超聲波室內定位系統設計與實現

1、分類號 密級 u d c 編號 本科畢業(yè)論文（設計）題 目 超聲波室內定位系統設計與實現 院 （系） 專 業(yè) 年 級 學生姓名 學 號 指導教師 35第頁學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學位論文是本人在導師指導下獨立進行研究工作所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。學位論文作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保障、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向有關學位論文管理部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權

2、省級優(yōu)秀學士學位論文評選機構將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。本學位論文屬于1、保密 ，在_年解密后適用本授權書。2、不保密 。學位論文作者簽名： 日期： 年 月 日導師簽名： 日期： 年 月 日目 錄內容摘要1關鍵詞1abstract1key words11.緒論21.1選題的背景和研究意義21.2選題的研究現狀31.3本文的研究工作41.4本文結構52.超聲波定位系統原理52.1 超聲波與超聲波傳感器52.2 超聲波的定位原理83.系統硬件設計103.1 系統空間分布圖103.2 移動節(jié)點103.3 固定節(jié)點134.

3、系統軟件設計144.1 系統總體軟件流程144.2 移動節(jié)點軟件流程174.3 固定節(jié)點軟件流程205. 實驗分析215.1 射頻發(fā)射距離測試215.2 超聲波發(fā)射距離測試225.3系統整體測試246. 結果與展望256.1 系統實物圖256.2 小結與展望27參考文獻29致 謝30內容摘要隨著超聲波測距精度的不斷提高，超聲波定位技術也發(fā)展得日趨成熟，并且在工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)學、食品加工等各個領域得到了廣泛的應用。通過對比幾種常用的超聲波測距方法，融合射頻技術和超聲波技術，設計并實現了一種新的超聲波室內定位系統。系統以超低功耗的msp430單片機作為主控芯片，由三個懸掛在空中固定位置處的節(jié)點和一個

4、在地面二維直角坐標系中移動的節(jié)點組成。文章介紹了系統的基本定位原理和整體設計思路，詳細闡述了系統的硬件設計方法，分析了系統各部分的軟件流程并給出了主要程序。最后，通過實際實驗測試并對測試結果進行分析，得到了系統各個模塊的性能指標和整體定位精度，并且提供了各部分的實物圖。關鍵詞：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

5、 more 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 ultr

6、asonic 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

7、basic 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 indi

8、cators 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據業(yè)務和多媒體業(yè)務的快速增加，人們對定位與導航的需求日益增大，尤其在復雜的室內環(huán)境，如機場大廳、展廳、倉庫、超市、圖書館、地下停車場、礦井等環(huán)境中，常常需要確定各種設施與物品在室內的位置信息。但是受定位時間、定位精度以及復雜室內環(huán)境等條件的限制，比較

9、完善的定位技術目前還無法很好地利用。因此，專家學者提出了許多室內定位技術解決方案，如gps技術、紅外線技術、藍牙技術、射頻識別技術、超寬帶技術、wi-fi技術、zigbee技術、超聲波技術等等。gps技術：gps是目前應用最為廣泛的定位技術，利用gps進行定位的優(yōu)勢是衛(wèi)星有效覆蓋范圍大，且定位導航信號免費。缺點是定位信號到達地面時較弱，不能穿透建筑物，而且定位器終端的成本較高。 紅外線技術：紅外線定位技術雖然具有相對較高的室內定位精度，但是只能在直線視距內傳播、傳輸距離較短，而且容易被熒光燈或者房間內的燈光干擾，在精確定位上有局限性。藍牙技術：藍牙技術最大的優(yōu)點是設備體積小、易于集成在 pda

10、、pc以及手機中，采用該技術作室內短距離定位時容易發(fā)現設備且信號傳輸不受視距的影響。其不足在于藍牙器件和設備的價格比較昂貴，而且對于復雜的空間環(huán)境，藍牙系統的穩(wěn)定性稍差，受噪聲信號干擾大。射頻識別技術：射頻識別技術可以在幾毫秒內得到厘米級定位精度的信息，且傳輸范圍很大，體積較小、成本較低，同時由于其非接觸和非視距等優(yōu)點，可望成為優(yōu)選的室內定位技術。然而，由于射頻標識的作用距離近，不具有通信能力，而且不便于整合到其他系統之中，因此這種定位技術也存在一定局限性。超寬帶技術：超寬帶系統與傳統的窄帶系統相比，具有穿透力強、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統復雜度低、能提供精確定位等優(yōu)點。wi-fi技

