OS-II是嵌入式實時操作系統，它具有的微內核、多任務、實時性和穩定可靠等特點使其特別適用于構建基于微處理器或單片機(這類處理器對存儲空間要求極其苛刻)的測控系統，其被成功應用于航天工程、生命科學、消費類電子產品等領域就是很好的例證[1]。
STC12C5A60S2單片機是具有8051內核的增強型單片機，無需外擴數據存儲器和程序存儲器就能很好地運行裁剪的μC/OS-II系統。本文將?滋C/OS-II移植進STC12C5A60S2單片機，設計了基于單片機的多參數、多功能測障系統。
1 系統方案和主要電路
系統硬件主要由STC12C5A60S2單片機、超聲波電路、數字溫度傳感器DS18B20、時鐘芯片DS1302、液晶顯示器LCD12864(ST7920)組成，硬件框圖如圖1所示。
STC12C5A60S2單片機運行μC/OS-II和應用程序，是測控系統的核心。單片機內置60 KB Flash程序存儲器、集成1 280 B數據存儲器和1 KB數據Flash存儲器[1]。 這些硬件配置使其能構成基于μC/OS-II的多參數、多功能的實時測控系統。超聲波電路實現測距；電子羅盤電路實現測方位；數字溫度傳感器測試溫度，用于測距參數的修正；時鐘芯片輸出時間；液晶顯示器實時顯示距離、方位、溫度等參數。
1.1 超聲波電路
超聲波電路是利用超聲脈沖回波渡越時間法來實現測距,根據系統發射超聲波與接收反射波的時間差,結合修正后的波速計算出與障礙物的距離[2]。測距公式如下:
S=vt/2 (1)
v=331.5+0.6Δ (2)
其中，S為與障礙物的距離，單位為m；v為帶溫度補償的超聲波傳播速度,單位為m/s；t為超聲波發射與接收到反射波時的時間差，單位為s；331.5是0℃時超聲波在空氣中的傳播速度, 單位為m/s；Δ為實測溫度,由測溫電路測得，單位為℃。
超聲波電路由超聲波發射電路和超聲波接收電路組成，選用壓電式超聲波傳感器(型號TCT40-16T/R，中心頻率40.0±1.0 kHz)。
超聲波發射電路由555定時器、CD4069、TCT40-16T發射器等組成,如圖2所示。它是利用發射器的逆壓電效應,將高頻電振動轉換成機械振動,產生超聲波發射出去的電路。電路中，當單片機控制引腳P1.1為低電平時，555定時器產生中心頻率40 kHz的高頻信號，由引腳3輸出至CD4069，CD4069將其整形后驅動發射器發射超聲波。
超聲波接收電路由TCT40-16R接收器和紅外線檢波芯片CX20106A等組成，如圖3所示。它是利用接收器的壓電效應,將接收的超聲振動轉換成電信號，實現微弱反射回波的放大、濾波、檢波、整形輸出的電路[3]。電路中，反射波由引腳1輸入，此信號被處理后由引腳7輸出低電平，此負跳變通過P1.2引入單片機，單片機以查詢的方式獲取該信號的變化(反射波)。
1.2 電子羅盤電路
電子羅盤電路用于測試與障礙物的方位(角度和方向)。其工作原理是利用磁阻傳感器測試與地磁場的偏移關系從而獲取方位信息[4]。
電子羅盤電路由電源電路和HMC5883L集成模塊組成。HMC5883L內置磁阻傳感器、12位ADC、放大器、I2C數字接口、測量精度達到1°~2°[5]。電子羅盤電路與單片機接口如圖4所示。
1.3 數字測溫/時鐘電路
數字測溫電路由數字溫度傳感器DS18B20組成。它具有以下特點[6]: (1)測溫范圍為-55℃~+125℃， 最高12 bit分辨率，精度可達±0.5℃;(2)可通過編程的方式實現9 bit~12 bit的數字溫度直讀; (3)可設置超限溫度報警，并有搜索命令識別報警條件;(4)單總線接口,僅需一條輸入/輸出線(DQ)就能與單片機(P1.0)通信。DS18B20數字測溫電路如圖5所示。
時鐘電路由時鐘芯片DS1302組成。它是一種高性能、低功耗、采用三線接口的實時時鐘電路，可以對時間和日期進行計時[7]。DS1302時鐘電路如圖6所示。
