【正文】 ....................... 8 超聲波傳感器系統(tǒng)構(gòu)成 ................................................ 9 167。 4 超聲波測距儀的設(shè)計(jì) ................................................. 10 超聲波測距原理 ..................................................... 10 超聲波測距系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì) ............................................ 11 總體方案設(shè)計(jì) ..................................................... 11 發(fā)射電路的設(shè)計(jì) ................................................... 11 接收電路設(shè)計(jì) ..................................................... 11 LCD顯示模塊設(shè)計(jì) .................................................. 12 167。 5 測試結(jié)果及分析 ...................................................... 13 測試結(jié)果分析 ....................................................... 13 測試結(jié)果誤差分析 ................................................... 13 結(jié)論 ................................................................... 15 參考文獻(xiàn) 后記 附錄 A ................................................................... I 1 167。 1 緒論 超聲波定位的研究背景與現(xiàn)狀 超聲波定位系統(tǒng)概述 無線電定位系統(tǒng)獲得了廣泛的應(yīng)用。無線電定位的基本原理是通過接收已被固定的幾個(gè)位置的無線電波，得出主體分別到這幾個(gè)發(fā)射點(diǎn)的長度距離，根據(jù)一定的計(jì) 算方法，算出主體的位置。當(dāng)前超聲波測距技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，但是對超聲波定位系統(tǒng)的研究探討才在剛起步的階段。超聲波定位的原理和無線電定位原理有比較相似，區(qū)別是超聲波其在空氣傳播過程中的衰減很大，其僅能在較小的空間范圍適用。在實(shí)際中，超聲波測距系統(tǒng)在短距離測量中得到了應(yīng)用，其精度在厘米級，如在沒有人的車間的場所運(yùn)動(dòng)物體定位的選擇等使用超聲波定位系統(tǒng)比較好。超聲波之所以具有其推廣的前景，是因?yàn)樗难b置價(jià)格比較低而且比較簡單，經(jīng)濟(jì)兼實(shí)用，并且工作穩(wěn)定。本論文探討超聲波定位系統(tǒng)是在超聲波測距的基礎(chǔ)上，超聲波傳感器是 核心對象。 我們知道傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)中比較關(guān)鍵的內(nèi)容之一。計(jì)算機(jī)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)組成了信息技術(shù)，如果把信息技術(shù)比擬成人，那么相當(dāng)于“人類的大腦”的是 計(jì)算機(jī)技術(shù)，“人類的神經(jīng)”的就是通信技術(shù)，“人的感覺器官”就是傳感器技術(shù)。傳感器可以分為溫度、光電、超聲波、紅外、壓力和濕度傳感器等類型，在這些傳感器當(dāng)中，超聲波傳感器被廣泛地使用在測距方面。單片機(jī)控制的超聲波檢測方法與其他方法相比，它具有檢測速度快，計(jì)算方便，便于實(shí)時(shí)控制等優(yōu)點(diǎn)，其測量精度往往較高。 超聲波定位系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)方 法 為了研究超聲波定位系統(tǒng)，我們要從研究超聲波的測距方法開始，之后由距離和提供的計(jì)算方法來求出待被定位的物體的位置坐標(biāo)，我們知道超聲波測距主要有以下兩種實(shí)現(xiàn)方法： 第一是反射式測距法：這種測距法就是超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波，然后發(fā)射的超聲波被待測物反射從而產(chǎn)生回波被接收探頭接收 ,我們依據(jù)回波和發(fā)射波之間的時(shí)間隔則就可以求出待測物與發(fā)射器之間的長度距離。其原理圖如圖 11所示 圖 11 采用回波測距法的原理圖 2 超聲波發(fā)射器在空氣中向任一目標(biāo)位置發(fā)射超聲波，發(fā)射超聲波的同一時(shí)刻馬上進(jìn)行計(jì)時(shí)，超聲波在空氣 傳遞過程當(dāng)中如果遇到障礙物就會(huì)即刻返回，一旦超聲波接收器獲取到反射信號則就會(huì)馬上中止計(jì)時(shí)。