11、術： wi-fi定位是無線局域網絡系列標準之ieee802.11的一種定位解決方案。該系統采用經驗測試和信號傳播模型相結合的方式，易于安裝，需要很少基站，能采用相同的底層無線網絡結構，系統總精度高。但無論是用于室內還是室外定位，wi-fi收發(fā)器都只能覆蓋半徑90米以內的區(qū)域，而且很容易受到其他信號的干擾，從而影響其精度，定位器的能耗也較高。 zigbee技術：zigbee是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術，它介于射頻識別和藍牙之間，也可以用于室內定位。它有自己的無線電標準，在數千個微小的傳感器之間相互協調通信以實現定位。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據從一個傳感器

12、傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高，其最顯著的技術特點是它的低功耗和低成本。超聲波技術：超聲波在對障礙物進行定位方面具有以下突出的優(yōu)點：（1）超聲波對色彩、光照度不敏感，可用于識別透明及漫反射性差的物體(如玻璃、拋光體)；（2）對外界光線和電磁場不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強、有毒等惡劣環(huán)境中；（3）超聲波傳感器結構簡單，體積小，費用低，信息處理簡單可靠，易于小型化和集成化。目前，各種超聲檢測技術己越來越引起人們的重視，被廣泛應用在液位測量、機械手控制、車輛自動導航、物體識別等方面。與其他定位技術相比，超聲波能滿足較高精度定位的要求，而且設備簡單，成本低，在實驗室實現容易

13、，所以本文選擇超聲波來進行定位。1.2 選題的研究現狀蘇州大學工學院的王富東通過分析比較超聲波與射頻的區(qū)別，設計出了一種空間模型的超聲波定位系統1。系統的移動節(jié)點由微處理機電路、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，他還利用此系統原理設計出了對一種在無人車間工作的自動運輸小車的定位方案。西安交通大學電信學院的雷鳴靂、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，針對在環(huán)境已知的室內移動機器人的定位問題，提出了一種新的定位方法基于偽碼相關技術的超聲波無線電定位法2。他們不僅介紹了這種定位系統的原理和設計方案，而且詳細闡述了系統硬件

14、部分的電路設計，并討論了主要元件的參數設置，通過實驗表明，該方法提高了定位的準確性，擴大了有效定位范圍。華中科技大學國家水電能源仿真實驗室的楊敏華、李利軍、李朝暉結合powerwal立體投影顯示設備和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的原理與設計，及該系統在虛擬現實系統中的應用，提供了一種虛擬現實系統中的精確定位方式3。該超聲波三維空間定位系統采用了差分方式來提高測距精度。由于該系統具有抗電磁干擾能力強、對光線不敏感和無電磁輻射等優(yōu)點，很適合在虛擬現實系統應用。系統將實時檢測到的數據通過網絡傳輸到sgi octane工作站，避免了地域空間的限制，因此此系

15、統在虛擬現實系統中具有重大意義和廣泛應用前景。日本獨立行政法人港口及機場研究所建設與控制系統部門的kshira、j.akizono和t.hirabayashi，利用3個gps天線和4個超聲波接收機配合一個超聲波發(fā)射器，研制出了誤差在10cm以內的水下超聲波定位系統4，整個系統的設計充分考慮到各個方面的因素對系統誤差的影響，對傳播時間的測量和聲速的校正做了較嚴密的工作，并與傳統的定位方法進行了對比，體現出了他們所研制的系統的優(yōu)越性。j.m. villadangos， j. urefia等人設計出了大覆蓋范圍的超聲波定位系統ulps。為了保證實現室內的三維定位，他們在每個圓柱形的超聲波發(fā)射頭上連接

