馮慶元超聲波測距畢業(yè)論文

1、吉吉林林工工程程技技術(shù)術(shù)師師范范學(xué)學(xué)院院畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計計(論論文文)題題目目:超聲波測距離系統(tǒng)設(shè)計超聲波測距離系統(tǒng)設(shè)計專專業(yè)業(yè): 自動化自動化 班班級級: 0843 學(xué)學(xué)號號: 32 姓姓名名: 馮慶元馮慶元 指導(dǎo)老師指導(dǎo)老師: 吳麗波吳麗波 2012 年年 4 月月 15 號號摘摘 要要超聲波具有指向性強，能量消耗緩慢，傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點，所以，在利用傳感器技術(shù)和自動控制技術(shù)相結(jié)合的測距方案中，超聲波測距是目前應(yīng)用最普遍的一種，它廣泛應(yīng)用于防盜、倒車?yán)走_(dá)、水位測量、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場。本課題詳細(xì)介紹了超聲波傳感器的原理和特性，以及 AT89C52 單片機的性能和特點，并在分析了超聲

2、波測距的原理的基礎(chǔ)上，指出了設(shè)計測距系統(tǒng)的思路和所需考慮的問題，給出了以 AT89C52 單片機為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設(shè)計方法。該系統(tǒng)電路設(shè)計合理、工作穩(wěn)定、性能良好、檢測速度快、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實用的要求。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：超聲波超聲波 單片機單片機 測距測距 AT89C5AT89C52 2AbstractAbstractUltrasonic wave has strong pointing to nature ,slowly energy consumption ,propagating distance fa

3、rther ,so, in utilizing the scheme of distance finding that sensor technology and automatic control technology combine together ,ultrasonic wave finds range to use the most general one at present ,it applies to guard against theft , move backward the radar , water level measuring , building construc

4、tion site and some industrial scenes extensively。This subject has introduced principle and characteristic of the ultrasonic sensor in detail ,and the performance and characteristic of one-chip computer AT89C51 of Atmel Company ,and on the basis of analyzing principle that ultrasonic wave finds range

5、 ,the systematic thinking and questions needed to consider that have pointed out that designs and finds range ,provide low cost , the hardware circuit of high accuracy , ultrasonic range finder of miniature digital display and software design method taking AT89C51 as the core ,this circuit of system

6、 is reasonable in design, working stability, performance good measuring speeding soon , calculating simple , apt to accomplish real-time control ,and can reach industrys practical demand in measuring the precision 。Key Words: Ultrasonic wave; One-chip computer; Range finding; AT89C51目錄摘摘 要要.1ABSTRAC

7、TABSTRACT.2目目錄錄.3第第 1 1 章章 超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計.51.1 超聲波測距的原理.51.2 超聲波測距系統(tǒng)電路的設(shè)計.51.2.1 總體設(shè)計方案.51.2.2 發(fā)射電路的設(shè)計 .61.2.3 接收電路的設(shè)計 .71.2.4 顯示模塊的設(shè)計 .81.3 超聲波測距系統(tǒng)的軟件設(shè)計.91.4 本章小結(jié).11第第 2 2 章章 緒論緒論.122.1 課題背景，目的和意義.122.2 兩種常用的超聲波測距方案.122.2.1 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng) .122.2.2 基于 CPLD 的超聲波測距系統(tǒng) .132.3 課題主要內(nèi)容.14第第 3 3 章章 超聲波傳感

8、器超聲波傳感器.153.1 超聲波傳感器的原理與特性.153.1.1 原理 .153.1.2 特性 .163.2 超聲波傳感器的檢測方式.173.3 超聲波傳感器系統(tǒng)的構(gòu)成.183.4 本章小結(jié).19第第 4 4 章章 AT89C51AT89C51 單片機簡介單片機簡介.204.1 單片機基礎(chǔ)知識.204.1.1 單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu) .204.1.2 單片機的基本工作原理 .224.2 單片機的分類及發(fā)展.234.3 單片機 AT89C52 的特性.244.4 本章小結(jié).27第第 5 5 章章 電路調(diào)試及誤差分析電路調(diào)試及誤差分析.285.1 電路的調(diào)試.285.2 系統(tǒng)的誤差分析.285.2.

