【文章內(nèi)容簡介】 頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。 2）工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別 是 診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設(shè)備。 3） 靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈 敏度高；反之，靈敏度低。 圖 中心頻率為 40KHZ 的超聲波傳感器的頻率特性曲線 [6]，它反映超聲波 傳感器的靈敏度與頻率之間的關(guān)系。從圖中的頻率特性可知，發(fā)射與接 收 的靈敏度都是以標(biāo)稱頻率為中心 (波形的最高點 )向兩邊逐漸降低。為此，發(fā)射超聲波時要充分考慮到偏離中心頻率。在發(fā)射器的中心頻率處，發(fā)射器所產(chǎn)生的超聲波最強(qiáng)，也就是超聲波聲壓能級最高；而在中心頻率 9 第頁 兩側(cè)，聲壓能級迅速降低。因此，在使用中，一定要用接近中心頻率的交流電壓來驅(qū)動超聲波發(fā)生器。 本文中使用的超聲波傳感器型號為 FC16KT40和 FC16KR40。 圖 超聲波傳感器的頻率特性 超聲波的定位原理 常用超聲波測距方法 在超聲波定位系統(tǒng) 中 ， 測距精度的高低對系統(tǒng)性能的好壞起著至關(guān)重要的作用，因此， 測距方法的選取往往是決定系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)鍵。 目前常用的超聲波定位方法主要有以下三種：包絡(luò)檢測法、回波檢測法和 到達(dá) 時間測量法。 1） 包絡(luò)檢測法：包絡(luò)檢測法是將接收到的回波信號做成包絡(luò)線， 將 接收回波的包絡(luò)線大于門限值 的 時 間 確定為回波到達(dá)的時間 [6]。但是這種方法有一個原理上的滯后，并且在信噪比較小的情況下，誤差就會比較大。 一般情況下， 可以利用自適應(yīng)包絡(luò)檢測方法來改善這種方法。 2） 回波檢測法：把超聲波短脈沖發(fā)送至被測物體 , 當(dāng)聲波自物體的非連續(xù)性結(jié)構(gòu)或邊界返回時 , 獲取其回波波形 [7]。當(dāng)波觸及物體前壁面時 , 有幾個振蕩周期的窄帶隨機(jī)波產(chǎn)生 , 稱為始波 , 與此同時 , 還有一部分超聲波滲入被測物體 , 觸及物體的后壁面 , 又可得到振蕩的回波 , 稱為底波。利用始底波之間的時間間隔與己知的聲波在物體中的速度 , 便可算出物體的距離。但是，這種方法存在以下兩個缺點 [2]： 測距精度較低：超聲波測距儀工作于單脈沖方式，測距精度主要取決于回波信號的信噪 比，在信噪比一定的情況下，通過增加前置運算放大電路的增益也不 10 第頁 能滿足要求。 有效作用距離較短：超聲波在空氣中傳播時衰減較大，因而當(dāng)待測距離較大時，超聲波測距儀接收到的超聲波回波信號非常弱，且信噪比很差，這就使得超聲波測距儀的有效作用距離較短。 3） 到達(dá)時間測量法： 這種方法 一般情況下 將 超聲波的發(fā)射和接收傳感器 置于 同一端 ， 超聲波發(fā)射出去后，遇到障礙物就會被反彈回來，被接 收 傳感器感應(yīng)到，記錄從發(fā)射超聲波到接收到超聲波的這段時間 t，則根據(jù)式 ()可以計算出超聲波的發(fā)射頭與障礙物之間的距離（其中 V為聲速）： S = V * t / 2 （ ） 超聲波定位原理 由于包絡(luò)檢測法和回波檢測法存在其固有缺點，而且實施起來存在一定 的 困難，所以本文選用到達(dá)時間測量法來實現(xiàn) 測距 。為了消除接收信號中回波的影響，本文 利用聲 速 相對光速 慢的特點 ，設(shè)計 出了 一種 新的 到達(dá)時間測量法 ：將超聲波的接收傳感器與射頻發(fā)射模塊 置 于 A端，而將超聲波的發(fā)射傳感器與射頻的接收傳感器 置 于 B 端，先從 A端發(fā)射射頻信號，告之 B端發(fā)射超聲波，由于電磁波的傳播 速度比聲速大得多，所以可以忽略射頻的傳播時間，從 A 端發(fā)射射頻開始計時，到 A 端收到超聲波信號為止，記錄這段時間，則可以用 式（ ） 來 計算 A端與 B端的 距離 （其中 V為聲速 ，因為本系統(tǒng)測試時溫度 基本 恒定在 25℃ ， 所以聲速可取恒定值 ）： S = V *t （ ） 利用這種方法，可以分別得到移動節(jié)點到三個固定 節(jié)點 的距離 l l l3，由于本系統(tǒng)的各個節(jié)點呈空間分布，所以根據(jù)勾股定理，可以求 出三個固定節(jié)點在地面二維坐標(biāo)系中的投影點到移動節(jié)點的距離 l1 l2 l33。