16、了一個圓錐形的反射換能器5。此外，為了實現系統的同步，他們采用了ds-cdma技術，用255比特的kasami碼來對超聲波信號進行編碼。實驗結果表明，整個系統能夠在室內的三維范圍內實現很好的定位。1.3 本文的研究工作基于以上研究工作，本文提出了一種結合射頻技術和超聲波技術的室內定位方法，此設計方法與王富東及雷鳴靂等的設計思想有類似之處，但是，他們所設計的系統中都用到了無線電技術，并且都對無線電信號進行了編碼，系統存在一定的復雜性，而本文所描述的系統無需對射頻信號進行編碼，簡化了軟硬件的設計過程，并且達到了一定的定位精度。此外，以超低功耗的msp430單片機作為主控芯片是本系統設計的一大特色，

17、由于msp430單片機有五種低功耗模式，為系統的節(jié)能設計提供了保障。本系統的設計由我與潘麗同學共同完成，我們共同探討了系統硬件電路的設計思路和軟件執(zhí)行流程，在整個系統的設計過程中，潘麗同學主要負責硬件電路的焊接與調試，而我則主要負責軟件編程與調試。在我們的共同努力下，最終設計并實現了此系統，達到了預期的工作目標。1.4 本文結構本文主要闡述了基于msp430單片機的超聲波室內定位系統的設計與實現，第一章是緒論，主要對超聲波定位的背景、研究意義、發(fā)展現狀以及本文的研究工作等內容作了簡要介紹；第二章介紹超聲波定位系統的原理，主要介紹了超聲波、超聲波傳感器以及超聲波的定位原理；第三章介紹系統的硬件設

18、計方法，對各部分的電路作出了詳細介紹；第四章介紹系統的軟件設計，給出了各個部分的軟件流程圖，對軟件執(zhí)行過程進行了詳細介紹，并且給出了主要程序；第五章是對系統的實驗測試以及結果分析；第六章是對全文的小結與展望。2. 超聲波定位系統原理2.1 超聲波與超聲波傳感器2.1.1 超聲波簡介聲波是屬于聲音的類別之一，屬于機械波。聲波是指人耳能感受到的一種縱波，是物體機械振動狀態(tài)（或能量）的傳播形式，其頻率范圍為16hz-20khz。超聲波是指振動頻率大于20khz以上的聲波,其每秒的振動次數（頻率）甚高，超出了人耳聽覺的上限（20khz）。超聲和可聞聲本質上是一致的，它們的共同點都是一種機械振動，通常以

19、縱波的方式在彈性介質內會傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點是超聲頻率高，波長短，在一定距離內沿直線傳播具有良好的束射性和方向性。當超聲波在介質中傳播時，由于超聲波與介質的相互作用，使介質發(fā)生物理的和化學的變化，從而產生一系列力學的、熱學的、電磁學的和化學的超聲效應，包括以下4種效應：1）機械效應。超聲波的機械作用可促成液體的乳化、凝膠的液化和固體的分散。當超聲波在流體介質中形成駐波時,懸浮在流體中的微小顆粒因受機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，由于超聲波的機械作用會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可產生大量小

20、氣泡 。一個原因是液體內局部出現拉應力而形成負壓，壓強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。另一原因是強大的拉應力把液體“撕開”成一空洞，稱為空化?？斩磧葹橐后w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隨周圍介質的振動而不斷運動、長大或突然破滅。破滅時周圍液體突然沖入氣泡而產生高溫、高壓，同時產生激波。與空化作用相伴隨的內摩擦可形成電荷，并在氣泡內因放電而產生發(fā)光現象。在液體中進行超聲處理的技術大多與空化作用有關。3）熱效應。由于超聲波頻率高，能量大，被介質吸收時能產生顯著的熱效應。4）化學效應。超聲波的作用可促使發(fā)生或加速某些化學反應。例如純的

