2014年机械专业超声波定位系统设计示范论文

论文题目 超声波定位系统设计 系 别 工程学院 专 业 机械自动化 年 级 2010 级 学 号 学生姓名 指导教师 完成时间 2014 年 5 月XX 学院教务处制毕 业 论 文XX 学院本科生毕业设计（论文）声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计（论文）是本人在 XX 学院学习期间， 在指导教师指导下独立完成，内容真实可靠，无抄袭、剽窃等学术道德不端行为，除文中已经注明引用的内容外，本文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。同时，本人完全了解并愿意遵守 XX 学院有关保存、使用毕业论文（设计）的规定，其中包括：1.学院有权保管并向有关部门递交毕业设计（论文）的原件、复印件和电子文件。2.学院可以采用影印、缩印、电子文件或其他复制方式保存毕业设计（论文） 。3.学院可以以学术交流为目的，赠送和交换毕业设计（论文） 。4.学院可以允许毕业设计（论文）被查阅或借阅。5.学院可以按著作权法的规定公布毕业设计（论文）的部分内容或全部内容 保密毕业设计（论文）在解密后遵守此规定。6.除另有科研合同或其他法律文书制约，本文的科研成果属于 XX 学院。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：日期： 年 月 日超 声 波 定 位 系 统 设 计作者：XXX中文摘要我们根据超声波的特性来研发制成超声波传感器，机械振动频率比声波高的波，我们称之为超声波。超声波的频率比较高，其次波长短和绕射现象不明显，而且具有方向性好，能量消耗缓慢，能长距离传播等优点。当今社会，在传感器以及自动控制测距离的方案中，超声波测距是被最广泛应用的一个方案，它被使用于以下的实际操作中，例如，水位的测量，建筑工地测距这些场合。本论文讨论了超声波的定位系统以及相应的算法，还比较全面地描述了超声波传感器的原理以及特性。基于超声波测距原理的分析，提出了超声波测距系统的设计过程和需要注意的问题。以STC12C5A60S2 单片机为核心，我们设计好的超声波测距仪以及硬件电路有很多优势，它的精度高、低成本以及数字显示的使用微型。这个系统的电路的设置和布局较合理，工作性能和稳定性好，计算简单，实时控制是比较容易做到的，更重要的是，测量精度满足了工业实际的要求。关键词：超声波定位算法；超声波传感器；超声波测距；误差分析AbstractWe develop he ultrasonic sensor by ultrasonic characteristics, the frequency of mechanical vibration is high than acoustic waves, we call it ultrasonic. High Ultrasonic frequency, then the shorter wavelengths and diffraction phenomenon is not obvious, but it also has such advantages such as good orientation, slow energy consumption and long distance communication. A ranging sensor and automatic control scheme, ultrasonic ranging is well known as one of the most popular schemes, it is used in the practical application of the following, for example, water level measurement, the construction site location. This paper discusses the ultrasonic location system and the corresponding algorithm and describes the principle and characteristics of ultrasonic sensor. the rule of ultrasonic distance research is based on the analysis , we put forward the process of ultrasonic ranging system and we should pay attention to the problems. We know STC12C5A60S2 microcontroller is the core of ultrasonic range finder and the hardware circuit, its precision is high, cost is low and the use of micro digital display. Setting and layout of this circuit system is reasonable, good work and stability, simple calculation, and relatively easy to do with real-time control, more importantly, the measurement accuracy can meet the actual needs of industry.Keywords : Ultrasonic positioning algorithm ; Ultrasonic sensors ; Ultrasonic Ranging ; The error analysis1目 录1 绪论 .31.1 超声波定位的研究背景与现状 .31.1.1 超声波定位系统概述 .31.1.2 超声波定位系统的研究与实现方法 .31.2 本论文的研究意义 .32 超声波定位系统原理 .32.1 超声波平面定位系统原理 .32.2 超声波空间定位系统原理 .32.3 超声波定位系统的组成 .33 超声波传感器 .33.1 超声波传感器及其分类 .33.2 超声波传感器原理 .33.3 超声波的特性 .33.4 超声波传感器的检测方式 .33.5 超声波传感器系统构成 .34 超声波测距仪的设计 .34.1 超声波测距原理 .34.2 超声波测距系统的电路设计 .34.2.1 总体方案设计 .34.2.2 发射电路的设计 .34.2.3 接收电路设计 .34.2.4 LCD显示模块设计 .35 测试结果及分析 .35.1 测试结果分析 .35.2 测试结果误差分析 .3结论 .3参考文献后记附录 A.III11 绪论1.1 超声波定位的研究背景与现状1.1.1 超声波定位系统概述无线电定位系统获得了广泛的应用。