超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、分類號(hào) 密級(jí) U D C 編號(hào) 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題 目 超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 院 （系） 專 業(yè) 年 級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)學(xué)位論文管理部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)省級(jí)優(yōu)秀

2、學(xué)士學(xué)位論文評(píng)選機(jī)構(gòu)將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于1、保密 ，在_年解密后適用本授權(quán)書。2、不保密 。學(xué)位論文作者簽名： 日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日目 錄內(nèi)容摘要1關(guān)鍵詞1Abstract1Key words11.緒論21.1選題的背景和研究意義21.2選題的研究現(xiàn)狀31.3本文的研究工作41.4本文結(jié)構(gòu)52.超聲波定位系統(tǒng)原理52.1 超聲波與超聲波傳感器52.2 超聲波的定位原理83.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)103.1 系統(tǒng)空間分布圖103.2 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)103.3 固定節(jié)點(diǎn)134.系統(tǒng)軟件

3、設(shè)計(jì)144.1 系統(tǒng)總體軟件流程144.2 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)軟件流程174.3 固定節(jié)點(diǎn)軟件流程205. 實(shí)驗(yàn)分析215.1 射頻發(fā)射距離測(cè)試215.2 超聲波發(fā)射距離測(cè)試225.3系統(tǒng)整體測(cè)試246. 結(jié)果與展望256.1 系統(tǒng)實(shí)物圖256.2 小結(jié)與展望27參考文獻(xiàn)29致 謝30內(nèi)容摘要隨著超聲波測(cè)距精度的不斷提高，超聲波定位技術(shù)也發(fā)展得日趨成熟，并且在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、食品加工等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)比幾種常用的超聲波測(cè)距方法，融合射頻技術(shù)和超聲波技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新的超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)。系統(tǒng)以超低功耗的MSP430單片機(jī)作為主控芯片，由三個(gè)懸掛在空中固定位置處的節(jié)點(diǎn)和一個(gè)在地面二

4、維直角坐標(biāo)系中移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)組成。文章介紹了系統(tǒng)的基本定位原理和整體設(shè)計(jì)思路，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方法，分析了系統(tǒng)各部分的軟件流程并給出了主要程序。最后，通過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)試并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，得到了系統(tǒng)各個(gè)模塊的性能指標(biāo)和整體定位精度，并且提供了各部分的實(shí)物圖。關(guān)鍵詞：超聲波 定位 射頻 MSP430Abstract: With the continuous improvement of the ultrasonic distance measuring accuracy, ultrasonic positioning technology is developing more and mor

5、e mature and being widely used in various fields like industry, agriculture, medicine, food processing and so on. By comparing several commonly used methods of ultrasonic distance measurement , integrating of RF technology and ultrasonic technology, the writer designed and implemented a new ultrason

6、ic indoor positioning system. System use the MSP430 ultra-low power single-chip microcomputer as the master chip, consists of three nodes which flying in the air of fixed positions and a node which moving in the two-dimensional Cartesian coordinate system on the ground. This paper describes the basi

7、c positioning principle and the overall design concept, details systems hardware design method, analysises the software process of each part of the system and gives the main procedures.Finally, through the experimental test and analysis of the testing results, gives each modules performance indicato

8、rs and overall positioning accuracy, and provides physical figures of each part of the system.Key words：Ultrasonic Positioning Radio-Frequency MSP4301. 緒論1.1 選題的背景和研究意義隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)的快速增加，人們對(duì)定位與導(dǎo)航的需求日益增大，尤其在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境，如機(jī)場(chǎng)大廳、展廳、倉(cāng)庫(kù)、超市、圖書館、地下停車場(chǎng)、礦井等環(huán)境中，常常需要確定各種設(shè)施與物品在室內(nèi)的位置信息。但是受定位時(shí)間、定位精度以及復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境等條件的限制，比較完善的定

9、位技術(shù)目前還無(wú)法很好地利用。因此，專家學(xué)者提出了許多室內(nèi)定位技術(shù)解決方案，如GPS技術(shù)、紅外線技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)、超寬帶技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)、ZigBee技術(shù)、超聲波技術(shù)等等。GPS技術(shù)：GPS是目前應(yīng)用最為廣泛的定位技術(shù)，利用GPS進(jìn)行定位的優(yōu)勢(shì)是衛(wèi)星有效覆蓋范圍大，且定位導(dǎo)航信號(hào)免費(fèi)。缺點(diǎn)是定位信號(hào)到達(dá)地面時(shí)較弱，不能穿透建筑物，而且定位器終端的成本較高。 紅外線技術(shù)：紅外線定位技術(shù)雖然具有相對(duì)較高的室內(nèi)定位精度，但是只能在直線視距內(nèi)傳播、傳輸距離較短，而且容易被熒光燈或者房間內(nèi)的燈光干擾，在精確定位上有局限性。藍(lán)牙技術(shù)：藍(lán)牙技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備體積小、易于集成在 PDA、PC以