設(shè)三個固定節(jié)點在地面二維坐標(biāo)系中的投影坐標(biāo)分別為（ x1， y1），（ x2， y2），（ x3， y3），移動節(jié)點的坐標(biāo)為（ x0， y0），則根據(jù)式（ ）的加權(quán)質(zhì)心算法 [8]可以求得移動節(jié)點的坐標(biāo)： 0 ( 1 / 1 1 2 / 2 2 3 / 3 3 ) / ( 1 / 1 1 1 / 2 2 1 / 3 3 )0 ( 1 / 1 1 2 / 2 2 3 / 3 3 ) / ( 1 / 1 1 1 / 2 2 1 / 3 3 )x x l x l x l l l ly y l y l y l l l l? ? ? ? ??? ? ? ? ? ?? （ ） 11 第頁 3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng) 空間分布 圖 本系統(tǒng)利用 三 個 固定 在空中 的超聲波節(jié)點，來實現(xiàn)對一個在 地面上 二維 直角坐標(biāo)系中的 移動 節(jié)點的 定位，總體 空間分布 圖如圖 。 圖 系統(tǒng) 空間分布 圖 圖 中， 1 號節(jié)點為 移動 節(jié)點，即所需要定位的節(jié)點， 4 號節(jié)點為固定 節(jié)點，由于受到超聲波的發(fā)射角的限制，所以將系統(tǒng)設(shè)計成空間結(jié)構(gòu)，從而可以保證 1號節(jié)點在二維平面內(nèi)運動時可以收到 4號節(jié)點發(fā)射的超聲波。其中， 2， 3， 4 號節(jié)點與地面的距離為 ，它們在地面直角坐標(biāo)系中的投影點坐標(biāo)分別為 （ ， ），（ ， ），（ ， ），單位均為 cm。 移動 節(jié)點 移動 節(jié)點框圖 移動 節(jié)點的硬件電路框圖如圖 ， 在系統(tǒng)開始工作后，按下移動節(jié)點所在單片機(jī)上的 S1 鍵， 由單片機(jī)控制射頻發(fā)射模塊發(fā)射射頻信號，以獲得系統(tǒng)的同步。 各個固定節(jié)點收到射頻信號后會以分時的方式發(fā)射超聲波信號，移動節(jié)點在每次 接收到 超聲波 信號之后，通過超聲波接收模塊的放大、整流、比較、反相等處理，觸發(fā) MSP430 單片機(jī)的中斷， 處理完成后繼續(xù)等待下一次的中斷， 在接收到 第 三次超聲波信號之后， 移動節(jié)點的 MSP430 單片機(jī)經(jīng)過 加權(quán)質(zhì)心算法 運Z X Y 4 1 3 2 12 第頁 算 得到 此節(jié)點的坐標(biāo)，并 將其顯示到 LCD屏幕 上。 圖 移動 節(jié)點框圖 射頻發(fā)射電路 本系統(tǒng)采用射頻 信號 來獲取 各個節(jié)點的 同步，其中所用到 的射頻發(fā)射 模塊為F04E，其實物圖 如圖 ， 主要性能指標(biāo)如下： 發(fā)射頻率： 433MHZ 調(diào)制方式： ASK 工作電壓： 312V 直流 發(fā)射電流： 發(fā)射功率： 5mW 圖 頻率穩(wěn)定度： 103 (LC 振蕩 ) 工作溫度： 40℃ +60℃ 體 積 ： 8105mm 此模塊使用起來簡單方便，可直接以 MSP430 單片機(jī)輸出的 1KHZ 的 PWM 波作為調(diào)制信號， 射頻發(fā)射電路如圖 所示 。本電路 采用 6V 直流 電源供電， 經(jīng)過測試，在此工作條件下， F04E 模塊的 發(fā)射半徑 超過了 5 米，完全可以滿足室內(nèi)定位的要求。 在使用此模塊時需注意，在單片機(jī)引腳與 FO4E 的連接處需加入一個 100KΩ 的電阻，以免產(chǎn)生過調(diào)制。 