毕业设计论文超声波定位系统设计.docx
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毕业设计论文超声波定位系统设计
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毕业论文
论文题目超声波定位系统设计
系别工程学院
专业机械自动化
年级2010级
学号
学生姓名
指导教师
完成时间2014年5月
XX学院教务处制
XX学院
本科生毕业设计（论文）声明
本人郑重声明：
所呈交的本科毕业设计（论文）是本人在XX学院学习期间，在指导教师指导下独立完成，内容真实可靠，无抄袭、剽窃等学术道德不端行为，除文中已经注明引用的内容外，本文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
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6.除另有科研合同或其他法律文书制约，本文的科研成果属于XX学院。
本声明的法律结果将完全由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
超声波定位系统设计
作者：
XXX
中文摘要
我们根据超声波的特性来研发制成超声波传感器，机械振动频率比声波高的波，我们称之为超声波。
超声波的频率比较高，其次波长短和绕射现象不明显，而且具有方向性好，能量消耗缓慢，能长距离传播等优点。
当今社会，在传感器以及自动控制测距离的方案中，超声波测距是被最广泛应用的一个方案，它被使用于以下的实际操作中，例如，水位的测量，建筑工地测距这些场合。
本论文讨论了超声波的定位系统以及相应的算法，还比较全面地描述了超声波传感器的原理以及特性。
基于超声波测距原理的分析，提出了超声波测距系统的设计过程和需要注意的问题。
以STC12C5A60S2单片机为核心，我们设计好的超声波测距仪以及硬件电路有很多优势，它的精度高、低成本以及数字显示的使用微型。
这个系统的电路的设置和布局较合理，工作性能和稳定性好，计算简单，实时控制是比较容易做到的，更重要的是，测量精度满足了工业实际的要求。
关键词：
超声波定位算法；超声波传感器；超声波测距；误差分析
Abstract
Wedevelopheultrasonicsensorbyultrasoniccharacteristics,thefrequencyofmechanicalvibrationishighthanacousticwaves,wecallitultrasonic.HighUltrasonicfrequency,thentheshorterwavelengthsanddiffractionphenomenonisnotobvious,butitalsohassuchadvantagessuchasgoodorientation,slowenergyconsumptionandlongdistancecommunication.Arangingsensorandautomaticcontrolscheme,ultrasonicrangingiswellknownasoneofthemostpopularschemes,itisusedinthepracticalapplicationofthefollowing,forexample,waterlevelmeasurement,theconstructionsitelocation.Thispaperdiscussestheultrasoniclocationsystemandthecorrespondingalgorithmanddescribestheprincipleandcharacteristicsofultrasonicsensor.theruleofultrasonicdistanceresearchisbasedontheanalysis,weputforwardtheprocessofultrasonicrangingsystemandweshouldpayattentiontotheproblems.WeknowSTC12C5A60S2microcontrolleristhecoreofultrasonicrangefinderandthehardwarecircuit,itsprecisionishigh,costislowandtheuseofmicrodigitaldisplay.Settingandlayoutofthiscircuitsystemisreasonable,goodworkandstability,simplecalculation,andrelativelyeasytodowithreal-timecontrol,moreimportantly,themeasurementaccuracycanmeettheactualneedsofindustry.