9、1 聲速引起的誤差 .285.2.2 單片機時間分辨率的影響 .295.4 本章小結(jié).30結(jié)論 .31致謝 .32參考文獻(xiàn) .33附錄 1.34附錄 2.39附錄 3.40第 1 章 超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計1.11.1 超聲波測距的原理超聲波測距的原理單片機發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波, 從而測出發(fā)射和接收回波的時間差t，然后求出距離 (1-1)2ctS 式(1-1)中的c為超聲波在空氣中傳播的速度。限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在四個因素：超聲波的幅度、反射物的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小可測距離

10、。為了增加所測量的覆蓋范圍，減少測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射/接收的設(shè)計方法。由于超聲波發(fā)球聲波范圍，其波速c與溫度有關(guān)，表 1-1 列出了幾種不同溫度下的波速。表 1-1 聲速與溫度的關(guān)系溫度()3020100102030100聲速(m/s)313319325323338344349386波速確定后，只要測得超聲波往返的時間 t，即可求得距離 S。其系統(tǒng)原理框圖如圖 1-1 所示。圖 1-1 超聲波測距系統(tǒng)框圖單片機 AT89C52 發(fā)出短暫的 40kHz 信號，經(jīng)放大后通過超聲波換能器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對此信號鎖定，產(chǎn)生鎖定信

11、號啟動單片機中斷程序，讀出時間t，再由系統(tǒng)軟件對其進行計算、判別后，相應(yīng)的計算結(jié)果被送至 LED 數(shù)碼管進行顯示。在下一節(jié)里，我們將詳細(xì)介紹超聲波測距儀的各部分電路的設(shè)計思路及方法。1.21.2 超聲波測距系統(tǒng)電路的設(shè)計超聲波測距系統(tǒng)電路的設(shè)計1.2.11.2.1 總體設(shè)計方案總體設(shè)計方案由單片機 AT89C51 編程產(chǎn)生 40kHz 的方波，由 P3.6 口輸出，再經(jīng)過放大電路，驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射回來后，由超聲波接收頭接收到信號，通過接收電路的檢波放大、積分整形及一系列處理,送至單片機。單片機利用聲波的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時間間隔計算出障

12、礙物的距離,并由單片機控制顯示出來。該測距裝置是由超聲波傳感器、單片機、發(fā)射/接收電路和 LED 顯示器組成。傳感器輸入端與發(fā)射接收電路相連,接收電路輸出端與單片機相連接,單片機的輸出端與顯示電路輸入端相連接。其時序圖如圖 1-2 所示。圖 1-2 時序圖單片機在 T0時刻發(fā)射方波，同時啟動定時器開始計時，當(dāng)收到回波后，產(chǎn)生一負(fù)跳變到單片機中斷口，單片機響應(yīng)中斷程序，定時器停止計數(shù)。計算時間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時間 t，由此便可計算出距離。1.2.21.2.2 發(fā)射電路的設(shè)計發(fā)射電路的設(shè)計由單片機產(chǎn)生的 40kHz 的方波需要進行放大，才能驅(qū)動超聲波傳感器發(fā)射超聲波，發(fā)射驅(qū)動電路其

13、實就是一個信號放大電路，本課題所選用的是 74HC04集成芯片，圖 1-3 為發(fā)射電路圖。圖 1-3 發(fā)射電路74HC04 內(nèi)部集成了六個反向器，同時具有放大的功能。74HC04 的管腳如圖1-4 所示。圖 1-4 74HC04 管腳圖1.2.31.2.3 接收電路的設(shè)計接收電路的設(shè)計超聲波接收頭接收到超聲波后，轉(zhuǎn)換為電信號，此時的信號比較弱，必需經(jīng)過放大。本系統(tǒng)采用了 LM741 對接收到的信號進行放大，接收電路如圖 1-5所示。圖 1-5 接收電路超聲波探頭接收到超聲波后，通過聲電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生一正弦信號，其頻率為傳感器的中心頻率，即 40kHz。該信號通過 C1 高通濾波后經(jīng) LM741 放

14、大，最后經(jīng)二極管整形后輸出到單片機中斷口。LM741 是一單運放集成芯片，圖 1-6 為LM741 管腳圖。圖 1-6 LM741 管腳圖1.2.41.2.4 顯示模塊的設(shè)計顯示模塊的設(shè)計LED(Light-Emitting Diode，發(fā)光二極管)有七段和八段之分，也有共陰和共陽兩種。LED 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜。圖 1-7 示出了八段 LED 數(shù)碼顯示管的結(jié)構(gòu)和原理圖。圖 1-7(a)為八段共陰數(shù)碼顯示管結(jié)構(gòu)圖，圖 1-7(b)是它的原理圖，圖 1-7(c)為八段共陽 LED 顯示管原理圖。八段 LED 顯示管由八只發(fā)光二極管組成，編號是 a、b、c、d、e、f、g 和 SP，分別與同

