超声波定位Word格式文档下载.docx
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第二章超声波定位系统原理4
2.1超声波空间定位系统原理4
3.1超声波传感器原理6
3.2超声波特性7
3.3超声波传感器的检测方式7
3.4超声波传感器系统构成8
第四章超声波测距仪设计10
4.1超声波测距原理10
4.2超声波测距系统电路设计10
4.2.1总体方案设计10
4.2.2发的电路设计11
4.2.3接收电路设计11
4.2.4显示模块的设计12
4.3超声波测距系统软件设计13
第五章电路调试及误差分析16
5.1电路的调试16
5.2侧举测量方法与结果16
5.3系统的误差分析19
5.3.1传感器引起的误差19
5.3.2声速引起的误差19
5.3.3单片机时间分辨率的影响20
5.3.4结果分析21
第六章总结22
结束语23
参考文献24
第一章概述
一.1课题提出的背景与研究现状
一.1.1超声波定位系统概述
以获得广泛应用的无线电定位系统（如GPS）的基本原理是通过接收几个固定位置的无线电波，从而得到主体到这几个发射点的距离，经计算后可得主体位置，目前超声波测距已有很成熟的技术，而超声波定位系统的研究还在起步状态,由于超声波在空气中的衰减较大,它只适用于较小的范围。
超声波在空气中的传播距离一般只有几十米。
超声波定位系统以应用于无人车间等场所中的移动物体定位。
车辆行进路线监测系统。
医学上用于体内异物的定位如B超。
由于超声波装置的价格低廉，装置简单，经济实用，工作稳定，所以具有一定的的推广性，无庸置疑，本课题是以超声波测距为依据，超声波传感器为研究对象，探讨超声波定位系统。
传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。
信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术，计算机技术相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器就相当于人的感官。
比如温度传感器、光电传感器、湿度传感器、超声波传感器、红外传感器、压力传感器等等，其中，超声波传感器在测量方面有着广泛、普遍的应用。
利用单片机控制超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且测量精度较高。
一.1.2超声波定位系统的研究与实现方法
超声波定位系统主要研究超声波的测距方法，然后根据距离和提供算法来计算出待测物体的位置，超声波测距有两种实现方法：
一、反射式测距法：
反射式测距法就是发射超声波并接收由被测物产生的回波,根据回波与发射波的时间差计算出待测距离。
如图1.1所示
图1.1采用回波测距法的原理图
声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。
超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：
s=340t/2。
这就是经典的所谓的时间差测距法。
二、单向测距法：
如图1.2所示
图1.2采用单向测距法的原理图
单向测距法中由应答器和主测距器组成,主测距器放置在被测物体上,在微机指令信号的作用下向位置固定的应答器发射同频率的无线电信号,应答器在收到无线电信号后同时向主测距器发射超声波信号,得到主测距器与各个应答器之间的距离。
图1.3为信号接收时间延迟原理图。
图1.3超声波测距时间原理图
单向测距发可以实现两点测距，当同时有三个或三个以上不在同一直线上的应答器作出回应时,就可以计算出被测物体所在的位置。
在相同的测量距离下,反射式测距法中空气对超声波吸收较单向测距法中大,因此反射式测距范围较单向式测距范围小。
若以测得距离，根据算法便可得到待测物体的位置，实现定位。
一.2本课题的特点与研究意义
超声波测距在世界上已得到广泛应用，但是超声波定位系统还没有得到推广，现今大多室内空间定位采用的是红外线定位。
但由于红外线是电磁波，难以用于场地定位。
相对于红外线传感器来说，超声波传感器以其价格低廉、硬件容易实现等优点，被广泛应用于测距，定位及环境探测等领域。
超声波定位系统价格低廉，精度较高，在市场上很具有推广性。
一.3课题研究内容
本课题主要探讨几种超声波的定位方法，对一种超生定位系统进行了详细讨论，设计了一种超声波测距电路，做出了一个基于51单片机的超声波测距仪，对数据进行了分析，对超声波传感器进行了详细介绍，详细讨论了传感器带来的误差分析。
一.4论文结构
论文第一章为概述，对课题的背景与意义进行了简要的介绍；
第二章对超声波定位系统的几种算法进行了探讨，确定一种定位算法；
第三章对传感器进行了详细介绍，为误差分析谈论做铺垫；
第四章超声波测距系统设计，给出了程序和电路图，完成了硬件设计；
第五章根据算法进行定位，对误差进行分析。
第二章超声波定位系统原理
二.1超声波空间定位系统原理
方案一：
超声波发射器固定在待定位的物体上，发射器按一定时间向周围发射超声波脉,在其周围3个固定的位置安装超声波接收器用以接收发射器发射的超声波脉冲，利用超声波到达3个接收器的时间，计算出超声波发射器的具体位置。
如果是移动物体，通过连续测量，就可描绘出物体移动轨迹。
本课题着重讨论这个方案。
设声波在空气中的速度为v,发射器发射声波到接收器接收声波的时间为t则亮着距离可求得为
L=vt.