21、蒸餾水經超聲處理后產生過氧化氫；溶有氮氣的水經超聲處理后產生亞硝酸；染料的水溶液經超聲處理后會變色或退色。這些現象的發(fā)生總與空化作用相伴隨。超聲波還可加速許多化學物質的水解、分解和聚合過程。超聲波對光化學和電化學過程也有明顯影響。各種氨基酸和其他有機物質的水溶液經超聲處理后，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構發(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、固熔體等介質中有效傳播。2） 超聲波可傳遞很強的能量。3） 超聲波會產生反射、干涉、疊加和共振現象。4） 超聲波在液體介質中傳播時，可在界面上產生強烈的沖擊和空化現象。 基于超聲波的這些特點，超

22、聲效應已廣泛用于實際，主要有如下幾方面：1）超聲檢驗。超聲波的波長比一般聲波要短，具有較好的方向性，而且能透過不透明物質，這一特性已被廣泛用于超聲波探傷、測厚、測距、遙控和超聲成像技術。2）超聲處理。利用超聲的機械作用、空化作用、熱效應和化學效應，可進行超聲焊接、鉆孔、固體的粉碎、乳化 、脫氣、除塵、去鍋垢、清洗、滅菌、促進化學反應和進行生物學研究等，在工礦業(yè)、農業(yè)、醫(yī)療等各個部門獲得了廣泛應用。3）基礎研究。超聲波作用于介質后，在介質中產生聲弛豫過程，聲弛豫過程伴隨著能量在分子各自電度間的輸運過程，并在宏觀上表現出對聲波的吸收。通過物質對超聲的吸收規(guī)律可探索物質的特性和結構，這方面的研究構成

23、了分子聲學這一聲學分支。2.1.2 超聲波傳感器及其特性超聲波傳感器是實現聲電轉換的裝置，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將交變的電信號轉換成聲信號或者將外界聲場中的聲信號轉換為電信號的能量轉換器件。超聲波探頭有許多不同的結構，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（一個探頭反射、一個探頭接收）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，因此每個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標包括： 1）工作頻率。

24、工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，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，可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。 3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數大，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稱頻率為中心(波形的最高點)向兩邊逐漸降低。為此，發(fā)射超聲波時要充分考慮到

25、偏離中心頻率。在發(fā)射器的中心頻率處，發(fā)射器所產生的超聲波最強，也就是超聲波聲壓能級最高；而在中心頻率兩側，聲壓能級迅速降低。因此，在使用中，一定要用接近中心頻率的交流電壓來驅動超聲波發(fā)生器。本文中使用的超聲波傳感器型號為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 常用超聲波測距方法在超聲波定位系統中，測距精度的高低對系統性能的好壞起著至關重要的作用，因此，測距方法的選取往往是決定系統性能指標的關鍵。目前常用的超聲波定位方法主要有以下三種：包絡檢測法、回波檢測法和到達時間測量法。1）包絡檢測法：包絡檢測法是將接收到的回波信號做成包絡線

26、，將接收回波的包絡線大于門限值的時間確定為回波到達的時間6。但是這種方法有一個原理上的滯后，并且在信噪比較小的情況下，誤差就會比較大。一般情況下，可以利用自適應包絡檢測方法來改善這種方法。2）回波檢測法：把超聲波短脈沖發(fā)送至被測物體, 當聲波自物體的非連續(xù)性結構或邊界返回時, 獲取其回波波形7。當波觸及物體前壁面時, 有幾個振蕩周期的窄帶隨機波產生, 稱為始波, 與此同時, 還有一部分超聲波滲入被測物體, 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缺點2：測距精度較低：超聲波測距儀工作

27、于單脈沖方式，測距精度主要取決于回波信號的信噪比，在信噪比一定的情況下，通過增加前置運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衰減較大，因而當待測距離較大時，超聲波測距儀接收到的超聲波回波信號非常弱，且信噪比很差，這就使得超聲波測距儀的有效作用距離較短。3）到達時間測量法：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，遇到障礙物就會被反彈回來，被接收傳感器感應到，記錄從發(fā)射超聲波到接收到超聲波的這段時間t，則根據式(2.1)可以計算出超聲波的發(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