10、及手機(jī)中，采用該技術(shù)作室內(nèi)短距離定位時(shí)容易發(fā)現(xiàn)設(shè)備且信號(hào)傳輸不受視距的影響。其不足在于藍(lán)牙器件和設(shè)備的價(jià)格比較昂貴，而且對(duì)于復(fù)雜的空間環(huán)境，藍(lán)牙系統(tǒng)的穩(wěn)定性稍差，受噪聲信號(hào)干擾大。射頻識(shí)別技術(shù)：射頻識(shí)別技術(shù)可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級(jí)定位精度的信息，且傳輸范圍很大，體積較小、成本較低，同時(shí)由于其非接觸和非視距等優(yōu)點(diǎn)，可望成為優(yōu)選的室內(nèi)定位技術(shù)。然而，由于射頻標(biāo)識(shí)的作用距離近，不具有通信能力，而且不便于整合到其他系統(tǒng)之中，因此這種定位技術(shù)也存在一定局限性。超寬帶技術(shù)：超寬帶系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比，具有穿透力強(qiáng)、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供精確定位等優(yōu)點(diǎn)。Wi-Fi技術(shù)： W

11、i-Fi定位是無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)系列標(biāo)準(zhǔn)之IEEE802.11的一種定位解決方案。該系統(tǒng)采用經(jīng)驗(yàn)測(cè)試和信號(hào)傳播模型相結(jié)合的方式，易于安裝，需要很少基站，能采用相同的底層無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)總精度高。但無(wú)論是用于室內(nèi)還是室外定位，Wi-Fi收發(fā)器都只能覆蓋半徑90米以內(nèi)的區(qū)域，而且很容易受到其他信號(hào)的干擾，從而影響其精度，定位器的能耗也較高。 ZigBee技術(shù)：ZigBee是一種新興的短距離、低速率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它介于射頻識(shí)別和藍(lán)牙之間，也可以用于室內(nèi)定位。它有自己的無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)通信以實(shí)現(xiàn)定位。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一

12、個(gè)傳感器，所以它們的通信效率非常高，其最顯著的技術(shù)特點(diǎn)是它的低功耗和低成本。超聲波技術(shù)：超聲波在對(duì)障礙物進(jìn)行定位方面具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)：（1）超聲波對(duì)色彩、光照度不敏感，可用于識(shí)別透明及漫反射性差的物體(如玻璃、拋光體)；（2）對(duì)外界光線和電磁場(chǎng)不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境中；（3）超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，費(fèi)用低，信息處理簡(jiǎn)單可靠，易于小型化和集成化。目前，各種超聲檢測(cè)技術(shù)己越來(lái)越引起人們的重視，被廣泛應(yīng)用在液位測(cè)量、機(jī)械手控制、車輛自動(dòng)導(dǎo)航、物體識(shí)別等方面。與其他定位技術(shù)相比，超聲波能滿足較高精度定位的要求，而且設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)容易，所以本

13、文選擇超聲波來(lái)進(jìn)行定位。1.2 選題的研究現(xiàn)狀蘇州大學(xué)工學(xué)院的王富東通過(guò)分析比較超聲波與射頻的區(qū)別，設(shè)計(jì)出了一種空間模型的超聲波定位系統(tǒng)1。系統(tǒng)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)由微處理機(jī)電路、超聲波接收電路和無(wú)線電編碼觸發(fā)電路組成，固定節(jié)點(diǎn)由超聲波發(fā)射電路和無(wú)線電編碼接收電路組成。此外，他還利用此系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)出了對(duì)一種在無(wú)人車間工作的自動(dòng)運(yùn)輸小車的定位方案。西安交通大學(xué)電信學(xué)院的雷鳴靂、周功道、馮祖仁通過(guò)分析超聲波回波反射法定位存在的缺點(diǎn)，針對(duì)在環(huán)境已知的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的定位問(wèn)題，提出了一種新的定位方法基于偽碼相關(guān)技術(shù)的超聲波無(wú)線電定位法2。他們不僅介紹了這種定位系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)方案，而且詳細(xì)闡述了系統(tǒng)硬件部分的電

14、路設(shè)計(jì)，并討論了主要元件的參數(shù)設(shè)置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，該方法提高了定位的準(zhǔn)確性，擴(kuò)大了有效定位范圍。華中科技大學(xué)國(guó)家水電能源仿真實(shí)驗(yàn)室的楊敏華、李利軍、李朝暉結(jié)合PowerWal立體投影顯示設(shè)備和SGI OCTANE圖形處理工作站，介紹了一種新穎的超聲波三維空間定位系統(tǒng)的原理與設(shè)計(jì)，及該系統(tǒng)在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的應(yīng)用，提供了一種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的精確定位方式3。該超聲波三維空間定位系統(tǒng)采用了差分方式來(lái)提高測(cè)距精度。由于該系統(tǒng)具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、對(duì)光線不敏感和無(wú)電磁輻射等優(yōu)點(diǎn)，很適合在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用。系統(tǒng)將實(shí)時(shí)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絊GI OCTANE工作站，避免了地域空間的限制，因此此系統(tǒng)在虛擬

15、現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中具有重大意義和廣泛應(yīng)用前景。日本獨(dú)立行政法人港口及機(jī)場(chǎng)研究所建設(shè)與控制系統(tǒng)部門的Kshira、J.Akizono和T.Hirabayashi，利用3個(gè)GPS天線和4個(gè)超聲波接收機(jī)配合一個(gè)超聲波發(fā)射器，研制出了誤差在10cm以內(nèi)的水下超聲波定位系統(tǒng)4，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分考慮到各個(gè)方面的因素對(duì)系統(tǒng)誤差的影響，對(duì)傳播時(shí)間的測(cè)量和聲速的校正做了較嚴(yán)密的工作，并與傳統(tǒng)的定位方法進(jìn)行了對(duì)比，體現(xiàn)出了他們所研制的系統(tǒng)的優(yōu)越性。J.M. Villadangos， J. Urefia等人設(shè)計(jì)出了大覆蓋范圍的超聲波定位系統(tǒng)ULPS。為了保證實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的三維定位，他們?cè)诿總€(gè)圓柱形的超聲波發(fā)射頭上連接了一個(gè)圓