下面讨论三位定位的算法，如图2.1所示假设在A（a,0,0）、B（0,b,0）、C（0,0,0）三个位置安装上超声波接收器，被测对象在M（x,y,z）处，以上三个点倒带定位物体的距离为L1，L2,L3，则有：
图2.1单向测距的超声波原理图
L1²
=（a-x）²
+y²
+z²
（2.1）
L2²
=x²
+（b-y）²
（2.2）
L3²
（2.3）
联立上式，解得：
x=L3²
-L1²
+a²
/2a（2.4）
y=L3²
-L2²
+b²
/2b（2.5）
z=
（2.6）
计算时可设计程序自动省略负值，测量出距离L1L2L3后，便可根据（2.4）~（2.6）式计算出三维的坐标从而实现空间定位。
优点：
这种方法所受的空间条件限制较少，即使在主体与接收点之间有障碍物，只要不完全阻断超声波的传播，仍可以工作。
缺点：
由于接收与发射点的位置固定，回波法较难实现两点测距。
需采用发射与接受装置的同步时差法测距法，同时要由高精度的计时装置，这样制作制作起来相对复杂。
方案二：
一种采用回波法定位的定位系统，对周围物体进行定位，超声波的测距仪器固定在一个已知点上，以这个点为原点建立坐标系，对周围的物体进行测距，然后测出偏转角度，便可对周围物体进行定位，本论文讨论平面上的定位：
Y
y
A
X
Oαx
图2.2采用回波法的超声波测距仪
如图2.2所示，O点为超生波发射与接收测距的原点，和一个测量角度的仪器规定一个以O点为原点的直角坐标系，然后对待测物体进行扫射，若考虑到超声波当第一次接收到信号时记住一个角度Q和距离M然后继续扫射当信号瞬间没有时停止记录另一个角度W和距离N，两个角度求平均值α和距离L,便可根据三角函数计算出A点的坐标
如式：
x=L×
cosα（2.7）
y=L×
sinα（2.8）
而O点的位置可以用GPS来进行定位。
这样，把O点周围的物体进行测量之后，各个物体进行了定位，带入计算机便可行对周围的物体进行详细计算，对周围环境形成图像，对其本身进行定位。
系统设计非常简单，操作简便，采用回波测距发电路设计简单。
误差较大，需进行较详细的误差分析。
综上所述，每种定位系统各有优缺点和推广性，由于设计复杂度和成本现主要讨论第二种方案，对实现定位的回波测距电路和超声波传感器进行讨论。
第三章超声波传感器
为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。
总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：
一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。
电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；
机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。
它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。
目前较为常用的是压电式超声波发生器。
压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。
它有两个压电晶片和一个共振板。
当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的因有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。
反之，如果两极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。
三.1超声波传感器原理
人们可以听到的声音频率为20Hz～20kHz，即为可听声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为低频声波，20kHz以上的声音称为超声波，一般说话的频率范围为100Hz～8kHz。
超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可以具有发送和接收声波的双重作用，即为可逆元件。
一般市场上出售的超声波传感器有专用型和兼用型，专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；
兼用型就是发送器和接收器为一体传感器，即可发送超声波，又可接收超声波。
超声波传感器的谐振频率（中心频率）有23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz等。
谐振频率变高，则检测距离变短，分解力也变高。
超声波传感器是利用压电效应的原理，压电效应有逆效应和顺效应，超声波传感器是可逆元件，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理。
所谓压电逆效应如下图所示，是在压电元件上施加电压，元件就变形，即称应变。
若在图3.1a所示的已极化的压电陶瓷上施加如图3.1b所示极性的电压，外部正电荷与压电陶瓷的极化正电荷相斥，同时，外部负电荷与极化负电荷相斥。