28、聲波定位原理由于包絡檢測法和回波檢測法存在其固有缺點，而且實施起來存在一定的困難，所以本文選用到達時間測量法來實現測距。為了消除接收信號中回波的影響，本文利用聲速相對光速慢的特點，設計出了一種新的到達時間測量法：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，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間，從a端發(fā)射射頻開始計時，到a端收到超聲波信號為止，記錄這段時間，則可以用式（2.2）來計算a端與b端的距離（其中v為聲速，因為本系統測試時溫度基本恒定在25，所以聲速可取恒定值346.575

29、m/s）： s = v *t （2.2）利用這種方法，可以分別得到移動節(jié)點到三個固定節(jié)點的距離l1、l2、l3，由于本系統的各個節(jié)點呈空間分布，所以根據勾股定理，可以求出三個固定節(jié)點在地面二維坐標系中的投影點到移動節(jié)點的距離l11、l22、l33。設三個固定節(jié)點在地面二維坐標系中的投影坐標分別為（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），移動節(jié)點的坐標為（x0，y0），則根據式（2.3）的加權質心算法8可以求得移動節(jié)點的坐標： （2.3）3. 系統硬件設計3.1 系統空間分布圖 本系統利用三個固定在空中的超聲波節(jié)點，來實現對一個在地面上二維直角坐標系中的移動節(jié)點的定位，總體空間分布圖如圖3

30、.1所示。zxy4132圖3.1 系統空間分布圖圖3.1中，1號節(jié)點為移動節(jié)點，即所需要定位的節(jié)點，2、3、4號節(jié)點為固定節(jié)點，由于受到超聲波的發(fā)射角的限制，所以將系統設計成空間結構，從而可以保證1號節(jié)點在二維平面內運動時可以收到2、3、4號節(jié)點發(fā)射的超聲波。其中，2，3，4號節(jié)點與地面的距離為191.0cm，它們在地面直角坐標系中的投影點坐標分別為（0.0，120.0），（0.0，0.0），（120.0，0.0），單位均為cm。3.2 移動節(jié)點3.2.1 移動節(jié)點框圖 移動節(jié)點的硬件電路框圖如圖3.2所示，在系統開始工作后，按下移動節(jié)點所在單片機上的s1鍵，由單片機控制射頻發(fā)射模塊發(fā)射射頻信

31、號，以獲得系統的同步。各個固定節(jié)點收到射頻信號后會以分時的方式發(fā)射超聲波信號，移動節(jié)點在每次接收到超聲波信號之后，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之后，移動節(jié)點的msp430單片機經過加權質心算法運算得到此節(jié)點的坐標，并將其顯示到lcd屏幕上。msp430單片機射頻發(fā)射模塊超聲波接收模塊lcd顯示圖3.2 移動節(jié)點框圖3.2.2 射頻發(fā)射電路本系統采用射頻信號來獲取各個節(jié)點的同步，其中所用到的射頻發(fā)射模塊為f04e，其實物圖如圖3.3所示，主要性能指標如下：發(fā)射頻率：433mhz調制方式：a

32、sk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 ：8×10×5mm 此模塊使用起來簡單方便，可直接以msp430單片機輸出的1khz的pwm波作為調制信號，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，經過測試，在此工作條件下，f04e模塊的發(fā)射半徑超過了5米，完全可以滿足室內定位的要求。在使用此模塊時需注意，在單片機引腳與fo4e的連接處需加入一個100k的電阻，以免產生過調制。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

33、超聲波傳感器接收到的信號進行放大、整流、比較、反向、分壓等一系列的處理，然后將處理后的信號送入單片機引發(fā)中斷，從而記錄本次超聲波的傳播時間，接收電路如圖3.5所示：圖3.5 超聲波接收電路對于電路各個部分的具體說明如下：1）放大電路：本電路選用四通道運放mc3403中的1、2兩個通道來對接收到的信號進行放大，理論放大倍數為1000倍左右（實測為350倍左右），放大后信號的峰峰值為3v左右。因為接收到的超聲波信號為交流信號，而本電路采用6v的直流單電源供電，所以為兩級運放各提供了3v的直流偏置電壓。2）整流濾波電路：本電路主要由d1、d2、d3三個整流二極管和一個1uf的電解電容c4構成整流濾波