16、錐形的反射換能器5。此外，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的同步，他們采用了DS-CDMA技術(shù)，用255比特的Kasami碼來(lái)對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行編碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，整個(gè)系統(tǒng)能夠在室內(nèi)的三維范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)很好的定位。1.3 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(jì)方法與王富東及雷鳴靂等的設(shè)計(jì)思想有類似之處，但是，他們所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中都用到了無(wú)線電技術(shù)，并且都對(duì)無(wú)線電信號(hào)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(wú)需對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行編碼，簡(jiǎn)化了軟硬件的設(shè)計(jì)過(guò)程，并且達(dá)到了一定的定位精度。此外，以超低功耗的MSP430單片機(jī)作為主控芯片是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一大特色，由于MS

17、P430單片機(jī)有五種低功耗模式，為系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)提供了保障。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)思路和軟件執(zhí)行流程，在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)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。在我們的共同努力下，最終設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了此系統(tǒng)，達(dá)到了預(yù)期的工作目標(biāo)。1.4 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(jì)與實(shí)現(xiàn)，第一章是緒論，主要對(duì)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(jiǎn)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(jì)方法，

18、對(duì)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(jì)，給出了各個(gè)部分的軟件流程圖，對(duì)軟件執(zhí)行過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并且給出了主要程序；第五章是對(duì)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試以及結(jié)果分析；第六章是對(duì)全文的小結(jié)與展望。2. 超聲波定位系統(tǒng)原理2.1 超聲波與超聲波傳感器2.1.1 超聲波簡(jiǎn)介聲波是屬于聲音的類別之一，屬于機(jī)械波。聲波是指人耳能感受到的一種縱波，是物體機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)（或能量）的傳播形式，其頻率范圍為16Hz-20KHz。超聲波是指振動(dòng)頻率大于20KHz以上的聲波,其每秒的振動(dòng)次數(shù)（頻率）甚高，超出了人耳聽(tīng)覺(jué)的上限（20KHz）。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(dòng)，通常以縱波的方

19、式在彈性介質(zhì)內(nèi)會(huì)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(zhǎng)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。當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于超聲波與介質(zhì)的相互作用，使介質(zhì)發(fā)生物理的和化學(xué)的變化，從而產(chǎn)生一系列力學(xué)的、熱學(xué)的、電磁學(xué)的和化學(xué)的超聲效應(yīng)，包括以下4種效應(yīng)：1）機(jī)械效應(yīng)。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。當(dāng)超聲波在流體介質(zhì)中形成駐波時(shí),懸浮在流體中的微小顆粒因受機(jī)械力的作用而凝聚在波節(jié)處，在空間形成周期性的堆積。超聲波在壓電材料和磁致伸縮材料中傳播時(shí)，由于超聲波的機(jī)械作用會(huì)引起感生電極化和感生磁化。2）空化作用。超聲波作用于液體時(shí)可產(chǎn)生大量小氣泡 。

20、一個(gè)原因是液體內(nèi)局部出現(xiàn)拉應(yīng)力而形成負(fù)壓，壓強(qiáng)的降低使原來(lái)溶于液體的氣體過(guò)飽和，而從液體逸出，成為小氣泡。另一原因是強(qiáng)大的拉應(yīng)力把液體“撕開(kāi)”成一空洞，稱為空化?？斩磧?nèi)為液體蒸氣或溶于液體的另一種氣體，甚至可能是真空。因空化作用形成的小氣泡會(huì)隨周圍介質(zhì)的振動(dòng)而不斷運(yùn)動(dòng)、長(zhǎng)大或突然破滅。破滅時(shí)周圍液體突然沖入氣泡而產(chǎn)生高溫、高壓，同時(shí)產(chǎn)生激波。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。在液體中進(jìn)行超聲處理的技術(shù)大多與空化作用有關(guān)。3）熱效應(yīng)。由于超聲波頻率高，能量大，被介質(zhì)吸收時(shí)能產(chǎn)生顯著的熱效應(yīng)。4）化學(xué)效應(yīng)。超聲波的作用可促使發(fā)生或加速某些化學(xué)反應(yīng)。例如純的蒸餾水經(jīng)

21、超聲處理后產(chǎn)生過(guò)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(huì)變色或退色。這些現(xiàn)象的發(fā)生總與空化作用相伴隨。超聲波還可加速許多化學(xué)物質(zhì)的水解、分解和聚合過(guò)程。超聲波對(duì)光化學(xué)和電化學(xué)過(guò)程也有明顯影響。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。超聲波具有如下特性： 1） 超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。2） 超聲波可傳遞很強(qiáng)的能量。3） 超聲波會(huì)產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。4） 超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，可在界面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和空化現(xiàn)象。 基于超聲波的這些特點(diǎn)，超聲效應(yīng)已

