精品完整版毕业论文设计基于超声波的排污管道避障系统设计.docx
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精品完整版毕业论文设计基于超声波的排污管道避障系统设计
毕业论文（设计）
题目（中文）：
基于超声波的排污管道避障系统设计
（英文）：
DesignofObstacleAvoidanceSystemFor
SewagePipeBasedonUltrasound
姓名
学号
院（系）
专业、年级电子信息工程专业
指导教师
目录
绪论1
1系统总体设计3
1.1超声波测距原理3
1.2超声波传感器的选择3
1.3微机控制模块的选择5
1.3.1基于CPLD的测距系统5
1.3.2基于单片机的测距系统5
2硬件模块设计7
2.1单片机控制模块7
2.2超声波发射模块7
2.3超声波接收模块9
2.4显示模块9
2.5报警模块10
3系统程序设计11
3.1超声波测距算法11
3.2主程序流程图11
3.3超声波发射子程序及超声波接收中断程序 12
4系统软件调试14
4.1通过Keil软件进行调试14
4.1.1程序编写14
4.1.2芯片选择14
4.2中断调试15
4.3超声波模块调试15
总结16
参考文献17
致谢18
插图索引
图1超声波测距原理图3
图2压电式超声波发生器4
图3基于CPLD的超声波测距系统框图5
图4基于单片机的超声波测距系统框图6
图5超声波避障测距系统总体电路框图7
图6AT89C52单片机7
图7单片机产生发射信号模块8
图8多谐振荡器发射模块8
图9晶体振荡器发射模块8
图10超声波检测接收模块9
图11显示控制模块10
图12报警模块10
图13超声波测距实物图10
图14主程序流程图11
基于超声波的排污管道避障系统设计
摘要
在我国的中小城市中，大都存在“老城区”，这些区域的排污管道大多是城市建成初期建设的，普遍存在管道直径小，施工不规范，检修井预留位置不合理等问题。
随着人们生活水平的不断提高，城市污水排放量急剧增长，加之管道维护不到位、人们乱扔生活垃圾、新建管道时不慎落入建筑垃圾等人为因素，排水管道经常会出现堵塞现象，如果不能及时发现拥堵点并进行疏通，就有可能导致排水不畅，污水溢出等严重后果。
对于堵塞的管道，如果仅靠人力进行故障排查，管理人员的工作量较大，而且还存在人员不能到达的“盲区”，不仅速度慢，定位精度也不高，严重的，甚至需要进行破坏性开挖，才能够找到堵塞点，延误了排污的进度。
想要一次性更换所有的排污管网，花费巨大且很难实现，所以，本文设计了基于超声波的排污管道避障系统，当排污管道堵塞时，能快速找到堵塞点并将信号返回给管理人员，大大的减少了排查的工作量。
本设计以单片机作为主控芯片，超声波探头将测距信号传输至单片机进行综合分析处理，实现超声波避障的功能，将检测到的信号返回给工作人员，从而实现排障。
的功能。
本项目设计了系统的总体方案包括硬件电路和软件，硬件电路由微处理器，超声波发送、接收模块、显示模块等组成，软件由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。
系统用C语言编写程序，用Keil软件进行了调试，最后完成了系统的测试。
该系统能实时的检测出管道中的大块障碍物，测量的精度可达到2cm，最大检测距离可达4m。
【关键词】单片机超声波测距管道排障
DesignofObstacleAvoidanceSystemFor
SewagePipeBasedonUltrasound
Abstract
Mostlyexistinourcountry'ssmallandmedium-sizedcities"old",theareaofdischargepipesaremostlybuiltintheearlyconstructionofcity,commonpipediameterissmall,theconstruction,maintenancewellplaceholderproblemssuchasunreasonable.Aspeoplelivingstandardunceasingenhancement,theurbansewageemissionssharplygrowth,combinedwiththepipelinemaintenanceisnotinplace,peoplethrowgarbage,anewpipelinewhenhefellintohumanfactors,suchasconstructionwastedrainageoftenappearjamsphenomenon,ifnottimelyfindcongestionpointsandunblock,itmayleadtopoordrainage,sewageoverflowandotherseriousconsequences.
Forpipelinejam,ifonlybyhumanfortroubleshooting,managementpersonnel'sworkloadisbigger,butalsotheexistenceofpersonnelcannotreach"blindspots",notonlyspeed,positioningaccuracyisnothighalso,serious,evendestructiveexcavationisrequired,willbeabletofindthechokepoint,delayedtheprogressofthesewage.Wanttoone-timechangeallthesewagepipenetwork,costlyanddifficulttoachieve,therefore,thispaperdesignedthedischargepipesbasedonultrasonicobstacleavoidancesystem,whenthedrainagepipelinejam,canquicklyfindthechokepointandsignalisreturnedtothemanagement,greatlyreducetheworkloadofthescreen.
