二維定位設計報告(共16頁)

1、2014年山東(shn dn)工商學院電子設計競賽作品設計(shj)報告作品題目序號09作品題目名稱二維平面內物體定位參賽隊伍序號49參賽隊伍名稱參賽隊員姓名作品完成情況作品完整 作品部分完成 作品未制作超聲波定位系統(tǒng)摘要(zhiyo)我們根據(jù)(gnj)超聲波的特性來研發(fā)制成超聲波傳感器，機械振動頻率比聲波高波，我們稱之為超聲波。超聲波的頻率比較高，其次波長短和繞射現(xiàn)象不明顯(mngxin)，而且具有方向性好，能量消耗緩慢，能長距離傳播等優(yōu)點。當今社會，在傳感器以及自動控制測距離的方案中，超聲波測距是被最廣泛應用的一個方案，它被使用于以下的實際操作中，例如，水位的測量，建筑工地測距這些場合。本

2、論文討論了超聲波的定位系統(tǒng)以及相應的算法，還比較全面地描述了超聲波傳感器的原理以及特性?；诔暡y距原理的分析，提出了超聲波測距系統(tǒng)的設計過程和需要問題。以MC9S12XS128單片機為核心，我們設計好的超聲波測距儀以及硬件電路有很多優(yōu)勢，它的精度高、低成本以及數(shù)字顯示的使用微型。這個系統(tǒng)的電路的設置和布局較合理，工作性能和穩(wěn)定性好，計算簡單，實時控制是比較容易做到的，更重要的是，測量精度滿足了工業(yè)實際的要求。關鍵詞：超聲波定位算法；超聲波傳感器；超聲波測距；誤差分析目 錄引言(ynyn)方案設計模塊(m kui)設計3.1整體設計(shj)示意3.2 超聲波模塊3.3報警電路3.4顯示電路

3、設計程序及流程圖4.1軟件流程圖4-2.程序測試結果及分析5.1 測試結果分析5.2 測試結果誤差分析總結附錄7-1.完整電路圖7-2.元器件清單1 引言(ynyn)當前超聲波測距技術應用已經(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。在實際中，超聲波測距系統(tǒng)在短距離測量中得到了應用，其精度在厘米級，如在沒有人的車間的場所(chn su)運動物體定位的選擇等使用超聲波定位系統(tǒng)比較好。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(kish)，之后由距離和提供

4、的計算方法來求出待被定位的物體的位置坐標，我們采用的是反射式測距法：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1-1所示圖1-1 采用回波測距法的原理圖超聲波發(fā)射器在空氣中向任一目標位置發(fā)射超聲波，發(fā)射超聲波的同一時刻馬上進行計時，超聲波在空氣傳遞過程當中如果遇到障礙物就會即刻返回，一旦超聲波接收器獲取到反射信號則就會馬上中止計時。超聲波處于空氣中傳播的速率約為340米每秒，并讀出計時器所獲得的時間t，基于計算公式就能夠求出發(fā)射點與障礙物之間的長度距離s，

5、也就是：s=340t/2。這就是所被人們稱為時間差測距法。2 方案設計 方案(fng n)一： 回波法定位的定位系統(tǒng)，對周圍物體進行定位，超聲波的測距儀器固定在一個已知點上，以這個點為原點建立(jinl)坐標系，對周圍的物體進行測距，然后測出偏轉角度，便可對周圍物體進行定位。圖2-1 采用(ciyng)回波法的超聲波測距儀如圖2-1示，O點為超聲波發(fā)射與接收測距的原點，和一個測量角度的儀器規(guī)定一個以O點為原點的直角坐標系，然后對待測物體進行掃射，若考慮到超聲波當?shù)谝淮谓邮盏叫盘枙r記住一個角度Q和距離M 然后繼續(xù)掃射當信號瞬間沒有時停止記錄另一個角度W和距離N，兩個角度求平均值和距離L ,便可根