22、廣泛用于實(shí)際，主要有如下幾方面：1）超聲檢驗(yàn)。超聲波的波長(zhǎng)比一般聲波要短，具有較好的方向性，而且能透過(guò)不透明物質(zhì)，這一特性已被廣泛用于超聲波探傷、測(cè)厚、測(cè)距、遙控和超聲成像技術(shù)。2）超聲處理。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、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(gè)部門獲得了廣泛應(yīng)用。3）基礎(chǔ)研究。超聲波作用于介質(zhì)后，在介質(zhì)中產(chǎn)生聲弛豫過(guò)程，聲弛豫過(guò)程伴隨著能量在分子各自電度間的輸運(yùn)過(guò)程，并在宏觀上表現(xiàn)出對(duì)聲波的吸收。通過(guò)物質(zhì)對(duì)超聲的吸收規(guī)律可探索物質(zhì)的特性和結(jié)構(gòu)，這方面的研究構(gòu)成了分子聲

23、學(xué)這一聲學(xué)分支。2.1.2 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。它是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)或者將外界聲場(chǎng)中的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換器件。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(gè)探頭反射、一個(gè)探頭接收）等。 超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括： 1）工作頻率。工作頻率

24、就是壓電晶片的共振頻率。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(shí)，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(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(zhǎng)時(shí)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(dú)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2.1為中心頻率為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(diǎn))向兩邊逐漸降低。為此，發(fā)射超聲波時(shí)要充分考慮到偏離中心

25、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(jí)最高；而在中心頻率兩側(cè)，聲壓能級(jí)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(lái)驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)生器。本文中使用的超聲波傳感器型號(hào)為FC-16KT40和FC-16KR40。圖2.1超聲波傳感器的頻率特性2.2 超聲波的定位原理2.2.1 常用超聲波測(cè)距方法在超聲波定位系統(tǒng)中，測(cè)距精度的高低對(duì)系統(tǒng)性能的好壞起著至關(guān)重要的作用，因此，測(cè)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(cè)法、回波檢測(cè)法和到達(dá)時(shí)間測(cè)量法。1）包絡(luò)檢測(cè)法：包絡(luò)檢測(cè)法是將接收到的回波信號(hào)做成包絡(luò)線，將接收

26、回波的包絡(luò)線大于門限值的時(shí)間確定為回波到達(dá)的時(shí)間6。但是這種方法有一個(gè)原理上的滯后，并且在信噪比較小的情況下，誤差就會(huì)比較大。一般情況下，可以利用自適應(yīng)包絡(luò)檢測(cè)方法來(lái)改善這種方法。2）回波檢測(cè)法：把超聲波短脈沖發(fā)送至被測(cè)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(shí), 獲取其回波波形7。當(dāng)波觸及物體前壁面時(shí), 有幾個(gè)振蕩周期的窄帶隨機(jī)波產(chǎn)生, 稱為始波, 與此同時(shí), 還有一部分超聲波滲入被測(cè)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(shí)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(gè)缺點(diǎn)2：測(cè)距精度較低：超聲波測(cè)距儀工作于單脈沖

27、方式，測(cè)距精度主要取決于回波信號(hào)的信噪比，在信噪比一定的情況下，通過(guò)增加前置運(yùn)算放大電路的增益也不能滿足要求。有效作用距離較短：超聲波在空氣中傳播時(shí)衰減較大，因而當(dāng)待測(cè)距離較大時(shí)，超聲波測(cè)距儀接收到的超聲波回波信號(hào)非常弱，且信噪比很差，這就使得超聲波測(cè)距儀的有效作用距離較短。3）到達(dá)時(shí)間測(cè)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(huì)被反彈回來(lái)，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(shí)間t，則根據(jù)式(2.1)可以計(jì)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 （2.1）2.2.2 超聲波定位

28、原理由于包絡(luò)檢測(cè)法和回波檢測(cè)法存在其固有缺點(diǎn)，而且實(shí)施起來(lái)存在一定的困難，所以本文選用到達(dá)時(shí)間測(cè)量法來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)距。為了消除接收信號(hào)中回波的影響，本文利用聲速相對(duì)光速慢的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了一種新的到達(dá)時(shí)間測(cè)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(hào)，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(shí)間，從A端發(fā)射射頻開(kāi)始計(jì)時(shí)，到A端收到超聲波信號(hào)為止，記錄這段時(shí)間，則可以用式（2.2）來(lái)計(jì)算A端與B端的距離（其中V為聲速，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)測(cè)試時(shí)溫度基本恒定在25，所以聲速可取恒定值346.575m/s）

29、： S = V *t （2.2）利用這種方法，可以分別得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到三個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的距離l1、l2、l3，由于本系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)呈空間分布，所以根據(jù)勾股定理，可以求出三個(gè)固定節(jié)點(diǎn)在地面二維坐標(biāo)系中的投影點(diǎn)到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的距離l11、l22、l33。設(shè)三個(gè)固定節(jié)點(diǎn)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(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為（x0，y0），則根據(jù)式（2.3）的加權(quán)質(zhì)心算法8可以求得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)： （2.3）3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)空間分布圖 本系統(tǒng)利用三個(gè)固定在空中的超聲波節(jié)點(diǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)在地面上二維直角坐標(biāo)系中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位，總體空間分布圖如圖3.1所示

