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

題 目 超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 31第頁(yè)1. 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，比較完善的定位技術(shù)目前還無法很好地利用。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)： Wi-Fi定位是無線局域網(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線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)總精度高。但無論是用于室內(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，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(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，所以本文選擇超聲波來進(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)硬件部分的電路設(shè)計(jì)，并討論了主要元件的參數(shù)設(shè)置，通過實(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)中都用到了無線電技術(shù)，并且都對(duì)無線電信號(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MSP430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，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，超出了人耳聽覺的上限（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 。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)的降低使原來溶于液體的氣體過飽和，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”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)超聲處理后產(chǎn)生過氧化氫；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、分解和聚合過程。超聲波對(duì)光化學(xué)和電化學(xué)過程也有明顯影響。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)生聲弛豫過程，聲弛豫過程伴隨著能量在分子各自電度間的輸運(yùn)過程，并在宏觀上表現(xiàn)出對(duì)聲波的吸收。通過物質(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，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)施起來存在一定的困難，所以本文選用到達(dá)時(shí)間測(cè)量法來實(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）： 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。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)過測(cè)試，在此工作條件下，F(xiàn)04E模塊的發(fā)射半徑超過了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、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則主要起平滑濾波作用。3）比較電路：由于整流過后信號(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)，待超聲波信號(hào)發(fā)射完成后，它們?cè)俜謩e延時(shí)2s、2s、1s后開射頻接收中斷。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)4.1 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)來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的同步，同時(shí)打開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)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)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_VECTOR_interrupt void Port_2(void) switch(flag) case 2: /收到2號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)來的超聲波信號(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)來的超聲波信號(hào) TACTL &=0XFFCF; t4=TAR; TACTL =TASSEL_1+MC_1; flag=2; Calculate(); /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)算過程的程序如下：/對(duì)測(cè)得的時(shí)間值做線性擬合之后來消除因時(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*(0.8296*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：TACTL = 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（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)過測(cè)試證明，在室內(nèi)情況下，射頻信號(hào)的射程超過5米，在此范圍內(nèi)，信號(hào)幅度基本沒有衰減，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)四3108631130311833123731292313203135431362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）（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）