Thisdesignwiththesinglechipprocessorasthemastercontrolchip,theultrasonicprobewillberangingsignaltransmissiontoSCMcomprehensiveanalysis,wecanrealizethefunctionofultrasonicobstacleavoidance,thedetectedsignalisreturnedtothestaff,soastoachievedebugging.Thefunction.Thisprojectdesignstheoverallschemeofthesystemincludinghardwarecircuitandsoftware,thehardwarecircuitbymicroprocessor,ultrasonicsendingandreceivingmodule,displaymodule,etc,thesoftwareconsistsofthemainprogram,presetsubroutine,launchsubroutines,receivesubroutineanddisplaysubroutinemodules.ThesystemwasprogrammedinCandwasdebuggedwithKeilsoftwareandfinallycompletedthesystemtest.
Thesystemcandetectlargeobstaclesinthepipeinrealtime,theaccuracyofmeasurementcanreach2cm,andthemaximumdetectionrangecanreach4m.
【Keywords】MicroControlUnitUltrasonicLocationPipelineCowcatcher
绪论
1、研究的背景及意义
在我国的中小城市中，大都存在“老城区”，这些区域的排污管道大多是城市建成初期建成的，普遍存在管道直径小，施工不规范，检修井预留位置不合理等问题。
随着人们生活水平的不断提高，城市污水排放量急剧增长，加之管道维护不到位、人们乱扔生活垃圾、新建管道时不慎落入建筑垃圾等人为因素，排水管道经常会出现堵塞现象，如果不能及时发现拥堵点并进行疏通，就有可能导致排水不畅，污水溢出等严重后果。
对于堵塞的管道，如果仅靠人力进行故障排查，管理人员的工作量较大，而且还存在人员不能到达的“盲区”，不仅速度慢，定位精度也不高，严重的，甚至需要进行破坏性开挖，才能够找到堵塞点，延误了排污的进度。
想要一次性更换所有的排污管网，花费巨大且很难实现，所以，本文设计了基于超声波的排污管道避障系统，当排污管道堵塞时，能快速找到堵塞点并将信号返回给管理人员，大大的减少了排查的工作量。
2、国内外研究的现状
窗体顶端
超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素干扰的优点，是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输时间来测量距离，对被测目标无损害。
而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关[1]。
2013年，陈建等人利用驻极体电容麦克风作为超声波接收器来接收超声波信号[2]，并且提出基于单个超声波信号的周期互相关滤波算法，这两种方法相结合使得距离测量精度进一步提升，精度可达0.02mm。
?
2014年，赖国强等人经过对超声波传感器的仔细分析，提出了利用粒子群优化算法来对回波包络上升沿进行拟合的测量方法[3]。
这种方法测量范围为300mm～1000mm，误差可控制在0.13mm～2.02mm范围内，标准差可控制在0.04mm～0.19mm范围内，该方法在测量精度和一致性上都有很大程度的提高。
2015年，田文成等人针对超声波第一个超声回波前沿难以捕捉，提出了多次増益校正增益可编程回波信号的检测方法，从而使比较器能够捕捉到首个回波前沿[4]。
针对目前测量超声波波速的补偿方法过于单一，提出了使用标准挡板的方法。
先测量已知距离的传播时间，然后对待测距离的传播时间进行测量，通过两者之间的比值得出待测距离。
反复试验的结果证明，这种改进方法能够实现在特殊环境下进行高精度的超声波测距。
从最早发现超声波距今已有100多年，在此期间，超声波已经被广泛应用到各个领域，这其中，超声波测距技术随着科学的发展不断的更新，已经能够实现毫米级精度的测量。
本文结合大学所学知识，设计一个基于超声波的排污管道避障系统，利用超声波测距的原理，针对城市污水排放管道管径小、网络复杂和排障检修不便等问题，希望为改善城市排污的疏通尽一份力。
3、主要内容
本设计以单片机作为主控芯片，超声波探头将测距信号传输至单片机进行综合分析处理，实现超声波避障的功能，将检测到的信号返回给工作人员，从而实现排障的功能。
本项目设计了系统的总体方案包括硬件电路和软件，硬件电路由微处理器，超声波发送、接收模块、显示模块等组成，软件由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。
系统用C语言编写程序，用Keil软件进行了调试，最后完成了系统的测试。
该系统能实时的检测出管道中的大块障碍物，测量的精度可达到2cm，最大检测距离可达4m。
1系统总体设计
本章主要介绍了超声波的测距原理，传感器的类型。
经比较后选择出适合本设计的传感器，最后对微机处理模块所选用具体方案进行选择。
1.1超声波测距原理
超声波测距的原理是利用超声波在介质中的传播速度为已知量，测量超声波从发射至遇到障碍物反射回来被接收的时间差，计算出发射点到障碍物的实际距离。