Keywords:
Ultrasonicpositioningalgorithm;Ultrasonicsensors;UltrasonicRanging;Theerroranalysis
目录
§1绪论3
1.1超声波定位的研究背景与现状3
1.1.1超声波定位系统概述3
1.1.2超声波定位系统的研究与实现方法3
1.2本论文的研究意义3
§2超声波定位系统原理3
2.1超声波平面定位系统原理3
2.2超声波空间定位系统原理3
2.3超声波定位系统的组成3
§3超声波传感器3
3.1超声波传感器及其分类3
3.2超声波传感器原理3
3.3超声波的特性3
3.4超声波传感器的检测方式3
3.5超声波传感器系统构成3
§4超声波测距仪的设计3
4.1超声波测距原理3
4.2超声波测距系统的电路设计3
4.2.1总体方案设计3
4.2.2发射电路的设计3
4.2.3接收电路设计3
4.2.4lcd显示模块设计3
§5测试结果及分析3
5.1测试结果分析3
5.2测试结果误差分析3
结论3
参考文献
后记
附录AIII
§1绪论
1.1超声波定位的研究背景与现状
1.1.1超声波定位系统概述
无线电定位系统获得了广泛的应用。
无线电定位的基本原理是通过接收已被固定的几个位置的无线电波，得出主体分别到这几个发射点的长度距离，根据一定的计算方法，算出主体的位置。
当前超声波测距技术应用已经比较成熟，但是对超声波定位系统的研究探讨才在刚起步的阶段。
超声波定位的原理和无线电定位原理有比较相似，区别是超声波其在空气传播过程中的衰减很大，其仅能在较小的空间范围适用。
在实际中，超声波测距系统在短距离测量中得到了应用，其精度在厘米级，如在没有人的车间的场所运动物体定位的选择等使用超声波定位系统比较好。
超声波之所以具有其推广的前景，是因为它的装置价格比较低而且比较简单，经济兼实用，并且工作稳定。
本论文探讨超声波定位系统是在超声波测距的基础上，超声波传感器是核心对象。
我们知道传感器技术是现代信息技术中比较关键的内容之一。
计算机、通信技术和传感器技术组成了信息技术，如果把信息技术比拟成人，那么相当于“人类的大脑”的是计算机技术，“人类的神经”的就是通信技术，“人的感觉器官”就是传感器技术。
传感器可以分为温度、光电、超声波、红外、压力和湿度传感器等类型，在这些传感器当中，超声波传感器被广泛地使用在测距方面。
单片机控制的超声波检测方法与其他方法相比，它具有检测速度快，计算方便，便于实时控制等优点，其测量精度往往较高。
1.1.2超声波定位系统的研究与实现方法
为了研究超声波定位系统，我们要从研究超声波的测距方法开始，之后由距离和提供的计算方法来求出待被定位的物体的位置坐标，我们知道超声波测距主要有以下两种实现方法：
第一是反射式测距法：
这种测距法就是超声波发射器发射超声波，然后发射的超声波被待测物反射从而产生回波被接收探头接收,我们依据回波和发射波之间的时间隔则就可以求出待测物与发射器之间的长度距离。
其原理图如图1-1所示
图1-1采用回波测距法的原理图
超声波发射器在空气中向任一目标位置发射超声波，发射超声波的同一时刻马上进行计时，超声波在空气传递过程当中如果遇到障碍物就会即刻返回，一旦超声波接收器获取到反射信号则就会马上中止计时。
超声波处于空气中传播的速率约为340米每秒，并读出计时器所获得的时间t，基于计算公式就能够求出发射点与障碍物之间的长度距离s，也就是：
s=340t/2。
这就是所被人们称为时间差测距法。
第二是单向测距法（空中超声波定位系统）：
如图1-2所示：
图1-2采用单向测距法的原理图
应答器与主测距器组成单向测距法的系统。
我们把主测距器放在待测的物体上,计算机控制信号之后，同时向被固定的不同的应答器发射相同频率的无线电信号，接收无线电信号后，应答器立即向主测距器的方向发射超声波信号，我们就可以获得主测距器和每个固定应答器的长度距离。
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
两点测距能通过单向测距法实现，当同一时间有三个或多于三个的不在同一直线上的应答器都有作回应时,我们就能按照计算方法计算出被测物体所在的位置。
在测量距离相同的情况下,空气对超声波的吸收，在反射式测距法中比单向测距法中大,所以单向式测距范围比反射式测距范围大。
如果可以测量两点之间的距离，则可以依据一定的算法就可以得到待测物体的位置坐标，从而实现目标位置的定位。