超聲波處于空氣中傳播的速率約為 340 米每秒，并讀出計(jì)時(shí)器所獲得的時(shí)間 t，基于計(jì)算公式就能夠求出發(fā)射點(diǎn)與障礙物之間的長度距離 s，也就是： s=340t/2。這就是所被人們稱為時(shí)間差測距法。 第二是單向測距法 (空中超聲波定位系統(tǒng) )：如圖 12所示： 圖 12 采用單向測距法的原理圖 應(yīng)答器與主測距器組成單向測距法的系統(tǒng)。我們把主測距器放在待測的物體上 ,計(jì)算機(jī)控制信號之后，同時(shí)向被固定的不同的應(yīng)答器發(fā)射相同頻率的無線電信 號，接收無線電信號后，應(yīng)答器立即向主測距器的方向發(fā)射超聲波信號，我們就可以獲得主測距器和每個(gè)固定應(yīng)答器的長度距離。圖 13 為信號接收時(shí)間延遲原理圖。 圖 13 超聲波測距時(shí)間原理圖 兩點(diǎn)測距能通過單向測距法實(shí)現(xiàn)，當(dāng)同一時(shí)間有三個(gè)或多于三個(gè)的不在同一直線上的應(yīng)答器都有作回應(yīng)時(shí) ,我們就能按照計(jì)算方法計(jì)算出被測物體所在的位置。在測量距離相同的情況下 ,空氣對超聲波的吸收，在反射式測距法中比單向測距法中大 ,所以單向式測距范圍比反射式測距范圍大。 如果可以測量兩點(diǎn)之間的距離，則可以依據(jù)一定的算法就可以得到待測物體 的位置坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置的定位。 本論文的研究意義 超聲波測距雖然在世界上已得到廣泛應(yīng)用，但是超聲波定位系統(tǒng)還沒有得到推廣。現(xiàn)在很多室內(nèi)空間定位采用的定位方法是紅外線定位 [1]1517。紅外線是電磁波，難以用于場地定位。超聲波傳感器與紅外線傳感器相比較，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：例如低廉的價(jià)格、硬件組合容易實(shí)現(xiàn)等，所以其被普遍地使用于測距、定位以及環(huán)境的探測等方面。超聲波定位系統(tǒng)因?yàn)槠涑杀颈容^低，而且其精度比較高，因此我認(rèn)為其在市場上比較具有推廣性。如果物體在局部區(qū)域空間比較小的地方運(yùn)動(dòng)，其空間 的定位使用超聲波定位系統(tǒng)比較好。超聲波定位系統(tǒng)不僅可靠性好，精度也較高。超聲波定位系統(tǒng)可以用于娛樂游戲、安防等部門。 3 167。 2 超聲波定位系統(tǒng)原理 超聲波平面定位系統(tǒng)原理 方案一：三角形定位法：在同一個(gè)平面上，設(shè)置兩個(gè)固定的超聲波接收裝置，發(fā)射裝置設(shè)立在主體上。分別測量出主體到每個(gè)接收點(diǎn)的距離，經(jīng)過相關(guān)的計(jì)算就可以得到主體的位置坐標(biāo)。 在下面二維平面圖 21示中，選取一個(gè)直角坐標(biāo)系， (M,0),(M,0)的兩個(gè)位置設(shè)定接收點(diǎn)。其中 圖 21 平面三角形定位示意圖 主體坐標(biāo) (x， y)到設(shè)定 的兩個(gè)接收點(diǎn)的距離長度分別為 L１、 L2，根據(jù)距離計(jì)算坐標(biāo) (x， y)的方法原理如下 : 由圖 21關(guān)系可得 (21) 求解可得： (22) 由此可實(shí)現(xiàn)超聲波平面定位，就是可以求出主體的坐標(biāo)（ x,y）。 方案二：采用回波法定位的定位系統(tǒng)，對周圍物體進(jìn)行定位，超聲波的測距儀器固定在一個(gè)已知點(diǎn)上，以這個(gè)點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，對周圍的物體進(jìn)行測距，然后測出偏轉(zhuǎn)角度，便可對周 圍物體進(jìn)行定位，圖 22所示討論平面上的定位： 4 圖 22 采用回波法的超聲波測距儀 如圖 22示， O點(diǎn)為超聲波發(fā)射與接收測距的原點(diǎn)，和一個(gè)測量角度的儀器規(guī)定一個(gè)以 O點(diǎn)為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系，然后對待測物體進(jìn)行掃射，若考慮到超聲波當(dāng)?shù)谝淮谓邮盏叫盘枙r(shí)記住一個(gè)角度 Q 和距離 M 然后繼續(xù)掃射當(dāng)信號瞬間沒有時(shí)停止記錄另一個(gè)角度 W 和距離 N，兩個(gè)角度求平均值α和距離 L ,便可根據(jù)三角函數(shù)計(jì)算出 A點(diǎn)的坐標(biāo)： x=L cosα （ 23） y=L sinα （ 24） O點(diǎn)的位置可以用 GPS 來進(jìn)行定位，把 O 點(diǎn)周圍的物體進(jìn)行測量之后，各個(gè)物體進(jìn)行了定位，用計(jì)算機(jī)便可行對周圍的物體進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，對周圍環(huán)境形成圖像，對其本身進(jìn)行定位。 優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常簡單，操作簡