即测出发射和接收回波的时间差Tr，然后求出距离S＝CTr／2，式中的C为超声波在介质中的波速[5]。
图1即为超声波测距的原理图
图1超声波测距原理图
超声波指向性强，在介质中传播的距离较远，因而超声波常用于测量距离，通过超声波来实现的常用仪器有测距仪和物位测量仪等。
利用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，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。
表1列出了不同温度下超声波在空气中的传播速度。
在使用中，如果温度变化很小，可以认为速度基本不变。
表1超声波在空气中的传播速度
温度
（℃）
-30
-20
-10
0
10
20
30
100
声速
（米/秒）
331
319
325
332
338
344
349
386
超声波在水中传播速度和普通声音在水中速度是一样的，主要取决于水的密度、温度、溶液浓度、超声波的传播方向和水流速度等都会有影响。
声音主要利用的是水中的介质传播，通常说如果是纯水，无其它任何杂质的话是无法传播的，水中的声速只跟介质的密度和容变弹性模量有关，一般认为温度会影响液体的容变弹性模量，这就需要我们考虑温度的补偿。
流动的水是不会改变这两个参数的，所以声波在流动的水中传播速度不变。
而本设计考虑到已经对排污管道进行截流，管道内就没有污水通过了，所以不考虑水的流动速度对其的影响。
1.2超声波传感器的选择
目前，避障系统的测距使用的传感器主要有超声传感器、视觉传感器和激光传感器，结合易于实现以及成本等因素，本次设计选用了压电式超声波传感器。
激光测距的技术复杂，实现难度较大且成本过高，而且有一些激光传感器所发射的激光，对人的眼睛还有伤害。
视觉传感器的图像处理中，由于边缘锐化、特征提取等图像处理方法计算量大，实时性差，对中央处理机要求高，误差也较大。
超声传感器的成本低，实现方法简单，而且目前的超声波测距技术相当成熟，是机器人测距避障的常用传感器，综上，本设计选用超声波传感器。
为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了多种超声波发生器。
一般来说，可分为两种：
一种是用电气形式产生超声波，一种是用机械形式产生超声波。
1 电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；
2 机械方式有加尔统笛型、液哨型和气流旋笛型等。
它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也是不相同的。
本设计选用压电式超声波发生器，压电式是目前较为常用的一种超声波发生器类型。
压电式超声波发生器实际上就是利用压电晶体的谐振来工作的。
超声波发生器内部结构如图2所示：
共振器
电板压电晶片
超声波传感器结构
图2压电式超声波发生器
而根据系统要求，我这次设计选择使用的是常用的压电式超声波发生器。
压电式超声波发生器有两个压晶片和谐振板。
当在两级外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振动频率时，会发生压电晶片的共振，并且驱动共振板振动，然后产生超声波。
相反，如果没在两电极之间施加外加电压，当振板接收到超声波时，压电晶片将被压迫振动，机械能被转换成电信号，这样就成为了超声波接收器。
在超声波检测电路中，在发射端接收到的输出脉冲为一系列方波，这一系列方波的宽度即为发射超声与接收超声的时间间隔，如果说被测物的距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲数与正在测量的距离成比例。
1.3微机控制模块的选择
本次拟采用的避障测距的方案有两种：
一种是基于CPLD的避障系统的测距，另外一种是基于单片机的避障系统的测距[6]。
1.3.1基于CPLD的测距系统
这种测距系统如果采用CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）器件，则运用VHDL（VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage）编写程序，使用MAX+plusII软件进行软硬件设计的仿真和调试，最终实现测距功能。
CPLD器件内部的宏单元是其最基本的模块，能独立地编程为D触发器、T触发器、RS触发器或JK触发器工作方式或组合逻辑工作方式。
虽然说本系统可以利用CPLD器件控制超声波的发射，并对超声波发射至接收的往返时间进行计数，将计算结果在LED上显示出来。
配合使用MAX+plusII开发软件，可集设计输入、设计处理、设计校验和器件编程于一体，其系统框图如图3所示。
但是这样开发周期就比较长，而且所需的知识面广且很难实现，所以不适合用于此次设计。
图3基于CPLD的超声波测距系统框图
超声波发射器向某一方向发射40kHz的超声波，在发射超声波的同时，MAX7128S内的计数器开始计数。
在空气中传播的超声波，在传播途中一旦碰到障碍物就会立即返回来。
超声波接收器一旦接收到反射波CPLD立即停止计数。
CPLD所记录的时间就是超声波从传感器到被测物的往返时间。
超声波在空气中的传播速度我们设定为344m/s，根据计数器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即：
s=344t/2。
又因为CPLD开始计数后，只要传感器收到回波，CPLD就立即停止计数，所以只有最先返回的超声波才起作用，也就是说超声波避障系统的测距总是测得离传感器最近的物体的距离。
