【正文】 ........................ 10 超聲波測(cè)距原理 ..................................................... 10 超聲波測(cè)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。 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。當(dāng)前超聲波測(cè)距技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，但是對(duì)超聲波定位系統(tǒng)的研究探討才在剛起步的階段。在實(shí)際中，超聲波測(cè)距系統(tǒng)在短距離測(cè)量中得到了應(yīng)用，其精度在厘米級(jí)，如在沒有人的車間的場(chǎng)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。本論文探討超聲波定位系統(tǒng)是在超聲波測(cè)距的基礎(chǔ)上，超聲波傳感器是 核心對(duì)象。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)。單片機(jī)控制的超聲波檢測(cè)方法與其他方法相比，它具有檢測(cè)速度快，計(jì)算方便，便于實(shí)時(shí)控制等優(yōu)點(diǎn)，其測(cè)量精度往往較高。其原理圖如圖 11所示 圖 11 采用回波測(cè)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(hào)則就會(huì)馬上中止計(jì)時(shí)。這就是所被人們稱為時(shí)間差測(cè)距法。我們把主測(cè)距器放在待測(cè)的物體上 ,計(jì)算機(jī)控制信號(hào)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(hào)，接收無線電信號(hào)后，應(yīng)答器立即向主測(cè)距器的方向發(fā)射超聲波信號(hào)，我們就可以獲得主測(cè)距器和每個(gè)固定應(yīng)答器的長(zhǎng)度距離。 圖 13 超聲波測(cè)距時(shí)間原理圖 兩點(diǎn)測(cè)距能通過單向測(cè)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(cè)物體所在的位置。 如果可以測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的距離，則可以依據(jù)一定的算法就可以得到待測(cè)物體 的位置坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置的定位?，F(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。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(cè)距、定位以及環(huán)境的探測(cè)等方面。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)可以用于娛樂游戲、安防等部門。 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。 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)。 方案二：采用回波法定位的定位系統(tǒng)，對(duì)周圍物體進(jìn)行定位，超聲波的測(cè)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(duì)周圍的物體進(jìn)行測(cè)距，然后測(cè)出偏轉(zhuǎn)角度，便可對(duì)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(cè)距儀 如圖 22示， O點(diǎn)為超聲波發(fā)射與接收測(cè)距的原點(diǎn)，和一個(gè)測(cè)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(duì)待測(cè)物體進(jìn)行掃射，若考慮到超聲波當(dāng)?shù)谝淮谓邮盏叫盘?hào)時(shí)記住一個(gè)角度 Q 和距離 M 然后繼續(xù)掃射當(dāng)信號(hào)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(cè)量之后，各個(gè)物體進(jìn)行了定位，用計(jì)算機(jī)便可行對(duì)周圍的物體進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，對(duì)周圍環(huán)境形成圖像，對(duì)其本身進(jìn)行定位。 缺點(diǎn)：誤差較大，需進(jìn)行較詳細(xì)的誤差分析。如果以三面互相垂直墻壁的交點(diǎn)作為為原點(diǎn)建立如下直角坐標(biāo) 系 ,則就可以得到主體的三個(gè)直角坐標(biāo)如圖 23所示。第一方面 ,超聲波傳感器務(wù)必需要和墻面基本保持垂直。傳感器與墻壁之間不能有物體影響其測(cè)量。 