6、據(jù)三角函數(shù)計算出A點的坐標：x=Lcos y=Lsin 把O點周圍的物體進行測量之后，各個物體進行了定位，用計算機便可行對周圍的物體進行詳細計算，對周圍環(huán)境形成圖像，對其本身進行定位。優(yōu)點：系統(tǒng)設計非常簡單，操作簡便，采用回波測距發(fā)電路設計簡單。缺點：誤差較大，需進行較詳細的誤差分析，角度不好測量方案二：三角形定位法：在同一個平面上，設置兩個固定的超聲波云臺，分別測量出主體到每個接收點的距離，經(jīng)過相關的計算就可以得到主體的位置坐標。在下面二維平面圖2-2中，選取一個直角坐標系，(-M,0),(M,0)的兩個位置設定接收點。其中圖2-2 平面三角形定位示意圖主體坐標(x，y)到設定的兩個接收點的

7、距離長度分別為L、L2，根據(jù)距離計算坐標(x，y)的方法原理如下:由圖2-1關系(gun x)可得 求解(qi ji)可得： 由此可實現(xiàn)(shxin)超聲波平面定位，就是可以求出主體的坐標（x,y）。優(yōu)點：兩個超聲波云臺測量，精準度較高，角度測量方便。較方案一合適。所以，最終采取方案二。3 模塊設計3.1整體設計示意整體設計示意圖如圖3-1所示液晶顯示128控制芯片超聲波收發(fā)模塊報警電路 圖3-1整體設計示意圖根據(jù)總體設計圖，可以設想根據(jù)超聲波發(fā)射與接收器模塊在工作時發(fā)射超聲波到接收反射回的回波后，并將發(fā)射超聲波與接收回波的狀態(tài)信號傳輸?shù)絾纹瑱C，再經(jīng)過單片機內部程序的處理，并將計算結果以數(shù)據(jù)的

8、形式由128芯片I/O接口傳輸?shù)絃CD液晶顯示屏并顯示出測量結果的數(shù)據(jù)，同時由軟件控制測量距離在某一臨界值時128芯片會向報警電路輸出報警信號，使報警電路正常工作。實現(xiàn)由128芯片實現(xiàn)對超聲波模塊的聲波發(fā)射和接收信號進行監(jiān)控，并將測量數(shù)據(jù)傳送至128芯片進行處理，并將結果由LCD顯示出來。3.2 超聲波模塊對于超聲波發(fā)射和接受部分要考慮其結構復雜，所以在設計時考慮設計的難易程度和在涉及做成實物時讓其簡化，所以在設計時我選擇用US-100超聲波收發(fā)模塊。以下是對超聲波模塊作出說明；該超聲波收發(fā)模塊(m kui)可自己產(chǎn)生40kHz的方波，并經(jīng)放大電路(dinl)驅動超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，發(fā)射

9、出去的超聲波經(jīng)障礙物反射后由超聲波接收探頭接收。經(jīng)接收電路的檢波放大，積分整形，在ECHO引腳上產(chǎn)生方波脈沖，該脈沖寬度與被測距離(jl)成線性關系。具體過程如圖3-2所示。 圖3-2 US-100超聲波收發(fā)模塊工作時序圖圖3-2表明：只需要在Trig/TX管腳輸入一個10us以上的高電平，系統(tǒng)便可發(fā)出8個40KHZ的超聲波脈沖，然后檢測回波信號，當檢測到回波信號后，模塊還要進行溫度值的測量，然后根據(jù)當前溫度對測距結果進行校正，將校正后的結果通過ECHO/RX管腳輸出。在此模式下，模塊將距離值轉化為340m/s時的時間值的2倍，通過Echo端輸出一個高電平，可根據(jù)此高電平的持續(xù)時間來計算距離值