34、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：由于整流過后信號的幅度并不穩(wěn)定，如果直接輸入單片機，可能在單片機的引腳上引入一個不穩(wěn)定的電壓，所以將整流過后的信號送入一電壓比較器，以產生穩(wěn)定的高低電平。此電壓比較器選用mc3403的第四個通道來構成，經比較之后，將信號送入非門再分壓后送入單片機。3.3 固定節(jié)點3.3.1 固定節(jié)點框圖 固定節(jié)點框圖如圖3.6所示，此部分仍然采用msp430單片機作為主控mcu，系統初始化完成之后即進入低功耗模式，等待接收射頻信號。當收到射頻信號之后，將會觸發(fā)單片機中斷，進入中斷處理程序之后，2、3、4號節(jié)點將會關閉中斷使能，并且在分別延

35、時1s、2s、3s之后發(fā)射超聲波信號，待超聲波信號發(fā)射完成后，它們再分別延時2s、2s、1s后開射頻接收中斷。如此循環(huán)，配合移動節(jié)點完成定位。msp430單片機射頻接收模塊超聲波發(fā)射模塊圖3.6 固定節(jié)點框圖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調制帶寬： 10k輸出電平： ttl 電平接收靈敏度： -90dbm 電路結構 ： 超再生 圖3.7外形尺寸： 10 × 23 ×

36、 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。在本系統的實際電路中，對此模塊采用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，在輸入單片機的引腳處接入了一個104的電容，實驗證明，在射頻信號頻率為1khz的時候，此電容可以很好的濾除噪聲干擾，并且可以保證單片機能夠正常接收到射頻信號產生的中斷。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單片機產生40khz的pwm波，此信號經兩級與非門驅動之后直接供給超聲波發(fā)射傳感器即可。由于本系統中要求超聲波發(fā)射的最遠距離僅為260cm左右，所以發(fā)射

37、信號不經過放大即可滿足要求。圖3.9 超聲波發(fā)射電路4. 系統軟件設計4.1 系統總體軟件流程系統的整體工作時序和軟件流程分析如下：1）按下1號節(jié)點的s1鍵，1號節(jié)點發(fā)射30個周期的頻率為1khz的射頻信號來實現整個系統的同步，同時打開timera計時和中斷，使能超聲波接收中斷。2）2、3、4號節(jié)點同時接收到射頻信號。2號節(jié)點接收到射頻信號后關閉射頻接收中斷，延時1s后發(fā)射超聲波信號，超聲波信號的發(fā)射時間為0.5s，經過實驗證明，0.5s的發(fā)射時間可以保證1號節(jié)點在1s內接收到超聲波信號，并且不會對超聲波的下一次接收產生干擾。在超聲波發(fā)射完成后，2號節(jié)點延時2s后再使能射頻接收中斷。3）1號節(jié)

38、點第一次接收到超聲波信號后關閉超聲波接收中斷，讀出此時timera的計數值t2，然后繼續(xù)計時，到達1s后再使能超聲波接收中斷，同時timera繼續(xù)計時。4）3號節(jié)點接收到射頻信號后關閉射頻接收中斷，延時2s后發(fā)射超聲波信號，超聲波信號的發(fā)射時間為0.5s，在超聲波發(fā)射完成后，3號節(jié)點延時2s后再使能射頻接收中斷。5）1號節(jié)點第二次接收到超聲波信號后關閉超聲波接收中斷，讀出此時timera的計數值t3，然后繼續(xù)計時，到達1s后再使能超聲波接收中斷，同時timera繼續(xù)計時。6）4號節(jié)點接收到射頻信號后關閉射頻接收中斷，延時3s后發(fā)射超聲波信號，超聲波信號的發(fā)射時間為0.5s，在超聲波發(fā)射完成后，