15、名管腳相連。七段 LED 顯示管比八段 LED 少一只發(fā)光二極管 SP，其他與八段相同。圖 1-7 八段 LED 數(shù)碼顯示管原理和結(jié)構(gòu)單片機對 LED 管的顯示可以分為靜態(tài)和動態(tài)兩種。靜態(tài)顯示的特點是各LED 管能穩(wěn)定地同時顯示各自字形；動態(tài)顯示是指各 LED 輪流地一遍一遍顯示各自字符，人們由于視覺器官惰性，從而看到的是各 LED 似乎在同時顯示不同字形。為了減少硬件開銷，提高系統(tǒng)可靠性并降低成本，單片機控制系統(tǒng)通常采用動態(tài)掃描顯示。但是由于本系統(tǒng)所用的單片機引腳少，剩余引腳很多，而且也只需顯示三位字符，所以，采用了靜態(tài)的顯示方式，且采用了軟件譯碼，這樣單片機引腳輸出可直接接到 LED 顯示

16、管上。這樣省去了外部復(fù)雜的譯碼電路。1.31.3 超聲波測距系統(tǒng)的軟件設(shè)計超聲波測距系統(tǒng)的軟件設(shè)計單片機編程產(chǎn)生超聲波，在系統(tǒng)發(fā)射超聲波的同時利用定時器的計數(shù)功能開始計時，接收到回波后，接收電路輸出端產(chǎn)生的負(fù)跳變在單片機的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個中斷請求信號，響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，停止計時，讀取時間差，計算距離，然后通過軟件譯碼，將數(shù)據(jù)輸出P0、P1 和 P2 口顯示。程序流程圖如圖 1-8，(a)為主程序流程圖，(b)為定時中斷子程序流程圖，(c)為外部中斷子程序流程圖。 (a) (b) (c)圖 1-8 程序流程圖用單片機編程產(chǎn)生 40kHz 方波，可用延時程序和循環(huán)語

17、句實現(xiàn)。先定義一個延時函數(shù) delays()，然后可用 for 語句循環(huán)，并且循環(huán)一次同時改變方波輸出口的電平高低，從而產(chǎn)生方波。部分程序如下：void delays() /延時函數(shù)void main() for(a=0;a1000 次）Flash ROM 32 個雙向 I/O 口 256x8bit 內(nèi)部 RAM 3 個 16 位可編程定時 /計數(shù)器中斷 時鐘頻率 0-24MHz 2 個串行中斷 可編程 UART 串行通道 2 個外部中斷源 共 6 個中斷源 2 個讀寫中斷口線 3 級加密位 AT89C52P 為 40 腳雙列直插封裝的 8 位通用微處理器，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 C51 內(nèi)核，在內(nèi)部

18、功能及管腳排布上與通用的8xc52 相同，其主要用于會聚調(diào)整時的功能控制。功能包括對會聚主IC 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù) RAM及外部接口等功能部件的初始化，會聚調(diào)整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號 IR 的接收解碼及與主板 CPU 通信等。主要管腳有： XTAL1（19 腳）和 XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC（40 腳）和 VSS（20 腳）為供電端口，分別接 +5V 電源的正負(fù)端。P0P3 為可編程通用 I/O 腳，其功能用途由軟件定義，在本設(shè)計中， P0 端口（3239 腳）被定義為

19、N1 功能控制端口，分別與 N1 的相應(yīng)功能管腳相連接，13 腳定義為 IR 輸入端，10 腳和 11 腳定義為 I2C 總線控制端口，分別連接 N1 的 SDAS（18 腳）和 SCLS（19 腳）端口， 12 腳、27 腳及 28 腳定義為握手信號功能端口，連接主板CPU 的相應(yīng)功能端，用于當(dāng)前制式的檢測及會聚調(diào)整狀態(tài)進入的控制功能4.44.4 本章小結(jié)本章小結(jié)本章重點介紹了單片機的一些基本知識，如單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，單片機的工作原理等，只有詳細(xì)了解單片機的工作原理，才能更好的使用單片機，用單片機來設(shè)計電路。本系統(tǒng)所用的單片機是 Atmel 公司生產(chǎn)的 AT89C51，DIP 封裝，40 引