10、。即距離值為：（高電平時間*340m/s）/2注：因為距離值已經(jīng)經(jīng)過溫度校正，此時無需再根據(jù)環(huán)境溫度對超聲波聲速進行校正，也就是不管溫度多少，聲速選擇340m/s即可。使用US-100超聲波收發(fā)模塊進行距離測量測量時，單片機只需要輸出觸發(fā)信號，并監(jiān)視回響引腳，通過定時器計算回響信號寬度，并換算成距離即可。該模塊簡化了發(fā)送和接收的模擬電路，工作穩(wěn)定可靠，其參數(shù)指標如表3-3所示。 圖3-3超聲波收發(fā)模塊應注意測量周期必須在60毫秒以上，防止發(fā)射信號對回響信號的影響。模塊共有兩個接口，即模式選擇跳線和5pin接口。模式選擇跳線接口設置為當安裝上短路帽時為UART（串口）模式，拔掉時為電平觸發(fā)模式。

11、3.3報警電路 圖3-5所示為LED報警電路。電路設計為低電平輸出時LED燈亮，高電平關閉。而且接在128芯片的A2腳上，當A2腳輸出低電平時，LED燈閃爍(shn shu)報警。 圖3-5報警(bo jng)電路3.4顯示(xinsh)電路圖3-412864顯示模塊1. GND 電源地2. VCC 電源正（35.5V）3. SCL 腳，在SPI 和IIC 通信中為時鐘管腳4. SDA 腳，在SPI 和IIC 通信中為數(shù)據(jù)管腳5. RES OLED 的RES#腳，用來復位（低電平復位）6. DC OLED 的D/C#E 腳，數(shù)據(jù)和命令控制管腳7. CS OLED 的CS#腳，也就是片選管腳4

12、設計程序及流程圖4.1軟件流程圖本設計軟件主程序流程圖如圖4-1所示，外部中斷子程序流程圖如圖4-2所示 圖4-1 主程序流程圖 圖4-2外部(wib)中斷子程序流程圖4-2.程序(chngx)/=MAIN()=/*主函數(shù)(hnsh)*/void main(void) int i=0; int succeedflag_L = 0,succeedflag_R = 0; double angle = 0; byte a = 0, b = 0; int X,Y; double LF, RF; double L_average, R_average; double cos,sin; SetBusCLK

13、_16M(); PitInit(); PWM_Init(); DDRB=0X00; DDRA=0XFF; DDRK=0XFF; LCD_Init(); TrigL=0; TrigR=0; PORTA_PA2 = 1; EnableInterrupts; LCD_Print(64,0,距左下角); LCD_Write_Num(64,2,dis_L,4); LCD_P6x8Str(88,2,mm); LCD_Print(64,3,距右下角); LCD_Write_Num(64,5,dis_R,4); LCD_P6x8Str(88,5,mm); LCD_Print(64,6,角度(jiod); LC

14、D_Write_Num(104,7,angle,2); /Draw_xy(1,1); LCD_Print(4,0,圖像(t xin)顯示); LCD_Print(11,3,有BUG!); LCD_Print(4,6,囧囧囧囧); while(1) while(1) if(succeedflag_L = 0) distance_L(); LF = dis_L; if(LF*sinnow(a) 640) & (LF*cosnow(a) 640) succeedflag_L = 1; PWMDTY01 = 800; else a+; pwm_changeL(a); Dly_ms(400); if(s

15、ucceedflag_R = 0) distance_R(); RF = dis_R; if(RF*sinnow(b) 640) & (RF*cosnow(b) 800) error_flag = 1; if(succeedflag_L = 1 & succeedflag_R = 1) break; if( a = 8)break; if( b = 8)break; if(succeedflag_L = 1 & succeedflag_R = 1) /計算(j sun)余弦值 cos = cosa(LF,RF); /計算(j sun)角度 angle = acos(cos); /sin = s