39、4號節(jié)點延時1s后再使能射頻接收中斷。7）1號節(jié)點第三次接收到超聲波信號后關閉超聲波接收中斷，讀出此時timera的計數值t4，并且關閉timera，然后利用三次得到的計數值t2、t3、t4來計算1號節(jié)點的位置坐標并顯示在lcd屏上。8）1號節(jié)點延時5s后再次發(fā)射射頻信號，整個過程如此循環(huán)，最終得到1號節(jié)點的運動軌跡曲線。具體軟件流程圖如圖4.1所示：圖4.1 系統總體軟件流程圖4.2 移動節(jié)點軟件流程移動節(jié)點的軟件流程圖如圖4.2所示：圖4.2 移動節(jié)點軟件流程圖當移動節(jié)點三次接收到超聲波信號時，會觸發(fā)p2.5口產生中斷，其中斷執(zhí)行子程序如下：/ port 2 interrupt servi

40、ce routine#pragma vector=port2_vector_interrupt void port_2(void) switch(flag) case 2: /收到2號節(jié)點發(fā)來的超聲波信號 tactl &=0xffcf; /暫停定時器 t2=tar; tactl =tassel_1+mc_1; flag=3; break; case 3: /收到3號節(jié)點發(fā)來的超聲波信號 tactl &=0xffcf; t3=tar; tactl =tassel_1+mc_1; flag=4; break; case 4: /收到4號節(jié)點發(fā)來的超聲波信號 tactl &=

41、0xffcf; t4=tar; tactl =tassel_1+mc_1; flag=2; calculate(); /調用計算1號節(jié)點坐標的函數 cctl0 &= ccie; /接收到最后一個數后關timera的1s定時 tbctl = tbclr; tbctl |=tbssel_1+mc_1+id_3; /利用timerb延時5s tbcctl0 |= ccie; /開tbccr0的中斷 tbccr0=20000; break; default: break; p2ie &=0x20; p2ifg &=0x20; _bis_sr(lpm0_bits + gie);

42、/ 進入低功耗模式lpm0本系統中計算移動節(jié)點坐標采用的是加權質心算法，但是，由于四個單片機的時鐘不能精準同步，對整個系統的測量造成了較大的誤差，所以在編寫算法之前，首先對實際測得的計數值和理論計數值之間進行了擬合來消除誤差，然后再利用加權質心算法計算移動節(jié)點的坐標，主要計算過程的程序如下：/對測得的時間值做線性擬合之后來消除因時間不精準所造成的系統誤差/h為節(jié)點離地高度，vc為聲速，在25時可取常數值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

43、-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); /*坐標算法加權質心法 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); 在實際的程序中使用通分，并且代入固定節(jié)點坐標之后的公式進行計算*/float l0=l1*l2+l1*l3+l2*l3; x1=(l1*l2*x4)/l0; y1=(l2*l3*y2)/

44、l0;4.3 固定節(jié)點軟件流程固定節(jié)點軟件流程圖如圖4.3：圖4.3固定節(jié)點軟件流程圖固定節(jié)點發(fā)送超聲波的程序如下：tactl = tassel_2; / smclk為時鐘源（16mhz）tactl |=mc_1+taclr; / 增計數模式,清計數器cctl0 |=ccie; /中斷使能ccr0 = 400; / pwm波的周期（40khz）cctl1 = outmod_7; / ccr1選擇為復位/置位輸出模式ccr1 = 200; /占空比為50% 5. 實驗分析5.1 射頻發(fā)射距離測試1）射頻的發(fā)射距離測試示意圖如圖5.1所示： 圖5.1射頻發(fā)射距離測試圖2）測試條件：f04e電源電壓

45、：6v直流pwm波頻率：1khzpwm波峰峰值：3vj04v電源電壓：3v直流測試場所：室內測試溫度：25測量工具：卷尺（精度：0.01m）3）數據記錄：表5.1 射頻發(fā)射距離測試記錄表測試距離1.000米2.000米3.000米4.000米5.000米5.300米接收信號幅度3.0v3.0v3.0v3.0v3.0v3.0v4）測試過程波形圖如圖5.2：圖5.2 射頻發(fā)射距離測試波形圖5）測試結論 經過測試證明，在室內情況下，射頻信號的射程超過5米，在此范圍內，信號幅度基本沒有衰減，滿足室內定位的要求。5.2 超聲波發(fā)射距離測試1）超聲波發(fā)射距離測試實物圖如圖5.3所示：圖5.3 超聲波發(fā)射距