无线电定位的基本原理是通过接收已被固定的几个位置的无线电波，得出主体分别到这几个发射点的长度距离，根据一定的计算方法，算出主体的位置。当前超声波测距技术应用已经比较成熟，但是对超声波定位系统的研究探讨才在刚起步的阶段。超声波定位的原理和无线电定位原理有比较相似，区别是超声波其在空气传播过程中的衰减很大，其仅能在较小的空间范围适用。在实际中，超声波测距系统在短距离测量中得到了应用，其精度在厘米级，如在没有人的车间的场所运动物体定位的选择等使用超声波定位系统比较好。超声波之所以具有其推广的前景，是因为它的装置价格比较低而且比较简单，经济兼实用，并且工作稳定。本论文探讨超声波定位系统是在超声波测距的基础上，超声波传感器是核心对象。我们知道传感器技术是现代信息技术中比较关键的内容之一。计算机、通信技术和传感器技术组成了信息技术，如果把信息技术比拟成人，那么相当于“人类的大脑”的是 计算机技术， “人类的神经”的就是通信技术， “人的感觉器官”就是传感器技术。传感器可以分为温度、光电、超声波、红外、压力和湿度传感器等类型，在这些传感器当中，超声波传感器被广泛地使用在测距方面。单片机控制的超声波检测方法与其他方法相比，它具有检测速度快，计算方便，便于实时控制等优点，其测量精度往往较高。1.1.2 超声波定位系统的研究与实现方法为了研究超声波定位系统，我们要从研究超声波的测距方法开始，之后由距离和提供的计算方法来求出待被定位的物体的位置坐标，我们知道超声波测距主要有以下两种实现方法：第一是反射式测距法：这种测距法就是超声波发射器发射超声波，然后发射的超声波被待测物反射从而产生回波被接收探头接收 ,我们依据回波和发射波之间的时间隔则就可以求出待测物与发射器之间的长度距离。其原理图如图 1-1 所示图 1-1 采用回波测距法的原理图2超声波发射器在空气中向任一目标位置发射超声波，发射超声波的同一时刻马上进行计时，超声波在空气传递过程当中如果遇到障碍物就会即刻返回，一旦超声波接收器获取到反射信号则就会马上中止计时。超声波处于空气中传播的速率约为 340 米每秒，并读出计时器所获得的时间 t，基于计算公式就能够求出发射点与障碍物之间的长度距离 s，也就是：s=340t/2。这就是所被人们称为时间差测距法。第二是单向测距法(空中超声波定位系统)：如图 1-2 所示：图 1-2 采用单向测距法的原理图应答器与主测距器组成单向测距法的系统。我们把主测距器放在待测的物体上,计算机控制信号之后，同时向被固定的不同的应答器发射相同频率的无线电信号，接收无线电信号后，应答器立即向主测距器的方向发射超声波信号，我们就可以获得主测距器和每个固定应答器的长度距离。图 1-3 为信号接收时间延迟原理图。图 1-3 超声波测距时间原理图两点测距能通过单向测距法实现，当同一时间有三个或多于三个的不在同一直线上的应答器都有作回应时,我们就能按照计算方法计算出被测物体所在的位置。在测量距离相同的情况下,空气对超声波的吸收，在反射式测距法中比单向测距法中大,所以单向式测距范围比反射式测距范围大。如果可以测量两点之间的距离，则可以依据一定的算法就可以得到待测物体的位置坐标，从而实现目标位置的定位。1.2 本论文的研究意义超声波测距虽然在世界上已得到广泛应用，但是超声波定位系统还没有得到推广。现在很多室内空间定位采用的定位方法是红外线定位 115-17。红外线是电磁波，难以用于场地定位。超声波传感器与红外线传感器相比较，其具有以下优点：例如低廉的价格、硬件组合容易实现等，所以其被普遍地使用于测距、定位以及环境的探测等方面。超声波定位系统因为其成本比较低，而且其精度比较高，因此我认为其在市场上比较具有推广性。如果物体在局部区域空间比较小的地方运动，其空间的定位使用超声波定位系统比较好。超声波定位系统不仅可靠性好，精度也较高。超声波定位系统可以用于娱乐游戏、安防等部门。32 超声波定位系统原理2.1 超声波平面定位系统原理方案一：三角形定位法：在同一个平面上，设置两个固定的超声波接收装置，发射装置设立在主体上。分别测量出主体到每个接收点的距离，经过相关的计算就可以得到主体的位置坐标。在下面二维平面图 2-1 示中，选取一个直角坐标系，(-M,0),(M,0)的两个位置设定接收点。其中图 2-1 平面三角形定位示意图主体坐标(x，y)到设定的两个接收点的距离长度分别为 L、 L2，根据距离计算坐标(x，y)的方法原理如下:由图 2-1 关系可得(2-1)求解可得：(2-2)由此可实现超声波平面定位，就是可以求出主体的坐标（x,y） 。方案二：采用回波法定位的定位系统，对周围物体进行定位，超声波的测距仪器固定在一个已知点上，以这个点为原点建立坐标系，对周围的物体进行测距，然后测出偏转角度，便可对周围物体进行定位，图 2-2 所示讨论平面上的定位：4图 2-2 采用回波法的超声波测距仪如图 2-2 示，O 点为超声波发射与接收测距的原点，和一个测量角度的仪器规定一个以 O 点为原点的直角坐标系，然后对待测物体进行扫射，若考虑到超声波当第一次接收到信号时记住一个角度 Q 和距离 M 然后继续扫射当信号瞬间没有时停止记录另一个角度 W 和距离 N，两个角度求平均值 和距离 L ,便可根据三角函数计算出 A 点的坐标：x=Lcos （2-3）y=Lsin （2-4）O 点的位置可以用 GPS 来进行定位，把 O 点周围的物体进行测量之后，各个物体进行了定位，用计算机便可行对周围的物体进行详细计算，对周围环境形成图像，对其本身进行定位。优点：系统设计非常简单，操作简便，采用回波测距发电路设计简单。缺点：误差较大，需进行较详细的误差分析。2.2 超声波空间定位系统原理方案一: 在三个相互垂直的墙壁面，反射测距系统安装在主体中，该系统可以测量三个墙壁面与主体之间的长度。如果以三面互相垂直墙壁的交点作为为原点建立如下直角坐标系,则就可以得到主体的三个直角坐标如图 2-3 所示。图 2-3 利用三面垂直的墙壁进行定位此方案在实际应用中会受到多种因素的限制。第一方面,超声波传感器务必需要和墙面基本保持垂直。另一方面，墙体表面应光滑，不得有不均匀的