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畢業(yè)設(shè)計-超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)-文庫吧資料

2024-12-08 23:00本頁面
  

【正文】 點(diǎn) 分 別 接 收2 , 3 , 4 號 節(jié) 點(diǎn) 的超 聲 波 信 號 , 并 分別 記 錄 接 收 時 間1 號 節(jié) 點(diǎn) 根 據(jù) 3 個 接 收 時間 算 出 自 身 的 位 置 , 并顯 示 在 L C D 液 晶 屏 上延 時 5 s開 始按 下 S 1 鍵 圖 系統(tǒng)總體軟件流程圖 18 第頁 移動 節(jié)點(diǎn)軟件流程 移動節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖如圖 : 開 始關(guān) 看 門 狗 , 初 始 化 I O口 、 L C D , 顯 示 已 知 節(jié) 點(diǎn)的 坐 標(biāo) , 開 P 1 . 4 中 斷進(jìn) 入 低 功 耗P 2 . 5 中 斷 程 序關(guān) P 2 . 5 中 斷判 斷 f l a g 的 值P 1 . 4 中 斷 程 序關(guān) P 1 . 4 中 斷 ,清 中 斷 標(biāo) 志發(fā) 射 頻 信 號T i m e r A 開 始 計 時開 P 2 . 5 口 中 斷進(jìn) 入 低 功 耗讀 取 T i m e r A的 值 賦 給 t 2讀 取 T i m e r A的 值 賦 給 t 3讀 取 T i m e r A的 值 賦 給 t 4調(diào) 用 計 算 并 顯 示 未知 節(jié) 點(diǎn) 坐 標(biāo) 的 函 數(shù)關(guān) T i m e r A 中 斷 。 7) 1 號節(jié)點(diǎn)第三次接收到超聲波信號后關(guān)閉超聲波接收中斷,讀出此時TimerA 的計數(shù)值 t4,并且關(guān)閉 TimerA,然后利用三次得到的計數(shù)值 t t t4來計算 1 號節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)并顯示在 LCD屏上。 5) 1 號節(jié)點(diǎn)第二次接收到超聲波信號后關(guān)閉超聲波接收中斷,讀出此時TimerA 的計數(shù)值 t3,然后繼續(xù)計時,到達(dá) 1s 后再使能超聲波接收中斷,同時TimerA 繼續(xù)計時。 3) 1 號節(jié)點(diǎn) 第一次接收到 超聲波信號 后關(guān)閉超聲波接收中斷,讀出此時TimerA 的計數(shù)值 t2,然后繼續(xù)計時,到達(dá) 1s 后再使能超聲波接收中斷,同時TimerA 繼續(xù)計時。 2 號節(jié)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)證明, 的發(fā)射時間可以保證 1號節(jié)點(diǎn)在 1s 內(nèi)接收到超聲波信號,并且不會對超聲波的 下一次 接收產(chǎn)生干擾。 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(diǎn)的 S1鍵, 1 號節(jié)點(diǎn)發(fā)射 30 個周期的頻率為 1KHZ 的 射頻信號來實(shí)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 。 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。 在 本系統(tǒng)的 實(shí)際電路中,對此模塊采用3V的直流電壓供電,工作電流約為 。 圖 固定 節(jié)點(diǎn)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 。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(diǎn)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 。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)。其中 D2 主要 起整流作用 ,而 C4 則主要起平滑濾波作用。因?yàn)榻邮盏降某暡ㄐ盘枮榻涣餍盘?,而本電?采用6V的 直流 單電源供電,所以 為兩級 運(yùn)放 各提供 了 3V 的直流偏置 電壓 。 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 移動 節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的 同步,其中所用到 的射頻發(fā)射 模塊為F04E,其實(shí)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 。 移動 節(jié)點(diǎn) 移動 節(jié)點(diǎn)框圖 移動 節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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。 圖 系統(tǒng) 空間分布 圖 圖 中, 1 號節(jié)點(diǎn)為 移動 節(jié)點(diǎn),即所需要定位的節(jié)點(diǎn), 4 號節(jié)點(diǎn)為固定 節(jié)點(diǎn),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(diǎn)在二維平面內(nèi)運(yùn)動時可以收到 4號節(jié)點(diǎn)發(fā)射的超聲波。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(diǎn) ,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?yàn)楸鞠到y(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(diǎn)到三個固定 節(jié)點(diǎn) 的距離 l l l3,由于本系統(tǒng)的各個節(jié)點(diǎn)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(diǎn)在地面二維坐標(biāo)系中的投影點(diǎn)到移動節(jié)點(diǎn)的距離 l1 l2 l33。 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。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。 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]。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。 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。 本文中使用的超聲波傳感器型號為 FC16KT40和 FC16KR40。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。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(diǎn) )向兩邊逐漸降低。