20、腳。它的特點是內(nèi)含 Flash 存儲器，采用 CMOS 工藝，這種型號的芯片是目前應(yīng)用得最普遍的一種。AT89 系列的單片機可分為標(biāo)準(zhǔn)型、低檔型和高檔型三類，均屬于 8 位機。我們所使用的 AT89C51 是標(biāo)準(zhǔn)型的，本章詳細(xì)介紹了它的特性和參數(shù)。第 5 章 電路調(diào)試及誤差分析5.15.1 電路的調(diào)試電路的調(diào)試通過多次實驗，對電路各部分進行了測量、調(diào)試和分析。首先測試發(fā)射電路對信號放大的倍數(shù)，先用信號源給發(fā)射電路輸入端一個40kHz 的方波信號，峰-峰值為 3.8V。經(jīng)過發(fā)射電路后，其信號峰-峰值放大到10V 左右。40kHz 的方波驅(qū)動超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波，經(jīng)反射后由超聲波接收頭接收到 4

21、0kHz 的正弦波，由于聲波在空氣中傳播時衰減，所以接收到的波形幅值較低，經(jīng)接收電路放大，整形，最后輸出一負(fù)跳變，在單片機的外部中斷源輸入端產(chǎn)生一個中斷請求信號。該測距電路的 40kHz 方波由單片機編程產(chǎn)生，方波的周期為 1/40ms，即25s，半周期為 12.5s。每隔半周期時間，讓方波輸出腳的電平取反，便可產(chǎn)生 40kHz 方波。由于 12M 晶振的單片機的時間分辨率是 1s，所以只能產(chǎn)生半周期為 12s 或 13s 的方波信號，頻率分別為 41.67kHz 和 38.46kHz。本系統(tǒng)在編程時選用了后者，讓單片機產(chǎn)生約 38.46kHz 的方波。5.25.2 系統(tǒng)的誤差分析系統(tǒng)的誤差分

22、析5.2.15.2.1 聲速引起的誤差聲速引起的誤差聲波是媒質(zhì)中傳播的質(zhì)點的位置、壓強和密度對相應(yīng)靜止值的擾動。高于20kHz 時的機械波稱為超聲波，媒質(zhì)包括氣體、液體和固體。流體中的聲波常稱為壓縮波或壓強波，對一般流體媒質(zhì)而言，聲波是一種縱波，傳播速度為 (5-1)2Ec式(5-1)中E為媒質(zhì)的彈性模量，單位 kg/mm2；為媒質(zhì)的密度，單位kg/mm3；E 為復(fù)數(shù)，其虛數(shù)部分代表損耗; c也是復(fù)數(shù)，其實數(shù)部分代表傳播速度，虛數(shù)部分則與衰減常數(shù)(每單位距離強度或幅度的衰減)有關(guān)，測量后者可求得媒質(zhì)中的損耗。聲波的傳播與媒質(zhì)的彈性模量密度、內(nèi)耗以及形狀大小(產(chǎn)生折射、反射、衍射等)有關(guān)。從式(

23、5-1)可知，聲波傳輸速度與媒介的彈性模量和密度相關(guān)，因此，利用聲速測量距離，就要考慮這些因素對聲速影響。在氣體中，壓強、溫度、濕度等因素會引起密度變化，氣體中聲速主要受密度影響，液體的深度、溫度等因素會引起密度變化，固體中彈性模量對聲速影響較密度影響更大，一般超聲波在固體中傳播速度最快，液體次之，在氣體中的傳播速度最慢。氣體中聲速受溫度的影響最大。聲速受溫度的影響為 (5-2)201273cc圖 5-1 根據(jù)上式測量的溫度-聲速圖。圖 5-1 空氣中溫度-聲速圖由式(5-2)和圖 5-1 可見，當(dāng)溫度從 040變化時，將會產(chǎn)生 7%的聲速變化，因此，為了提高測量準(zhǔn)確度，計算時必須根據(jù)溫度進行