30、。ZXY4132圖3.1 系統(tǒng)空間分布圖圖3.1中，1號(hào)節(jié)點(diǎn)為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，即所需要定位的節(jié)點(diǎn)，2、3、4號(hào)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(jì)成空間結(jié)構(gòu)，從而可以保證1號(hào)節(jié)點(diǎn)在二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)可以收到2、3、4號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)射的超聲波。其中，2，3，4號(hào)節(jié)點(diǎn)與地面的距離為191.0cm，它們?cè)诘孛嬷苯亲鴺?biāo)系中的投影點(diǎn)坐標(biāo)分別為（0.0，120.0），（0.0，0.0），（120.0，0.0），單位均為cm。3.2 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)3.2.1 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)框圖 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的硬件電路框圖如圖3.2所示，在系統(tǒng)開(kāi)始工作后，按下移動(dòng)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(hào)，以獲

31、得系統(tǒng)的同步。各個(gè)固定節(jié)點(diǎn)收到射頻信號(hào)后會(huì)以分時(shí)的方式發(fā)射超聲波信號(hào)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在每次接收到超聲波信號(hào)之后，通過(guò)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(hào)之后，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的MSP430單片機(jī)經(jīng)過(guò)加權(quán)質(zhì)心算法運(yùn)算得到此節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，并將其顯示到LCD屏幕上。msp430單片機(jī)射頻發(fā)射模塊超聲波接收模塊LCD顯示圖3.2 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)框圖3.2.2 射頻發(fā)射電路本系統(tǒng)采用射頻信號(hào)來(lái)獲取各個(gè)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3.3所示，主要性能指標(biāo)如下：發(fā)射頻率：433MHZ調(diào)制方式：ASK工作

32、電壓：3-12V直流發(fā)射電流：0.5-10mA發(fā)射功率：5mW 圖3.3頻率穩(wěn)定度：10-3 (LC振蕩)工作溫度：-40-+60體 積 ：8105mm此模塊使用起來(lái)簡(jiǎn)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(hào)，射頻發(fā)射電路如圖3.4所示。本電路采用6V直流電源供電，經(jīng)過(guò)測(cè)試，在此工作條件下，F(xiàn)04E模塊的發(fā)射半徑超過(guò)了5米，完全可以滿足室內(nèi)定位的要求。在使用此模塊時(shí)需注意，在單片機(jī)引腳與FO4E的連接處需加入一個(gè)100K的電阻，以免產(chǎn)生過(guò)調(diào)制。圖3.4 射頻發(fā)射電路3.2.3 超聲波接收電路 超聲波接收電路的主要作用是對(duì)超聲波傳感器接收到的信號(hào)進(jìn)行放大、整流、比較

33、、反向、分壓等一系列的處理，然后將處理后的信號(hào)送入單片機(jī)引發(fā)中斷，從而記錄本次超聲波的傳播時(shí)間，接收電路如圖3.5所示：圖3.5 超聲波接收電路對(duì)于電路各個(gè)部分的具體說(shuō)明如下：1）放大電路：本電路選用四通道運(yùn)放MC3403中的1、2兩個(gè)通道來(lái)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大，理論放大倍數(shù)為1000倍左右（實(shí)測(cè)為350倍左右），放大后信號(hào)的峰峰值為3V左右。因?yàn)榻邮盏降某暡ㄐ盘?hào)為交流信號(hào)，而本電路采用6V的直流單電源供電，所以為兩級(jí)運(yùn)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D1、D2、D3三個(gè)整流二極管和一個(gè)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

34、平滑濾波作用。3）比較電路：由于整流過(guò)后信號(hào)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(gè)不穩(wěn)定的電壓，所以將整流過(guò)后的信號(hào)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(gè)通道來(lái)構(gòu)成，經(jīng)比較之后，將信號(hào)送入非門再分壓后送入單片機(jī)。3.3 固定節(jié)點(diǎn)3.3.1 固定節(jié)點(diǎn)框圖 固定節(jié)點(diǎn)框圖如圖3.6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(hào)。當(dāng)收到射頻信號(hào)之后，將會(huì)觸發(fā)單片機(jī)中斷，進(jìn)入中斷處理程序之后，2、3、4號(hào)節(jié)點(diǎn)將會(huì)關(guān)閉中斷使能，并且在分別延時(shí)1s、2s、3s之后發(fā)射超聲波信號(hào)，待超聲

35、波信號(hào)發(fā)射完成后，它們?cè)俜謩e延時(shí)2s、2s、1s后開(kāi)射頻接收中斷。如此循環(huán)，配合移動(dòng)節(jié)點(diǎn)完成定位。MSP430單片機(jī)射頻接收模塊超聲波發(fā)射模塊圖3.6 固定節(jié)點(diǎn)框圖3.3.2 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3.7所示。J04V模塊的主要性能參數(shù)如下：接收頻率： 433MHz工作電壓： 2.6-3.5V直流工作電流： 0.15-0.3mA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3.7外形尺寸： 10 23 5mm工作溫度： -40 - +60 圖3.8 射頻接收電路 具體的射