由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度方向上缩短，在长度方向上伸长。
若外部施加的极性变反，如图3.1c所示那样，压电陶瓷在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短。
图3.1压电式传感器
超声波传感器采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起，在长度方向上，一片伸长，另一片就缩短。
在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，其上面用引线通过金属板（振动板）接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电极端。
双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着。
这两处的支点就成为振子振动的节点。
金属板的中心有圆锥形振子。
发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，因而能高效率地发送超声波；
接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，所以，能产生高效率的高频电压。
综合以上特点，采用产生40kHz的超声波传感器。
三.2超声波特性
现以MA40S2R接收器和MA40S2S发送器为例说明超声波传感器的各种特性，如表示出的就是这种超声波传感器的特性。
传感器的标称频率为40kHz，这是压电元件的中心频率，实际上发送超声波时是串联谐振与并联谐振的中心频率，而接收时各自使用并联谐振频率。
如表3.1所示
种类特性
MA40S2R接收
MA40S2S发送
标称频率
40kHz
灵敏度
－74dB以上
100dB以上
带宽
6kHz以上（－80dB）
7kHz以上（90dB）
电容
1600pF
绝缘电阻
100MΩ以上
温度特性
－20~+60℃范围内灵敏度变化在10dB以内
表3.1超声波传感器MA4.S2R/S的特性
超声波传感器的带宽较窄，大部分是在标称频率附近使用，为此，要采取措施扩展频带，例如，接入电感等。
另外，发送超声波时输入功率较大，温度变化使谐振频率偏移是不可避免的，为此，对于压电陶瓷元件非常重要的是要进行频率调整和阻抗匹配。
MA40S2R/S传感器的发送与接收的灵敏度都是以标称频率为中心逐渐降低，为此，发生超声波时要充分考虑到这一点以免逸出标称频率。
另外，对于这种传感器，一般来说温度越高，中心频率越低，为此，在宽范围环境温度下使用时，不仅在外部进行温度补偿，在传感器内部也要进行温度补偿。
三.3超声波传感器的检测方式
1.穿透式超声波传感器的检测方式
当物体在发送器与接收器之间通过时，检测超声波束衰减或遮挡的情况从而判断有无物体通过。
这种方式的检测距离约1m，作为标准被检测物体使用100mm×
100mm的方形板。
它与光电传感器不同，也可以检测透明体等。
2.限定距离式超声波传感器的检测方式
当发送超声波束碰到被检测物体时，仅检测电位器设定距离内物体反射波的方式，从而判断在设定距离内有无物体通过。
若被检测物体的检测面为平面时，则可检测透明体。
若被检测物体相对传感器的检测面为倾斜时，则有时不能检测到被测物体。
若被检测物体不是平面形状，实际使用超声波传感器时一定要确认是否能检测到被测物体。
3.限定范围式超声波传感器的检测方式
在距离设定范围内放置的反射板碰到发送的超声波束时，则被检测物体遮挡反射板的正常反射波，若检测到反射板的反射波衰减或遮挡情况，就能判断有无物体通过。
另外，检测范围也可以是由距离切换开关设定的范围。
4.回归反射式超声波传感器的检测方式
回归反射式超声波传感器的检测方式与穿透超声波传感器的相同，主要用于发送器设置与布线困难的场合。
若反射面为固定的平面物体，则可用作回归反射式超声波传感器的反射板。
另外，光电传感器所用的反射板同样也可以用于这种超声波传感器。
这种超声波传感器可用脉冲市制的超声波替代光电传感器的光，因此，可检测透明的物体。
利用超声波的传播速度比光速慢的特点，调整用门信号控制被测物体反射的超声波的检测时间，可以构成限定距离式与限定范围式超声波传感器。
三.4超声波传感器系统构成
超声波传感器系统由发送器、接收器、控制部分以及电源部分构成，如图所示。
发送器常使用直径为15mm左右的陶瓷振子，将陶瓷振子的电振动能量转换为超声波能量并向空中辐射。
除穿透式超声波传感器外，用作发送器的陶瓷振子也可用作接收器，陶瓷振子接收到超声波产生机械振动，将其变换为电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超声波进行检测。
图3.2超声波传感器系统构成图
控制部分判断接收器的接收信号的大小或有无，作为超声波传感器的控制输出。
对于限定范围式超声波传感器，通过控制距离调整回路的门信号，可以接收到任意距离的反射波。
另外，通过改变门信号的时间或宽度，可以自由改变检测物体的范围。
超声波传感器的电源常由外部供电，一般为直流电压，电压范围为12~24V±
10%，再经传感器内部稳压电路变为稳定电压供传感器工作。