方案二：在準(zhǔn)備定位的物體上放置超聲波的發(fā)射器，發(fā)射器根據(jù)特定的時(shí)間向周圍發(fā)射超聲波脈 , 為了接收超聲波脈沖信號(hào)需要在三個(gè)固定位置安裝超聲波接收器，根據(jù)超聲波到達(dá)接收器的時(shí)間長(zhǎng)短，可以計(jì)算出 超聲波發(fā)射器的位置坐標(biāo)?；蛘叻催^來，將待定位點(diǎn)作為接收，設(shè)置 3個(gè)以上發(fā)射點(diǎn)，依次發(fā)射，得到距離，計(jì)算方式相同。我選擇前一種方式，因?yàn)槿绻欢ㄎ灰粋€(gè)目標(biāo)，這樣速度比較快，只要發(fā)射一次即可得到三個(gè)距離。其次，超聲波速度較低，且由于檢測(cè)原因，似乎不能連續(xù)發(fā)射，需要有個(gè)間隔時(shí)間，所以用多次發(fā)射的方式定位移動(dòng)物體會(huì)有誤差，第一次到最后一次發(fā)射之間目標(biāo)已經(jīng)移動(dòng)了。 優(yōu)點(diǎn)：這種方法受到空間限制的條件比較少，如果主體和接收點(diǎn)之間存在障礙物，只要其不全部切斷超聲波的傳播，仍然可以工作。需采用發(fā)射與接受裝置的同步時(shí)差法測(cè)距法，同時(shí)要由高精度的計(jì)時(shí)裝置，這樣制作制作起來相對(duì)復(fù)雜。 超聲波定位系統(tǒng)的組成 在實(shí)際實(shí)現(xiàn)應(yīng) 用中，我們知道超聲波定位系統(tǒng)和無線電定位有一定的區(qū)別。所以我們使用地址編碼的無線觸發(fā)電路觸動(dòng)各發(fā)射點(diǎn)。電路的發(fā)射部分：發(fā)射電路和接收超聲發(fā)射編碼電路組成。 圖 24 超聲波定位系統(tǒng)的組成 該系統(tǒng)的工作過程是微處理器的第一選擇是需要啟 動(dòng)觸發(fā)發(fā)送地址，然后啟動(dòng)發(fā)射電路和啟動(dòng)計(jì)時(shí)，在一定的時(shí)間內(nèi)，通過微處理器首先選擇需要啟動(dòng)的觸發(fā)發(fā)射地址，接著啟動(dòng)發(fā)射電路和啟動(dòng)，在一定的時(shí)間內(nèi)，假如可以接收到信號(hào)就可以依據(jù)延遲的時(shí)間來計(jì)算主體目標(biāo)距離發(fā)射點(diǎn)的間隔距離。如果不能在某一特定時(shí)間內(nèi)接收到信號(hào)，就可以知道主體的距離傳輸點(diǎn)的長(zhǎng)度超出了可接收距離長(zhǎng)度。超聲波在空氣中的傳播速度會(huì)受到環(huán)境的影響發(fā)生變化 ,為了提高測(cè)量 的精度需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正。取 L=50cm 為標(biāo)準(zhǔn)距離 ,測(cè)量其在實(shí)際環(huán)境條件下的傳輸時(shí)間 TS,則實(shí)際聲速為 L/TS。 7 167。超聲波的頻率比較高，其次波長(zhǎng)短和繞射現(xiàn)象不明顯，而且具有方向性好的，能量消耗緩慢，能長(zhǎng)距離傳播等優(yōu)點(diǎn)。 [4]138152 超聲波碰到雜質(zhì)或界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。 出于研究與利用超聲波的目的，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)并研制了各種各類的超聲波發(fā)生器。壓電、磁致伸縮與電動(dòng)型等是由電氣方式產(chǎn)生超聲波；加爾統(tǒng)笛，液哨，氣流旋笛等都是由機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。目前最受歡迎的是壓電超聲發(fā)生器。當(dāng)施加脈沖信號(hào)在壓電超聲波發(fā)生器的兩極，如果想壓晶片電共振時(shí)，使 壓電式超聲波發(fā)生器的頻率與壓電晶片振蕩頻率需要相等。相反，假如兩極之間不外加電壓，超聲波被共振板接收到后，就會(huì)使壓電晶片發(fā)生振動(dòng)，此時(shí)機(jī)械能與電信號(hào)間轉(zhuǎn)換，此刻它就變成了超聲波接收器。 超聲波傳感器有發(fā)射器與接收器，如果一個(gè)超聲波傳感器同時(shí)具備發(fā)射與接收聲波的功能，稱之為可逆元件 。23kHz、 40kHz、 75kHz、 200kHz、 400kHz 等頻率是超聲波傳感器常見的諧振頻率。使用壓電效應(yīng)的原理超聲波傳感器可以實(shí)現(xiàn)電能與超聲波之間的互相轉(zhuǎn)化，也就是說在發(fā)射超聲波的同時(shí)，能夠完成電能轉(zhuǎn)化為發(fā)射超聲波的功能；而在接收的回波中，超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)?？梢赃@樣認(rèn)為，當(dāng)超聲波的射線由一種物質(zhì)的外表反射時(shí)，入射角與反射角相等，如果射線通過某種物質(zhì)進(jìn)入到另一種密度不相同的物質(zhì)也能發(fā)生折射作用，密度的差異越大的兩種不同物質(zhì)，折射也會(huì)越大。同樣的材料，聲波頻率高，吸收強(qiáng)。 (3)超聲波能量的傳送特性：超聲波在工業(yè)部門中被廣泛的應(yīng)用，關(guān)鍵是因?yàn)榫哂斜嚷暡◤?qiáng)大很多的功率。 物質(zhì)分子振動(dòng)所獲得的