36、頻接收電路如圖3.8所示。在本系統(tǒng)的實(shí)際電路中，對(duì)此模塊采用3V的直流電壓供電，工作電流約為0.2mA。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(gè)104的電容，實(shí)驗(yàn)證明，在射頻信號(hào)頻率為1KHZ的時(shí)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(hào)產(chǎn)生的中斷。3.3.3 超聲波發(fā)射電路 超聲波的發(fā)射電路如圖3.9所示，由MSP430單片機(jī)產(chǎn)生40KHZ的PWM波，此信號(hào)經(jīng)兩級(jí)與非門驅(qū)動(dòng)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(hào)不經(jīng)過(guò)放大即可滿足要求。圖3.9 超聲波發(fā)射電路4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4

37、.1 系統(tǒng)總體軟件流程系統(tǒng)的整體工作時(shí)序和軟件流程分析如下：1）按下1號(hào)節(jié)點(diǎn)的S1鍵，1號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)射30個(gè)周期的頻率為1KHZ的射頻信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的同步，同時(shí)打開(kāi)TimerA計(jì)時(shí)和中斷，使能超聲波接收中斷。2）2、3、4號(hào)節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到射頻信號(hào)。2號(hào)節(jié)點(diǎn)接收到射頻信號(hào)后關(guān)閉射頻接收中斷，延時(shí)1s后發(fā)射超聲波信號(hào)，超聲波信號(hào)的發(fā)射時(shí)間為0.5s，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，0.5s的發(fā)射時(shí)間可以保證1號(hào)節(jié)點(diǎn)在1s內(nèi)接收到超聲波信號(hào)，并且不會(huì)對(duì)超聲波的下一次接收產(chǎn)生干擾。在超聲波發(fā)射完成后，2號(hào)節(jié)點(diǎn)延時(shí)2s后再使能射頻接收中斷。3）1號(hào)節(jié)點(diǎn)第一次接收到超聲波信號(hào)后關(guān)閉超聲波接收中斷，讀出此時(shí)TimerA的計(jì)數(shù)

38、值t2，然后繼續(xù)計(jì)時(shí)，到達(dá)1s后再使能超聲波接收中斷，同時(shí)TimerA繼續(xù)計(jì)時(shí)。4）3號(hào)節(jié)點(diǎn)接收到射頻信號(hào)后關(guān)閉射頻接收中斷，延時(shí)2s后發(fā)射超聲波信號(hào)，超聲波信號(hào)的發(fā)射時(shí)間為0.5s，在超聲波發(fā)射完成后，3號(hào)節(jié)點(diǎn)延時(shí)2s后再使能射頻接收中斷。5）1號(hào)節(jié)點(diǎn)第二次接收到超聲波信號(hào)后關(guān)閉超聲波接收中斷，讀出此時(shí)TimerA的計(jì)數(shù)值t3，然后繼續(xù)計(jì)時(shí)，到達(dá)1s后再使能超聲波接收中斷，同時(shí)TimerA繼續(xù)計(jì)時(shí)。6）4號(hào)節(jié)點(diǎn)接收到射頻信號(hào)后關(guān)閉射頻接收中斷，延時(shí)3s后發(fā)射超聲波信號(hào)，超聲波信號(hào)的發(fā)射時(shí)間為0.5s，在超聲波發(fā)射完成后，4號(hào)節(jié)點(diǎn)延時(shí)1s后再使能射頻接收中斷。7）1號(hào)節(jié)點(diǎn)第三次接收到超聲波信號(hào)

39、后關(guān)閉超聲波接收中斷，讀出此時(shí)TimerA的計(jì)數(shù)值t4，并且關(guān)閉TimerA，然后利用三次得到的計(jì)數(shù)值t2、t3、t4來(lái)計(jì)算1號(hào)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)并顯示在LCD屏上。8）1號(hào)節(jié)點(diǎn)延時(shí)5s后再次發(fā)射射頻信號(hào)，整個(gè)過(guò)程如此循環(huán)，最終得到1號(hào)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線。具體軟件流程圖如圖4.1所示：圖4.1 系統(tǒng)總體軟件流程圖4.2 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)軟件流程移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖如圖4.2所示：圖4.2 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)軟件流程圖當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)三次接收到超聲波信號(hào)時(shí)，會(huì)觸發(fā)P2.5口產(chǎn)生中斷，其中斷執(zhí)行子程序如下：/ Port 2 interrupt service routine#pragma vector=PORT2_VECTO

40、R_interrupt void Port_2(void) switch(flag) case 2: /收到2號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的超聲波信號(hào) TACTL &=0XFFCF; /暫停定時(shí)器 t2=TAR; TACTL =TASSEL_1+MC_1; flag=3; break; case 3: /收到3號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的超聲波信號(hào) TACTL &=0XFFCF; t3=TAR; TACTL =TASSEL_1+MC_1; flag=4; break; case 4: /收到4號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的超聲波信號(hào) TACTL &=0XFFCF; t4=TAR; TACTL =TASSEL_1+MC_1; flag=2; Ca

41、lculate(); /調(diào)用計(jì)算1號(hào)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的函數(shù) CCTL0 &= CCIE; /接收到最后一個(gè)數(shù)后關(guān)TimerA的1s定時(shí) TBCTL = TBCLR; TBCTL |=TBSSEL_1+MC_1+ID_3; /利用timerB延時(shí)5s TBCCTL0 |= CCIE; /開(kāi)TBCCR0的中斷 TBCCR0=20000; break; default: break; P2IE &=0X20; P2IFG &=0X20; _BIS_SR(LPM0_bits + GIE); / 進(jìn)入低功耗模式LPM0本系統(tǒng)中計(jì)算移動(dòng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)采用的是加權(quán)質(zhì)心算法，但是，由于四個(gè)單片機(jī)的時(shí)鐘不能精準(zhǔn)同步，對(duì)整個(gè)系