圖 射頻發(fā)射電路 msp430單片機(jī) 射頻發(fā)射模塊 超聲波接收模塊 LCD 顯示 13 第頁 超聲波接收電路 超聲波接收電路 的 主要 作用 是 對超聲波傳感器接收到的信號進(jìn)行 放大、整流、比較、反向、分壓等一系列的 處理， 然后將處理后的信號 送入單片機(jī)引發(fā)中斷 ，從而 記錄本 次 超聲波的傳播時間 ， 接收電路如圖 ： 圖 超聲波接收電路 對于 電路各個部分的具體 說明如下： 1） 放大電路： 本電路 選用四通道運放 MC3403 中的 2 兩個通道來對接收到的信號進(jìn)行放大 ， 理論放大倍數(shù)為 1000 倍左右 （實 測 為 350 倍左右） ， 放大后信號的峰峰值為 3V 左右 。因為接收到的超聲波信號為交流信號，而本電路 采用6V的 直流 單電源供電，所以 為兩級 運放 各提供 了 3V 的直流偏置 電壓 。 2）整流濾波電路： 本電路主要由 D D D3 三個整流二極管和一個 1uf的電解電容 C4 構(gòu)成整流濾波電路。其中 D2 主要 起整流作用 ，而 C4 則主要起平滑濾波作用。 14 第頁 3）比較電路：由于整流過后信號的幅度并不穩(wěn)定，如果直接輸入單片機(jī)，可能在單片機(jī)的引腳上引入一個不穩(wěn)定的電壓，所以將整流過后的信號送入一電壓比較器，以產(chǎn)生穩(wěn)定的高低電平。此電壓比較器選用 MC3403 的第四個通道來構(gòu)成，經(jīng)比較之后，將信號送入非門再分壓后送入單片機(jī)。 固定 節(jié)點 固定 節(jié)點框圖 固定 節(jié)點框圖如圖 所示，此部分仍然采用 MSP430 單片機(jī)作為主控 MCU，系統(tǒng)初始化完成之后即進(jìn)入低功耗 模式 ，等待接收射頻信號。當(dāng)收到射頻信號之后，將會 觸發(fā)單片機(jī)中斷，進(jìn)入中斷處理程序之后， 4 號節(jié)點將會關(guān)閉中斷使能，并且在分別延時 1s、 2s、 3s 之后發(fā)射超聲波信號，待超聲波信號發(fā)射完成后，它們再分別延時 2s、 2s、 1s 后開射頻接收 中斷 。如此循環(huán)，配合 移動節(jié)點完成定位。 圖 固定 節(jié)點框圖 射頻接收電路 與射頻發(fā)射電路 相 匹配，射頻接收電路采用中心頻率為 433MHZ 的射頻接收模塊 J04V 如圖 所示 。 J04V 模塊的主要性能參數(shù)如下： 接收頻率： 433MHz 工作電壓： 直流 工作電流： 調(diào)制帶寬： 10K 輸出電平： TTL 電平 接收靈敏度： 90dBm 電路結(jié)構(gòu) ： 超再生 圖 MSP430單片機(jī) 射頻接收模塊 超聲波發(fā)射模塊 15 第頁 外形尺寸： 10 23 5mm 工作溫度： 40 ℃ +60 ℃ 圖 射頻接收電路 具體 的射頻接收 電路如圖 。 在 本系統(tǒng)的 實際電路中，對此模塊采用3V的直流電壓供電，工作電流約為 。 為了濾除 空 氣中其 他噪聲的干擾，在輸入單片機(jī)的引腳 處接入 了一個 104的電容，實驗證明，在射頻信號頻率為 1KHZ的時候，此電容可以很好的濾除噪聲干擾，并且可以保證單片機(jī)能夠正常接收到射頻信號 產(chǎn)生的中斷 。 超聲波發(fā)射電路 超聲波的發(fā)射電路如圖 ，由 MSP430 單片機(jī)產(chǎn)生 40KHZ 的 PWM 波，此 信號 經(jīng) 兩級與非門 驅(qū)動 之后直接供給超聲波發(fā)射傳感器即可。 由于本系統(tǒng)中要求超聲 波 發(fā)射的最遠(yuǎn)距離僅為 260cm 左右 ，所以發(fā)射信號不經(jīng)過放大即可滿足要求。 圖 超聲波發(fā)射電路 4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)總體軟 件流程 16 第頁 系統(tǒng)的 整體 工作時序和軟件流程分析如下： 1） 按下 1 號節(jié)點的 S1鍵， 1 號節(jié)點發(fā)射 30 個周期的頻率為 1KHZ 的 射頻信號來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的同步 ，同時打開 TimerA 計時和中斷，使能超聲波接收中斷 。 2） 4號節(jié)點同時接收到射頻信號。 2 號節(jié)點接收到射頻信號 后關(guān)閉射頻接收中斷 ，延時 1s后發(fā)射超聲波信號 ，超聲波信號的發(fā)射時間為 ， 經(jīng)過實驗證明， 的發(fā)射時間可以