機(jī)電耦合系數(shù)大,靈 敏度高;反之,靈敏度低。 3) 靈敏度。由于壓電材料的居里點(diǎn)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。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的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。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括: 1)工作頻率。構(gòu)成晶片的材料可以有許 多種。 超聲波探頭有許多不同的結(jié)構(gòu),可分直探頭(縱波)、斜探頭(橫波)、表面波探頭(表面波)、蘭姆波探頭(蘭姆波)、雙探頭(一個探頭反射、一個探頭接收)等。 超聲波傳感器及其特性 超聲波傳感器是實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換的裝置,又稱為超聲波換能器或者超聲波探頭。超聲波作用于介質(zhì)后,在介質(zhì)中產(chǎn)生聲弛豫過程,聲弛豫過程伴隨著能量在分子各自電度間的輸運(yùn)過程,并在宏觀上表現(xiàn)出對聲波的吸收。利用超聲的機(jī)械作用、空化作用、熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng),可進(jìn)行超聲焊接、鉆孔、固體的粉碎、乳化 、脫氣、除塵、去鍋垢、清洗、 8 第頁 滅菌、促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)和進(jìn)行生物學(xué)研究等,在工礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等各個部門獲得了廣泛應(yīng)用。超聲波的波長比一般聲波要短,具有較好的方向性,而且能透過不透明物質(zhì),這一特性已被廣泛用于超聲波探傷、測厚、測距、遙控和超聲成像技術(shù)。 4) 超聲波在液體介質(zhì)中傳播時,可在界面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和空化現(xiàn)象。 2) 超聲波可傳遞很強(qiáng)的能量。各種氨基酸和其他有機(jī)物質(zhì)的水溶液經(jīng)超聲處理后,特征吸收光譜帶消失而呈均勻的一般吸收,這表明空化作用使分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變 。超聲波還可加速許多化學(xué)物質(zhì) 的水解、分解和聚合過程。例如純的蒸餾水經(jīng)超聲處理后產(chǎn)生過氧化氫;溶有氮?dú)獾乃?jīng)超聲處理后產(chǎn)生亞硝酸;染料的水溶液經(jīng)超聲處理后會變色或退色。 4) 化學(xué)效應(yīng)。 3) 熱效應(yīng)。與空化作用相伴隨的內(nèi)摩擦可形成電荷,并在氣泡內(nèi)因放電而產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。因空化作用形成的小氣泡會隨周圍介質(zhì)的 振動而不斷運(yùn)動、長大或突然破滅。另一原因是強(qiáng)大的拉應(yīng)力把液體 “ 撕開 ” 成一空洞,稱為空化。超聲波作用于液體時可產(chǎn)生大量小氣泡 。超聲波在壓電材料和磁致伸縮材料中傳播時 , 由于超聲波的機(jī)械作用 會 引起 感生電極化和感生磁化。超聲波的機(jī)械作用可促成液體的乳化、凝膠的液化和固體的分散 。超聲和可聞聲本質(zhì)上是一致的,它們的共同點(diǎn)都是一種機(jī)械振動,通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)會傳播,是一種能量的傳播形式,其不同點(diǎn)是超聲頻率高,波長短,在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的 束射性和 方向性。 聲波是指人耳能感受到的一種縱波, 是物體機(jī)械振動狀態(tài)(或能量)的傳播形式 , 其頻率范圍為 16Hz20KHz。 本文結(jié)構(gòu) 本文主要闡述了基于 MSP430 單片機(jī)的超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn),第一章是緒論 ,主要對超聲波定位的 背景、 研究意義 、 發(fā)展現(xiàn)狀 以及本文的研究工作 等內(nèi)容作了簡要介紹 ;第二章介紹超聲波定位系統(tǒng)的原理,主要介紹了超聲波、 超聲波傳感器以及超聲波的定位原理; 第三章 介紹 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 方法,對各部分的電路作出了詳細(xì)介紹;第四章介紹系統(tǒng)的 軟件設(shè)計 ,給出了各個部分的軟件流程圖,對軟件執(zhí)行過程進(jìn)行了詳細(xì)介紹,并且給出了主要程序; 第五章是對系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測試以及結(jié)果分析;第六章是對全文的小結(jié)與展望。 本系統(tǒng)的設(shè)計由我與潘麗同學(xué)共同完成,我們共同探討了系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計思路和軟件執(zhí)行流程,在整個系統(tǒng)的設(shè)計 過程 中,潘麗同學(xué)主要負(fù)責(zé)硬件電路的焊接與調(diào)試,而我則主要負(fù)責(zé)軟件編程與調(diào)試。 本文的研究工作 基于以上研究工作,本文提出了一種結(jié)合射頻技術(shù)和超聲波技術(shù)的室內(nèi)定位方法,此設(shè)計方法與 王富東 及雷鳴靂等的設(shè)計思想有類似之處,但是,他們 所設(shè)計的系統(tǒng)中 都用到了無線電技術(shù),并且都對無線電信號進(jìn)行了編碼,系統(tǒng)存在一定的復(fù)雜性 ,而 本文 所描述的系統(tǒng) 無 需 對射頻信號進(jìn)行編碼,簡化了軟硬件的設(shè)計過程,并且達(dá)到了一定的定位精度。此外,為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的同步,他們采用了DSCDMA 技術(shù),用 255 比特的 Kasami 碼來 對超聲波信號進(jìn)行編碼 。 . Villadangos, J. Urefia 等人設(shè)計出了大覆蓋范圍的超聲波定位系統(tǒng) ULPS。系統(tǒng)將實(shí)時檢測到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?SGI OCTANE工作站,避免了地域空間的限制 ,因此此系統(tǒng)在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中具有重大意義和廣泛應(yīng)用前景。該超聲波三維空間定位系統(tǒng)采用了差分方式來提高測距精度。 他們 不僅 介紹了這種定位系統(tǒng)的原理和設(shè)計方案 ,而且 詳細(xì)闡述了系統(tǒng)硬件部分的電路設(shè)計 ,并討論了主要元件的參數(shù)設(shè)置 ,通過實(shí)驗(yàn)表明, 該方法提高了定位的準(zhǔn)確性 , 擴(kuò)
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