42、統(tǒng)的測(cè)量造成了較大的誤差，所以在編寫算法之前，首先對(duì)實(shí)際測(cè)得的計(jì)數(shù)值和理論計(jì)數(shù)值之間進(jìn)行了擬合來(lái)消除誤差，然后再利用加權(quán)質(zhì)心算法計(jì)算移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，主要計(jì)算過(guò)程的程序如下：/對(duì)測(cè)得的時(shí)間值做線性擬合之后來(lái)消除因時(shí)間不精準(zhǔn)所造成的系統(tǒng)誤差/h為節(jié)點(diǎn)離地高度，Vc為聲速，在25時(shí)可取常數(shù)值346.575m/s l1=sqrt(Vc*(0.876*t2-27221)/320)*(Vc*(0.876*t2-27221)/320)-h*h); l2=sqrt(Vc*(0.8598*t3-26729)/320)*(Vc*(0.8598*t3-26729)/320)-h*h); l3=sqrt(Vc*(0.

43、8296*t4-25802)/320)*(Vc*(0.8296*t4-25802)/320)-h*h); /*坐標(biāo)算法加權(quán)質(zhì)心法 x1=(x2/l1+x3/l2+x4/l3)/(1/l1+1/l2+1/l3); y1=(y2/l1+y3/l2+y4/l3)/(1/l1+1/l2+1/l3); 在實(shí)際的程序中使用通分，并且代入固定節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)之后的公式進(jìn)行計(jì)算*/float l0=l1*l2+l1*l3+l2*l3; x1=(l1*l2*x4)/l0; y1=(l2*l3*y2)/l0;4.3 固定節(jié)點(diǎn)軟件流程固定節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖4.3：圖4.3固定節(jié)點(diǎn)軟件流程圖固定節(jié)點(diǎn)發(fā)送超聲波的程序如下：TA

44、CTL = TASSEL_2; / SMCLK為時(shí)鐘源（16MHZ）TACTL |=MC_1+TACLR; / 增計(jì)數(shù)模式,清計(jì)數(shù)器CCTL0 |=CCIE; /中斷使能CCR0 = 400; / PWM波的周期（40KHZ）CCTL1 = OUTMOD_7; / CCR1選擇為復(fù)位/置位輸出模式CCR1 = 200; /占空比為50% 5. 實(shí)驗(yàn)分析5.1 射頻發(fā)射距離測(cè)試1）射頻的發(fā)射距離測(cè)試示意圖如圖5.1所示： 圖5.1射頻發(fā)射距離測(cè)試圖2）測(cè)試條件：F04E電源電壓：6V直流PWM波頻率：1KHZPWM波峰峰值：3VJ04V電源電壓：3V直流測(cè)試場(chǎng)所：室內(nèi)測(cè)試溫度：25測(cè)量工具：卷尺

45、（精度：0.01m）3）數(shù)據(jù)記錄：表5.1 射頻發(fā)射距離測(cè)試記錄表測(cè)試距離1.000米2.000米3.000米4.000米5.000米5.300米接收信號(hào)幅度3.0V3.0V3.0V3.0V3.0V3.0V4）測(cè)試過(guò)程波形圖如圖5.2：圖5.2 射頻發(fā)射距離測(cè)試波形圖5）測(cè)試結(jié)論 經(jīng)過(guò)測(cè)試證明，在室內(nèi)情況下，射頻信號(hào)的射程超過(guò)5米，在此范圍內(nèi)，信號(hào)幅度基本沒(méi)有衰減，滿足室內(nèi)定位的要求。5.2 超聲波發(fā)射距離測(cè)試1）超聲波發(fā)射距離測(cè)試實(shí)物圖如圖5.3所示：圖5.3 超聲波發(fā)射距離測(cè)試實(shí)物圖2）測(cè)試條件：超聲波發(fā)射電路供電電壓：6V直流電壓超聲波接收電路供電電壓：3V直流電壓MSP430單片機(jī)供電

46、電壓：5V直流電壓超聲波發(fā)射時(shí)間：0.5秒測(cè)試地點(diǎn)：室內(nèi)測(cè)試溫度：25測(cè)量工具：卷尺（精度：1cm）單片機(jī)TimerA計(jì)數(shù)的最大值：327683）數(shù)據(jù)記錄：表5.2 超聲波發(fā)射距離與計(jì)數(shù)值的關(guān)系距離計(jì)數(shù)值0.0cm50.0cm100.0cm150.0cm200.0cm220.0cm250.0cm260.0cm實(shí)驗(yàn)一3108631132311843123731290313183135531366實(shí)驗(yàn)二3108631131311833123731291313183135231369實(shí)驗(yàn)三3108631133311823123831290313193135631366實(shí)驗(yàn)四3108631130311

