超声波定位系统

课程设计作品：超声波测距定位实验仪一设计系统的目的用途及其主要功能：超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点，所以，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的一种，它广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。

目前一般都采用波在介质传播速度和时间关系进行测量。

常用的技术主要有激光测距、微波雷达测距超声波测距三种。

激光测距。

这是利用激光的单色性和相传播速度V易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响，其中干性好、方向性强等特点，以实现高精度的计量和检测，如量长度、距离、速度、角度等等。

手持式和便携式测距仪，作用距离为数百米至数十千米。

一般应用到远距离测量。

微波雷达测距是利用目标对电磁波反射来发现目标并测定其位置。

根据微波雷达的用途不同，所测定的目标可能是飞机、导弹、车辆、建筑物、云雨等。

微波测距一般应用于雷达系统，GPS定位系统。

超声波测距就是利用其反射特性，超声波发生器不断地发射出40kHz 超声波遇到障碍物后反射回反射波，超声波接收器接收到发射波信号，并将其转换为电信号。

相比于其它定位技术超声波定位技术成本低，制作容易，非常适合于短距离测量定位。

本课程设计利用超声波发射与接收装置，实现超声波的测距功能，从而实现物体定位。

利用该设计，可以实现盲人导航系统的研究与应用，实现障碍物的定位测量等。

二硬件设计思想和电原理图1、超声波发生器为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。

总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。

电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。

它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。

目前较为常用的是压电式超声波发生器。

2、压电式超声波发生器原理压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。

它有两个压电晶片和一个共振板。

当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。

反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。

3、超声波测距原理超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

超声波在空气中的传播速度为v，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=v*t/2 。

这就是所谓的时间差测距法。

本测距仪便是利用了超声波传感器的这种特性，利用其发生超声波。

如上图，当遇到障碍物，超声波被反射进入超声波传感器，并产生电信号。

经过单片机处理，得出传播时间t ，利用公式s=v*t/2便得出测距仪与障碍物之间的距离s 。

其中，v的取值在温度变化不大时可取344m/s 。

本测距仪便是利用了超声波传感器的这种特性，利用其发生超声波。

如上图，当遇到障碍物，超声波被反射进入超声波传感器，并产生电信号。

经过单片机处理，得出传播时间t ，利用公式s=v*t/2便得出测距仪与障碍物之间的距离s 。

其中，v的取值在温度变化不大时可取344m/s 。

5. 硬件设计硬件设计分为三个部分: 发射回路、接收回路、七段数码管显示系统。

主要硬件单元的功能：1) 发射回路:发射回路的主要设计思想是将单片机端口输出的40KHz的方波经过反相器(所用芯片为六缓冲反相器CD4049)波形整理后，加在超声波转换器两端使其发射40KHz超声波。

同时这里的反相器还可以提高电路的驱动能力，保证超声波发射探头的输出功率，并且Vcc=5V。

单片机OC1端输出的40kHz方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极。

另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。

用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端。

可以提高超声波的发射强度。

输出端采用两个反向器并联。

用以提高驱动能力。

上拉电阻R1、R2一方面可以提高反向器输出高电平的驱动能力。

另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。

2）接收回路：接收回路的主题设计思想是将超声波探头接收到的信号进行滤波放大后输入单片机，实验电路图如下所示。

3）七段数码管显示电路如下：4）整合后的总电路图如下所示：三、软件设计思想及软件流程：程序头：//ICC-A VR application builder : 2009-6-16 19:41:00// Target : M16// Crystal: 4.0000Mhz#include <stdio.h>#include <math.h>#include <mega16.h>#include <iom16v.h>#include <macros.h>unsigned icp;flash unsigned char led_7[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};//（修改显示值）flash unsigned char position[2]={0x02,0x01} ;unsigned int dis_buff[2];初始化：void port_init(void){PORTA = 0x00;DDRA = 0xFF;PORTB = 0x00;DDRB = 0x08;PORTC = 0xFF; //m103 output onlyDDRC = 0x00;PORTD = 0x00;DDRD = 0x00;}void init_devices(void){//stop errant interrupts until set upCLI(); //disable all interruptsport_init();MCUCR = 0x00;GICR = 0x00;TIMSK = 0x00; //timer interrupt sourcesSEI(); //re-enable interrupts//all peripherals are now initialized}数码管显示：void display(void){unsigned char i;for (i=0;i<=1;i++){PORTA=led_7[dis_buff[i]];PORTC=position[i];}}测得距离值送显示缓冲区函数：void disbuf(long v){unsigned char i;for (i=0;1<=1;i++){dis_buff[i]=v%10;v/=10;}}中断服务程序：//TIMER2比较匹配中断服务，4ms定时#pragma interrupt_handler timer2_comp_isr:iv_TIM2_COMPvoid timer2_comp_isr(void){//compare occured TCNT2=OCR2display();}//timer1输入捕捉中断服务#pragma interrupt_handler timer1_capt_isr:iv_TIM1_CAPTvoid timer1_capt_isr(void){icp=ICR1;}主函数：void main (void){unsigned int icp;long s;DDRA=0xff;DDRB=0x08;//(可能有问题)PORTC=0xFF;DDRC=0x00;DDRD=0x00;//T/C2初始化TCCR2=0x0C; //内部时钟，64分频（4mhz/64=62.5khz）,ctc模式OCR2=0x09; //ocr2=oxf9(249),(249+1)/(62.5khz)=4ms//T/C1初始化TCCR1B=0x41;//T/C1正常计数方式，上升沿触发输入捕捉，1/4mhz计数时钟TIMSK= 0xA4; 使能t/c2比较匹配中断，使能t/c1输入捕捉中断//T/C0初始化OCR0=0x19; //设置频率为40khzTCCR0=0x19; //设置t/c0为ctc模式while(1){s=(1/4000000)*icp;disbuf(s);}}四、系统测试过程及测试数据及其分析：测试地点：物理楼二楼创新实验室测试结果：发射电路运转正常，用示波器测得频率为40kHz，波形稳定。

数码管显示正常。

接收电路出现问题，可能原因：接收器出现故障，电路设计有误，CX10206不适宜用于该电路。

五、设计所需全部资源：ATMEGA16L芯片1个，CX20106芯片1个，CD4049芯片2个，超声波接收器与发射器各1个，电容（3.3μF 2个、1μF1个、330PF1个）电阻9个，（其中1KΩ2个，10Ω2个，10kΩ1个，200KΩ1个，220KΩ1个，330Ω2个) 6个。

六、成员分工和工作情况：连建辉：负责软件设计与程序设计，测试及调试；张凯奋：负责焊接，购买材料及系统调试；林星程：负责硬件设计，电路图绘制及论文修改；胡勇：负责论文写作。