1.2本论文的研究意义
超声波测距虽然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。
现在很多室内空间定位采用的定位方法是红外线定位[1]15-17。
红外线是电磁波，难以用于场地定位。
超声波传感器与红外线传感器相比较，其具有以下优点：
例如低廉的价格、硬件组合容易实现等，所以其被普遍地使用于测距、定位以及环境的探测等方面。
超声波定位系统因为其成本比较低，而且其精度比较高，因此我认为其在市场上比较具有推广性。
如果物体在局部区域空间比较小的地方运动，其空间的定位使用超声波定位系统比较好。
超声波定位系统不仅可靠性好，精度也较高。
超声波定位系统可以用于娱乐游戏、安防等部门。
§2超声波定位系统原理
2.1超声波平面定位系统原理
方案一：
三角形定位法：
在同一个平面上，设置两个固定的超声波接收装置，发射装置设立在主体上。
分别测量出主体到每个接收点的距离，经过相关的计算就可以得到主体的位置坐标。
在下面二维平面图2-1示中，选取一个直角坐标系，（-M,0）,（M,0）的两个位置设定接收点。
其中
图2-1平面三角形定位示意图
主体坐标（x，y）到设定的两个接收点的距离长度分别为L１、L2，根据距离计算坐标（x，y）的方法原理如下:
由图2-1关系可得
（2-1）
求解可得：
（2-2）
由此可实现超声波平面定位，就是可以求出主体的坐标（x,y）。
方案二：
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，图2-2所示讨论平面上的定位：
图2-2采用回波法的超声波测距仪
如图2-2示，O点为超声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：
x=L×cosα（2-3）
y=L×sinα（2-4）
O点的位置可以用GPS来进行定位，把O点周围的物体进行测量之后，各个物体进行了定位，用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。
优点：
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。
缺点：
误差较大，需进行较详细的误差分析。
2.2超声波空间定位系统原理
方案一:
在三个相互垂直的墙壁面，反射测距系统安装在主体中，该系统可以测量三个墙壁面与主体之间的长度。
如果以三面互相垂直墙壁的交点作为为原点建立如下直角坐标系,则就可以得到主体的三个直角坐标如图2-3所示。
图2-3 利用三面垂直的墙壁进行定位
此方案在实际应用中会受到多种因素的限制。
第一方面,超声波传感器务必需要和墙面基本保持垂直。
另一方面，墙体表面应光滑，不得有不均匀的情况。
传感器与墙壁之间不能有物体影响其测量。
所以这种方案在实际应用中很大程度上影响实际使用的效果。
方案二：
在准备定位的物体上放置超声波的发射器，发射器根据特定的时间向周围发射超声波脉,为了接收超声波脉冲信号需要在三个固定位置安装超声波接收器，根据超声波到达接收器的时间长短，可以计算出超声波发射器的位置坐标。
如果是移动物体，通过连续测量，就可描绘出物体移动轨迹。
或者反过来，将待定位点作为接收，设置3个以上发射点，依次发射，得到距离，计算方式相同。
这个方式类似于GPS定位。
我选择前一种方式，因为如果只定位一个目标，这样速度比较快，只要发射一次即可得到三个距离。
而后一方式需要三次以上。
其次，超声波速度较低，且由于检测原因，似乎不能连续发射，需要有个间隔时间，所以用多次发射的方式定位移动物体会有误差，第一次到最后一次发射之间目标已经移动了。
我们现在来讨论这个方案的：
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则距离可求得为:
L=vt（2-5）
下面讨论三位定位的算法[2]28-46，如图2-2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，三个接收点到待定位物体的距离为，则有：
图2-2超声波定位原理图
（2-6）
（2-7）
（2-8）
联立上面的式子，解得：
（2-9）
（2-10）
（2-11）