46、離測試實物圖2）測試條件：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單片機供電電壓：5v直流電壓超聲波發(fā)射時間：0.5秒測試地點：室內測試溫度：25測量工具：卷尺（精度：1cm）單片機timera計數的最大值：327683）數據記錄：表5.2 超聲波發(fā)射距離與計數值的關系距離計數值0.0cm50.0cm100.0cm150.0cm200.0cm220.0cm250.0cm260.0cm實驗一3108631132311843123731290313183135531366實驗二310863113131183312373129131318313523136

47、9實驗三3108631133311823123831290313193135631366實驗四3108631130311833123731292313203135431362實驗五3108431131311823123931291313183135331365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，而計數值是指接收到超聲波信號時timera的計數值（timera的計數值達到32000時產生中斷）。4）實驗結論與分析：1.實驗結果表明，如果超聲的發(fā)射傳感器發(fā)射0.5s的超聲波，當發(fā)射距離在260.0cm以內時，可以保證接收傳感器接收到超聲波信號，滿足整個系統對超聲波

48、發(fā)射距離的要求。2由實驗過程中記錄的數據可以看出，由于四個單片機時鐘之間的不精準，導致接收到超聲波時timera的計數值都已經接近32000，即接收時間已經接近1s，顯然與實際情況不相符合。因此，在實際計算移動節(jié)點坐標的時候加入了誤差消除程序，如4.2節(jié)所描述的內容。5.3系統整體測試1）實驗條件：1號節(jié)點電路供電電壓：6v直流電壓2，3，4號節(jié)點電路供電電壓：3v直流電壓msp430單片機供電電壓：5v直流電壓2，3，4號節(jié)點距地面高度：191.0cm2號節(jié)點在地面的投影坐標：（0.0，120.0）（單位：cm）3號節(jié)點在地面的投影坐標：（0.0，0.0）（單位：cm）4號節(jié)點在地面的投影坐

49、標：（120.0，0.0）（單位：cm）測試環(huán)境：室內溫度：25測量工具：卷尺（精度：1cm）2）實驗數據：表5.3 系統整體測試記錄表（一） 單位：cm理論坐標實測坐標（50.0，50.0）（50.0，60.0）（50.0，70.0）（60.0，40.0）（60.0，50.0）實驗一（55.0，59.0）（50.0，69.0）（55.0，71.0）（60.0，32.0）（61.0，58.0）實驗二（56.0，57.0）（51.0，68.0）（53.0，70.0）（58.0，40.0）（63.0，60.0）實驗三（52.0，54.0）（52.0，69.0）（55.0，76.0）（57.0，37

50、.0）（62.0，58.0）實驗四（57.0，56.0）（51.0，68.0）（56.0，74.0）（60.0，34.0）（63.0，59.0）實驗五（54.0，53.0）（52.0，68.0）（53.0，75.0）（60.0，35.0）（62.0，59.0）平均坐標（54.8，55.8）（51.2，68.4）（54.4，73.2）（59，35.6）（62.7，58.8） 表5.4 系統整體測試記錄表（二） 單位：cm 理論坐標實測坐標（60.0，60.0）（70.0，40.0）（70.0，50.0）（70.0，60.0）（70.0，65.0）實驗一（63.0，68.0）（73.0，31.0）

51、（76.0，50.0）（71.0，64.0）（74.0，61.0）實驗二（62.0，66.0）（78.0，35.0）（70.0，49.0）（78.0，69.0）（74.0，61.0）實驗三（59.0，67.0）（79.0，37.0）（79.0，49.0）（74.0，69.0）（79.0，61.0）實驗四（64.0，69.0）（77.0，34.0）（77.0，49.0）（75.0，69.0）（74.0，60.0）實驗五（63.0，67.0）（76.0，35.0）（75.0，50.0）（78.0，70.0）（77.0，61.0）平均坐標（62.2，67.4）（76.6，34.4）（76.8，49.4）（75.2，68.2）（75.6，60.8）3）實驗結論1.定位范圍經過測試表明，本系統基本可以實現對于在地面上120.0cm*120.0cm的二維直角坐標系中移動節(jié)點的定位。2.系統的平均定位誤差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