1.3.2基于单片机的测距系统
基于单片机的超声波测距系统[7]，是利用单片机编程产生适当频率的方波，经过发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端震荡，发射超声波。
超声波波经反射物反射回来后，由传感器接收端接收，再经接收电路放大、整形，控制单片机中断口。
其系统框图如图4所示。
图4基于单片机的超声波测距系统框图
这种以单片机为核心的超声波测距系统通过单片机记录超声波发射与返回两个时间段。
当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离，结果输出给LED显示。
综合上述两种方法的比较，因为利用单片机准确计时，测距精度高，而且单片机控制方便，计算简单。
所以本设计采用这种设计方法，即可得到准确的障碍物的位置，经传输到中央处理器做出处理即可采取有效的避开措施。
且符合大学所学的专业知识，编程语言简单，故选用基于单片机的避障系统的测距的方案进行本次设计。
2硬件模块设计
本系统的电路主要由控制模块、超声波发射模块、超声波接收模块及显示模块共同构成。
超声波避障测距系统总体电路框图如图5所示
图5超声波避障测距系统总体电路框图
超声波发射用单片机P2.1端口输出的40kHz的方波信号驱动，然后接收信号并进行数据处理，晶振频率为12MHz，所以机器周期约为1us，即每计一轮时间为60us，然后设置一个时间变量c，每计一轮c加1，计算出时间并算出距离，用LED进行数字显示。
2.1单片机控制模块
本系统的单片机选用Atmel公司的8位单片机AT89C52，AT89C52是40引脚双列直插封装，内部由CPU，4kB的ROM，256B的RAM，2个16b的定时/计数器TO和T1，4个8b的I/O端：
IP0，P1，P2，P3，一个全双功串行通信口组成。
特别是该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储器（E~PROM），使其在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用[8]。
图6AT89C52单片机
在系统中，单片机记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。
当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离，结果输出给LED显示。
2.2超声波发射模块
超声波发射电路考虑以下几种方案：
方案一，通过单片机控制，P2.1端口输出超声波转化器所需的40KHz的毫伏级信号，然后通过放大发射出去。
电路如图7所示。
图7单片机产生发射信号模块
方案二，通过555定时器、R1、R2和C1组成多谐振荡器[9]，当输入信号为高电平时，启动振荡器输出40Hz的频率信号，电路如图8所示。
图8多谐振荡器发射模块
方案三：
采用晶体振荡器和三极管组成发射电路。
从单片机发送一个高电平信号，导通三极管Q2，驱动晶体振荡器起振，产生40kHz频率的方波信号，然后通过三极管Q1放大从JP3口发射出去。
该电路发射超声波信号大于10m。
电路原理图如图9所示。
图9晶体振荡器发射模块
经比较，方案一电路简单，控制方便。
且基于频率的稳定性和发射的距离考虑，本设计采用方案一。
该电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成[10]，单片机P2.1端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。
输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。
上位电阻R13、R14一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。
2.3超声波接收模块
集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。
考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它作为超声波检测接收电路，其电路图如图10所示。
实验证明用CX20106A接收超声波（无信号时输出高电平），具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。
更改电容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力[13]。
图10超声波检测接收模块
2.4显示模块
本设计使用AT89C52单片机或它的兼容系列[11]。
采用12MHz高精度晶振，以获得更稳定的时钟频率，减少测量误差。
单片机使用P2.1端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，并通过使用外部中断1端口来监测超声接收电路的输出的回波信号。
显示电路使用简单实用的4位共阳的数码管并用P1.0～P1.3连接BCD代码输入，通过硬件解码驱动段码，位码用P1.4～P1.7驱动显示。
显示控制模块流程图如图11所示。
图11显示控制模块
在显示距离的同时，探测员推测出障碍物的大致区域，然后做出避障的一系列措施。
2.5报警模块
一旦测量障碍物与传感器之间的距离低于设定值时候，蜂鸣器将进行报警[12]，这个时候，安装在系统中的蜂鸣器发出报警，同时还可给系统加装定位装置，以便外部维护人员快速定位到
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