2 系統軟件
系統軟件是運行于?滋C/OS-II之上的程序，它將RTOS與應用程序有機融合在一起。RTOS負責任務管理與調度、任務間同步和通信等功能；應用程序實現具體功能，如測距、測方位和參數顯示等。
2.1 μC/OS_II移植
μC/OS-II必須裁剪才能在STC12C5A60S2單片機中正常運行,主要涉及4個文件[1]: 處理器相關文件(OS_CPU_C.C、OS_CPU.H)、 配置文件(OS_CFG.H)、 匯編文件(OS_CPU_A.ASM)、啟動文件(STARTUP.A5)。
2.2 應用程序組成
程序流程框圖如圖7所示。主文件由系統和應用程序初始化功能函數、任務1和任務2的功能函數、時鐘中斷函數UserTickTimer()等組成。
2.2.1 系統和應用程序初始化主要功能函數
(1) OSInit()
初始化操作系統。
(2) InitHardware()/InitLcdBase()/ Init DS1302 ()/Init
Hmc5883()
初始化定時器T0/T1:方式1，T0定時50 ms中斷一次，T1為超聲波計數，初值為0。
初始化液晶顯示器LCD12864、數字時鐘芯片DS1302和電子羅盤芯片HMC5883。
(3) OSTaskCreate()
OSTaskCreate(Task1,(void*)0,&Task1Stk[0],1);
OSTaskCreate(Task2,(void*)0,&Task2Stk[0],2);
創建Task1和Task2兩個任務，級別為1和2，并分配堆棧。
(4) myMbox=OSMboxCreate((void*)1);
創建消息郵箱并賦初值，作為1 s到的時間標識。
(5) OSStart()
啟動多任務。
2.2.2 任務1和任務2的功能函數
(1) 任務1的功能函數
① Hmc5883Process()/DisplayGoniometer()
測方位并用數字/指針顯示，每1 s刷新一次。
② OSTimeDly(20)
任務1被掛起20個時鐘節拍，讓出CPU資源。
(２) 任務2的功能函數
① OSMboxPend(myMbox,0,&err)
當接收到系統每隔1 s發過來的消息時,執行以下函數，否則等待。
② Get1302Data()/Display1302DigitalClock()
讀取DS1302的值并顯示時間。
③ Ds18b20DataToString()/DisplayDs18b20Tempe()
讀取DS18b20溫度值并轉換為相應格式,顯示溫度值。
④ UltraShowDistance()
顯示基于超聲回波渡越時間波測試的距離值。
⑤ OSTimeDly(5)
任務2被掛起5個時鐘節拍，讓出CPU資源。
3 實驗
基于單片機的測障系統實際運行結果如圖8所示。
圖8(a)~(d)中，第1行為交替顯示時間和日期信息，日期格式為年/月/日；數字時鐘格式為小時:分鐘:秒。初始時間和日期可通過程序設定。
第2行:“E:XXX.X°” 為方位信息，即與以東為參考點的夾角(角度為0時指向東)，單位為度(°)。指針的指向與角度一致。
第3行:“XXX.XCM”為實測的與障礙物的距離，單位為cm，測試范圍<600 cm。
第4行:“±XX.XX℃”為實測溫度,單位為攝氏度(℃)。
系統硬件以增強型單片機為測控核心，外圍電路采用模塊化設計，整個電路穩定、可靠。系統軟件設計為基于嵌入式實時操作系統的多任務系統。實際運行表明，系統測試精度高,功能多，實時性好,可擴展性好，為深入研究機器人定位系統奠定了基礎。
參考文獻
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