超声波传感器系统中关键电路是超声波发生电路和超声波接收电路。
可有多种方法产生超声波，其中最简单的方法就是用直接敲击超声波振子，但这种方法需要人参与，因而是不能持久的，也是不可取的。
为此，在实际中采用电路的方法产生超声波，根据使用目的的不同来选用其振荡电路。
第四章超声波测距仪设计
四.1超声波测距原理
单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波,从而测出发射和接收回波的时间差t，然后求出距离
（2.4）
式中的c为超声波在空气中传播的速度。
限制该系统的最大可测距离存在四个因素：
超声波的幅度、反射物的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。
接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小可测距离。
为了增加所测量的覆盖范围，减少测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射/接收的设计方法。
由于超声波发球声波范围，其波速c与温度有关，表4.1列出了几种不同温度下的波速。
表4.1声速与温度的关系
温度（℃）
30
20
10
100
声速（m/s）
313
314
325
323
338
344
349
386
波速确定后，只要测得超声波往返的时间t，即可求得距离S。
其系统原理框图如图4.1所示。
4.1超声波测距原理图
单片机AT89C51发出短暂的40kHz信号，经放大后通过超声波换能器输出；
反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，读出时间t，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至LED数码管进行显示。
在下一节里，我们将详细介绍超声波测距仪的各部分电路的设计思路及方法。
四.2超声波测距系统电路设计
四.2.1总体方案设计
由单片机AT89C51编程产生40kHz的方波，由P3.6口输出，再经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。
发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的检波放大、积分整形及一系列处理,送至单片机。
单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物的距离,并由单片机控制显示出来。
该测距装置是由超声波传感器、单片机、发射/接收电路和LED显示器组成。
传感器输入端与发射接收电路相连,接收电路输出端与单片机相连接,单片机的输出端与显示电路输入端相连接。
四.2.2发的电路设计
由单片机产生的40kHz的方波需要进行放大，才能驱动超声波传感器发射超声波，发射驱动电路其实就是一个信号放大电路，本课题所选用的是74HC04集成芯片，如图4.2为发射电路图。
图4.2发射电路
74HC04内部集成了六个反向器，同时具有放大的功能。
74HC04的管脚如下图所示。
图4.374HC04管脚图
四.2.3接收电路设计
超声波接收头接收到超声波后，转换为电信号，此时的信号比较弱，必需经过放大。
本系统采用了LM741对接收到的信号进行放大，接收电路如图4.4所示。
图4.4接收电路设计
超声波探头接收到超声波后，通过声电转换，产生一正弦信号，其频率为传感器的中心频率，即40kHz。
该信号通过C1高通滤波后经LM741放大，最后经二极管整形后输出到单片机中断口。
LM741是一单运放集成芯片，图4.5为LM741管脚图。
图4.5LM741管脚图
四.2.4显示模块的设计
LED（Light-EmittingDiode，发光二极管）有七段和八段之分，也有共阴和共阳两种。
LED数码管结构简单，价格便宜。
图4.6示出了八段LED数码显示管的结构和原理图。
图4.6（a）为八段共阴数码显示管结构图，图4.6（b）是它的原理图，4.6图（c）为八段共阳LED显示管原理图。
八段LED显示管由八只发光二极管组成，编号是a、b、c、d、e、f、g和SP，分别与同名管脚相连。
七段LED显示管比八段LED少一只发光二极管SP，其他与八段相同。
图4.6八段LED数码显示管原理和结构
单片机对LED管的显示可以分为静态和动态两种。
静态显示的特点是各LED管能稳定地同时显示各自字形；
动态显示是指各LED轮流地一遍一遍显示各自字符，人们由于视觉器官惰性，从而看到的是各LED似乎在同时显示不同字形。
为了减少硬件开销，提高系统可靠性并降低成本，单片机控制系统通常采用动态扫描显示。
但是由于本系统所用的单片机引脚少，剩余引脚很多，而且也只需显示三位字符，所以，采用了静态的显示方式，且采用了软件译码，这样单片机引脚输出可直接接到LED显示管上。
这样省去了外部复杂的译码电路。
四.3超声波测距系统软件设计
单片机编程产生超声波，在系统发射超声波的同时利用定时器的计数功能开始计时，接收到回波后，接收电路输出端产生
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