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（2-9）至（2-11）式计算出三维的坐标从而实现空间定位。
优点：
这种方法受到空间限制的条件比较少，如果主体和接收点之间存在障碍物，只要其不全部切断超声波的传播，仍然可以工作。
缺点：
由于发射与接收点的位置是固定的，回波法是很难实现的两点测距。
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。
综上所述，每种定位系统各有优缺点和推广性，但是出于设计的现实性，决定采用空间定位中的第二种定位方案。
2.3超声波定位系统的组成
在实际实现应用中，我们知道超声波定位系统和无线电定位有一定的区别。
在无线电定位应用中，各个发射点间的无线电信号能够通过使用不同的频率来分开,但是超声波系统不能用这种方法来区别不相同的信号。
所以我们使用地址编码的无线触发电路触动各发射点。
[3]47-66例如，在超声定位系统已经固定发射点中，微处理器电路、超声波接收电路和无线电编码构成了主要主体部分。
电路的发射部分：
发射电路和接收超声发射编码电路组成。
超声波定位系统组成如下图2-4所示。
图2-4超声波定位系统的组成
该系统的工作过程是微处理器的第一选择是需要启动触发发送地址，然后启动发射电路和启动计时，在一定的时间内，通过微处理器首先选择需要启动的触发发射地址，接着启动发射电路和启动，在一定的时间内，假如可以接收到信号就可以依据延迟的时间来计算主体目标距离发射点的间隔距离。
无线电波的传输时间可以忽略不计。
如果不能在某一特定时间内接收到信号，就可以知道主体的距离传输点的长度超出了可接收距离长度。
开始接收下一发射点的信号，接受到足够的发射点的信号后,就可以根据主体分别到各个发射点的距离计算出主体位置坐标。
超声波在空气中的传播速度会受到环境的影响发生变化,为了提高测量的精度需要对测量结果进行校正。
在标准环境条件下的声速为340
m/s。
取
L=50cm为标准距离,测量其在实际环境条件下的传输时间TS,则实际声速为
L/TS。
若主体到发射点的传输时间为T,则校正后的实际距离为S=T×L/TS。
§3超声波传感器
3.1超声波传感器及其分类
超声波传感器是根据超声波的的特性来研发制作而成的，机械振动频率比声波高的波被我们称为超声波。
超声波的频率比较高，其次波长短和绕射现象不明显，而且具有方向性好的，能量消耗缓慢，能长距离传播等优点。
在固液体中超声波它的穿透能力非常强大，阳光下不是透明的固体中这种本领表现得比较明显，其穿透深度可达到几十米。
[4]138-152超声波碰到杂质或界面会产生显著反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。
所以，在医学界，国防，工业等领域超声波的检测被人们所广泛使用。
出于研究与利用超声波的目的，人们已经设计并研制了各种各类的超声波发生器。
一般来说，超声波发生器可以分为两种类型：
一是由电气方法生成，另一种是通过机械方式产生超声波。
压电、磁致伸缩与电动型等是由电气方式产生超声波；加尔统笛，液哨，气流旋笛等都是由机械方式产生超声波。
因为它们所产生的超声波频率、功率和声波特性各不相同，所以用途也各不相同。
目前最受欢迎的是压电超声发生器。
压电超声波发生器的压电晶体谐振器工作时被使用，由两个压电晶片和一个共振板构成。
当施加脉冲信号在压电超声波发生器的两极，如果想压晶片电共振时，使压电式超声波发生器的频率与压电晶片振荡频率需要相等。
压电共振板的振动能产生超声波。
相反，假如两极之间不外加电压，超声波被共振板接收到后，就会使压电晶片发生振动，此时机械能与电信号间转换，此刻它就变成了超声波接收器。
3.2超声波传感器原理
人们可以听到在20Hz到20kh频率的声音，不在这个范围内的声音的频率可分为低频声波和超声波，小于20Hz的称为低频率的声波，大于20kHz以上的声音我们称之为超声波。
超声波传感器有发射器与接收器，如果一个超声波传感器同时具备发射与接收声波的功能，称之为可逆元件。
超声波传感器可分为专用型和兼用型，市面上能买到的是这两个类型，专用类型即发射器仅用于发射超声波，接收器只能接收超声；发射器和接收器作为一个整体的传感器称为两用型传感器，它可以同时发送和接收超声波。
。
23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz等频率是超声波传感器常见的谐振频率。