47、833123731292313203135431362實(shí)驗(yàn)五3108431131311823123931291313183135331365在表5.2中，距離指的是超聲波發(fā)射傳感器和超聲波接收傳感器之間的距離，而計(jì)數(shù)值是指接收到超聲波信號(hào)時(shí)TimerA的計(jì)數(shù)值（TimerA的計(jì)數(shù)值達(dá)到32000時(shí)產(chǎn)生中斷）。4）實(shí)驗(yàn)結(jié)論與分析：1.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，如果超聲的發(fā)射傳感器發(fā)射0.5s的超聲波，當(dāng)發(fā)射距離在260.0cm以內(nèi)時(shí)，可以保證接收傳感器接收到超聲波信號(hào)，滿足整個(gè)系統(tǒng)對(duì)超聲波發(fā)射距離的要求。2由實(shí)驗(yàn)過(guò)程中記錄的數(shù)據(jù)可以看出，由于四個(gè)單片機(jī)時(shí)鐘之間的不精準(zhǔn)，導(dǎo)致接收到超聲波時(shí)TimerA的計(jì)數(shù)值

48、都已經(jīng)接近32000，即接收時(shí)間已經(jīng)接近1s，顯然與實(shí)際情況不相符合。因此，在實(shí)際計(jì)算移動(dòng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的時(shí)候加入了誤差消除程序，如4.2節(jié)所描述的內(nèi)容。5.3系統(tǒng)整體測(cè)試1）實(shí)驗(yàn)條件：1號(hào)節(jié)點(diǎn)電路供電電壓：6V直流電壓2，3，4號(hào)節(jié)點(diǎn)電路供電電壓：3V直流電壓MSP430單片機(jī)供電電壓：5V直流電壓2，3，4號(hào)節(jié)點(diǎn)距地面高度：191.0cm2號(hào)節(jié)點(diǎn)在地面的投影坐標(biāo)：（0.0，120.0）（單位：cm）3號(hào)節(jié)點(diǎn)在地面的投影坐標(biāo)：（0.0，0.0）（單位：cm）4號(hào)節(jié)點(diǎn)在地面的投影坐標(biāo)：（120.0，0.0）（單位：cm）測(cè)試環(huán)境：室內(nèi)溫度：25測(cè)量工具：卷尺（精度：1cm）2）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：表5.3 系

49、統(tǒng)整體測(cè)試記錄表（一） 單位：cm理論坐標(biāo)實(shí)測(cè)坐標(biāo)（50.0，50.0）（50.0，60.0）（50.0，70.0）（60.0，40.0）（60.0，50.0）實(shí)驗(yàn)一（55.0，59.0）（50.0，69.0）（55.0，71.0）（60.0，32.0）（61.0，58.0）實(shí)驗(yàn)二（56.0，57.0）（51.0，68.0）（53.0，70.0）（58.0，40.0）（63.0，60.0）實(shí)驗(yàn)三（52.0，54.0）（52.0，69.0）（55.0，76.0）（57.0，37.0）（62.0，58.0）實(shí)驗(yàn)四（57.0，56.0）（51.0，68.0）（56.0，74.0）（60.0，34.0

50、）（63.0，59.0）實(shí)驗(yàn)五（54.0，53.0）（52.0，68.0）（53.0，75.0）（60.0，35.0）（62.0，59.0）平均坐標(biāo)（54.8，55.8）（51.2，68.4）（54.4，73.2）（59，35.6）（62.7，58.8） 表5.4 系統(tǒng)整體測(cè)試記錄表（二） 單位：cm 理論坐標(biāo)實(shí)測(cè)坐標(biāo)（60.0，60.0）（70.0，40.0）（70.0，50.0）（70.0，60.0）（70.0，65.0）實(shí)驗(yàn)一（63.0，68.0）（73.0，31.0）（76.0，50.0）（71.0，64.0）（74.0，61.0）實(shí)驗(yàn)二（62.0，66.0）（78.0，35.0）（7

51、0.0，49.0）（78.0，69.0）（74.0，61.0）實(shí)驗(yàn)三（59.0，67.0）（79.0，37.0）（79.0，49.0）（74.0，69.0）（79.0，61.0）實(shí)驗(yàn)四（64.0，69.0）（77.0，34.0）（77.0，49.0）（75.0，69.0）（74.0，60.0）實(shí)驗(yàn)五（63.0，67.0）（76.0，35.0）（75.0，50.0）（78.0，70.0）（77.0，61.0）平均坐標(biāo)（62.2，67.4）（76.6，34.4）（76.8，49.4）（75.2，68.2）（75.6，60.8）3）實(shí)驗(yàn)結(jié)論1.定位范圍經(jīng)過(guò)測(cè)試表明，本系統(tǒng)基本可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于在地面上120.0cm*120.0cm的二維直角坐標(biāo)系中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位。2.系統(tǒng)的平均定位誤差X軸的平均定位誤差：（4.8+1.2+4.4+9+2.7+2.2+6.6+6.8+5.2+5.6）/10=4.1（cm）Y軸的平均定位誤差：（5.8+8.4+3.2+4.4+8.8+7.4+5.6+0.6+8.2+4.2）/10=5.2（cm）3.系統(tǒng)的平均定位精度X軸平均定位精度：（120.0-4.1）/*100%=96.6%Y軸平均定位精度：（120.0-5.2）/120.0*100%=95.7%6. 結(jié)果與展望6.1 系統(tǒng)實(shí)物圖圖6.1 1號(hào)節(jié)點(diǎn)（移