16、ina(angle); X = (int)(LF*cos); Y = (int)(64-(RF*sin); angle = (int)(angle/3.1415926) * 180); LCD_Write_Num(64,2,LF,4);/距左下角距離(jl)顯示 LCD_Write_Num(64,5,RF,4);/距右下角距離(jl)顯示 LCD_Write_Num(104,7,angle,2);/角度(jiod)顯示 /Dly_ms(100); /Draw_xy(X,Y); if(error_flag = 1) PORTA_PA2 = 0; LCD_P6x8Str(64,2,); LCD_P

17、6x8Str(64,5,); LCD_P6x8Str(104,7,-); Dly_ms(2000); PORTA_PA2 = 1; a = 0; b = 0; error_flag = 0; succeedflag_L = 0; succeedflag_R = 0; pwm_changeL(a); pwm_changeR(b); 5 測試結果及分析5.1 測試結果(ji gu)分析通過(tnggu)多次實驗，分別對各電路進行了測量、調試和分析。下表5-1是使用(shyng)本論文設計的測距儀所進行的實際測量的結果。表5-1 測距儀測試結果實際距離(cm)測量結果(cm)誤差20.019.05.

18、030.029.03.3340.039.02.550.051.02.060.060.0070.070.0090.089.01.11100.0100.00150.0148.01.33200.0198.01.0250.0254.01.6300.0305.01.67350.0358.02.3400.0408.02.0450.0458.01.78500.0510.02.0根據(jù)表格的資料我們知道, 在20厘米至150厘米的范圍內誤差相對很??；20厘米之內的范圍誤差相對較大，主要是超聲波在距離測量的過程中存在著一定范圍的盲區(qū),之所以有盲區(qū)的出現(xiàn)是因為發(fā)出信號務必有一個上升的時間, 當距離過近時計算機系統(tǒng)已

19、經(jīng)不可以迅速處理超聲波信號, 所以距離小于0.2米測量誤差明顯增加。3米以后的數(shù)據(jù)誤差會顯著增大, 這主要是因為發(fā)射的功率不夠大, 導致接收到的信號比較弱, 從而出現(xiàn)了部分干擾因素。但電路引入溫度補償電路后總的實驗結果誤差在厘米級，基本上可以滿足測量要求。5.2 測試結果誤差分析根據(jù)超聲波測距儀的原理，我們可以知道測量誤差的來源主要有：驅動發(fā)射和開始啟動計時之間的偏差；接收到超聲波到波被檢測出的滯后；接收到中斷信號至中斷響應后中止計時的滯后偏差；計時器自身的誤差；溫度對聲波速度的影響。上述五個因素都會引起測量誤差，現(xiàn)在詳細分析這些誤差：誤差一是由于128芯片每一次都只能處理一次事件，所以開始發(fā)

20、射和計時按時間順序完成，有一定的時間差，但命令的速度是否足夠快，偏差是可以忽略不計的。誤差二產(chǎn)生的原因是由于檢測電路靈敏程度和判斷誤差。實際的超聲接收電路相對確定的輸出信號會有一定的滯后性，被接收到的超聲波的信號強弱、超聲波被檢測電路的原理和判斷電路接收靈敏度將影響滯后，這也是超聲波測距的關鍵。靈敏度如果過高，會把其他干擾波當作是需要接收的波形，將會導致測量出現(xiàn)差錯；靈敏度如果太低，將會限制了檢測距離，因為信號衰減與距離的有很大的關聯(lián)。這項誤差是導致數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的主要來源。誤差三產(chǎn)生(chnshng)的原因是由于128芯片(xn pin)中斷系統(tǒng)接到中斷的信號之后，不能夠立刻響應，起碼要完成好當前的指令，有時還需要其它中斷服務結束才能(cinng)響應，所以這各滯后的時間也是不能準備獲取的，故會引起測量的結果產(chǎn)生一定的誤差。這種誤差我們可以使用加快128芯片的運行速度和利用高優(yōu)先級中斷弱化之。誤差四來源于計時器的本身。為減小此誤差可以通過提高計時的最小單位，減少量化誤差，也要選擇質量好的晶體。最后一項誤差是源于環(huán)境的影響。