谐振频率越高，检测距离较短，且分辨率高。
使用压电效应的原理超声波传感器可以实现电能与超声波之间的互相转化，也就是说在发射超声波的同时，能够完成电能转化为发射超声波的功能；而在接收的回波中，超声振动转换成电信号。
3.3超声波的特性
超声波具有以下特性：
（1）束射特性：
超声波的波长较短，超声波辐射和光的特性相同，能够反射，折射与聚焦，并符合几何光学的定律。
可以这样认为，当超声波的射线由一种物质的外表反射时，入射角与反射角相等，如果射线通过某种物质进入到另一种密度不相同的物质也能发生折射作用，密度的差异越大的两种不同物质，折射也会越大。
（2）吸收特性：
声波在各类物质中传播时，伴随传播间隔的增长，声波的强度会逐步减弱，这是因为有物质要吸取掉它的能量。
同样的材料，声波频率高，吸收强。
同样频率的声波，它在气体中运动过程中被吸掉最多，而处于液体的传播中吸取相对较少，在固体中穿越的吸收最少。
（3）超声波能量的传送特性：
超声波在工业部门中被广泛的应用，关键是因为具有比声波强大很多的功率。
超声波的超声波到达一个物质后具有强大的能量，超声波有如此巨大的功率，当超声波进入某一种物质时其能够让物体中的分子发生振动，分子振动频率与超声波的频率一样，分子速度由分子的振动频率的确定，频率愈高速度愈大。
物质分子振动所获得的能量不仅仅与分子的质量有关，还和分子的振动速度的平方相关。
所以如果声波具有较高的频率，分子更能获得较高的能量，和声波相比较，超声波的频率比声波的频率高得多，超声波可以使分子获得更多的能量。
也就是说，超声波的自身能为供应物质提供相当充足的功率。
（4）超声波的声学特性：
当声波进入某种物体时,因为声音振动可使分子发生紧缩和稠密现象，会改变物质材料的压力。
声压作用指的是声波振动引起的附加压力现象。
超声具有巨大的能量，可能使分子产生声压的效果是最明显的。
例如，超声穿透水一般的强度的物质时，所产生的附加压力与几个大气压力产相当。
液体中有那么巨大的声压作用，则会引起人们关注的现象，当液体分子随着超声波振动而发生紧缩时，分子好像受到来自各个方向的压力；
当超声波振动的粘稠液体的分子时，液体分子会产生稠密作用，如受到的张力向外传播。
液体可以承受额外大的压力作用，因此在受到紧缩力时，一般不会发生反常的情况。
然而受到拉力作用时，液体便承受不了，在拉力较集中的地方，液体则会断裂。
由于中央液体强度很低，所以无法承受大于大气压拉力的几倍力。
由于断裂的发生，液体里往往会有很多存在的时间不长的气泡状小空腔产生，此种空泡很快就会紧闭。
空腔闭合的时候会产生很大的瞬时压力，一般都可以抵达几千至几万个大气压力。
在此类强大的瞬时压力作用下液体温度会突然增加。
断裂作用产生的瞬时压力，能够让在液体中浮悬的固体表面遭遇到快速的破坏，此种现象被称为空化现象。
超声波清洗机是一个典型的应用。
超声波应用有这些特性：
拥有良好的指向性也就是说频率越高指向性就越强。
在很小厚度尺寸的测量应用中和在分辨率较高的探伤应用中是特别重要的，超声波使用时非常安静，人们无法听到，这在高强度的工作场所显得非常重要。
在高强度的工作场合，利用可闻频率声波来完成时更高效，但是不足之处是，此种声波工作时所产生的噪声是令人难以忍耐和接受的，有时甚至声波是对人体有害的。
3.4超声波传感器的检测方式
超声波传感器的检测方法有以下几种：
（1）穿透超声波传感器类型检测方法：
当一个对象通过发射机和接收机之间的超声波束，检测超声波束发衰减或阻挡检测情形则就可以够鉴别有没有物体经过。
这种检测方法可以使用100mm×100mm的正方形板作为标准检测物体，并且其检测距离约为一米。
它与光电传感器不同之处在于也可以检测透明体等。
（2）限距离式的超声波传感器的检测方法：
假如发射的超声波碰到被检的物体时，在电位器所设置距离的范围内检测物体的反射波情形，则就能够断定是否有物体通过在设置的距离范围内。
如果检测的表面是一个平面，可以检测透明体；如果被测物体表面是相对于传感器是有一定倾斜的，有时是不能够检测被测对象；如果要检测的对象非平面的外形，超声波传感器在实际应用中，必须确认所检测到的对象是否能够检测。
（3）限制范围式的超声波传感器的检测方法：
反射板放置在设定范围内，
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