24、聲速修正。工業(yè)測量中，一般用公式計算超聲波在空氣中的傳播速度，即 (5-3)331 0.6c5.2.25.2.2 單片機時間分辨率的影響單片機時間分辨率的影響不管是查詢發(fā)射波與回波，還是由其觸發(fā)單片機中斷再通過軟件啟停定時器，都需要一定的時候，中斷的方式誤差相對要小一些。相對而言，單片機的時間分辨率還是不太高，如晶振頻率為 12MHz 時，時間分辨率為 1s。隨機誤差由于測量過程中的隨機誤差是按統(tǒng)計規(guī)律變化的，為了減少其影響，可在同一位置處多次重復(fù)測量 xi，然后取平均值 x 作為測量的真值10。提高測距精度的方法上節(jié)分析了超聲波測距系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的一些原因，如何提高測量精度是超聲測距的關(guān)鍵技術(shù)

25、。其提高測距精度的措施如下：1. 合理選擇超聲波工作頻率、脈寬及脈沖發(fā)射周期。據(jù)經(jīng)驗，超聲測距的工作頻率選擇 40kHz 較為合適；發(fā)射脈寬一般應(yīng)大于填充波周期的 10 倍以上，考慮換能器通頻帶及抑制噪聲的能力，選擇發(fā)射脈寬 1ms；脈沖發(fā)射周期的選擇主要考慮微機處理數(shù)據(jù)的速度，速度快，脈沖發(fā)射周期可選短些。2. 在超聲波接收回路中串入增益調(diào)節(jié)(AGC)及自動增益負(fù)反饋控制環(huán)節(jié)。因超聲接收波的幅值隨傳播距離的增大呈指數(shù)規(guī)律衰減，所以采用 AGC 電路使放大倍數(shù)隨測距距離的增大呈指數(shù)規(guī)律增加的電路，使接收器波形的幅值不隨測量距離的變化而大幅度的變化，采用電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)能使接收波形更加穩(wěn)定。3.

26、提高計時精度，減少時間量化誤差。如采用芯片計時器，計時器的計數(shù)頻率越高，則時間量化誤差造成的測距誤差就越小。例如：單片機內(nèi)置計時器的計數(shù)頻率只有晶振頻率的十二分之一，當(dāng)晶振頻率 6MHz 時，計數(shù)頻率為 0.5MHz，此時在空氣中的測距時間量化誤差為 0.68mm；當(dāng)晶振頻率為 12MHz 時，計數(shù)頻率為 1MHz，此時測距時間量化誤差為 0.34mm。若采用外部硬件計時電路，則計數(shù)頻率可直接引用單片機的晶振頻率，時間量化誤差更小11。4. 補償溫度對傳播聲速的影響。超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與溫度、壓力等因數(shù)有關(guān)，其中溫度的影響最大，因此需要對其進行補償。溫度傳感器 LM92 的溫度測試分辨率

27、為 0.0625，10至+85準(zhǔn)確度為1.0，I2C 總線接口。用 AT89C51 的通用 I/O 端口能很容易的模擬 I2C 總線的讀寫時序，LM92 高精度溫度測量能很好的補償超聲波在不同溫度的傳播速度。由 LM92 溫度傳感器和單片機組成的高精度超聲波測距已應(yīng)用在各種高精度測距的場合，如自動氣象站中水氣日蒸發(fā)量的測試、自動任意形狀物體密度測試儀等，它具有測試速度快，能達(dá)到毫米級的測量精度等優(yōu)點，在工程上的開發(fā)與應(yīng)用前景廣闊12。5.45.4 本章小結(jié)本章小結(jié)在本章里，對設(shè)計的電路進行了調(diào)試和分析。對于測距系統(tǒng)來說，誤差是不可避免的。如何減小系統(tǒng)的誤差，是設(shè)計測距系統(tǒng)必需要考慮的問題。本章

28、分析了各種產(chǎn)生測量誤差的原因以及解決辦法，以更進一步提高超聲波測距系統(tǒng)的測量精度。結(jié)論本課題介紹了一種基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)的原理和設(shè)計。給出了硬件和軟件的設(shè)計方案。超聲波傳感器是本系統(tǒng)的核心器件，本論文詳細(xì)地介紹了超聲波傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、檢測方式以及它的一些特性。只有深入地了解超聲波傳感器的工作原理，才能更好的設(shè)計測距電路。單片機是本系統(tǒng)的控制部分，采用 Atmel公司生產(chǎn)的 AT89C51 芯片。驅(qū)動超聲波傳感器的 40kHz 的方波信號，就是由單片機編程產(chǎn)生的。本系統(tǒng)的發(fā)射電路采用 74HC04 六反向器，通過它對單片機產(chǎn)生的方波信號進行放大，以驅(qū)動傳感器工作。接收電路采用的是 L

29、M741，通過接收電路對接收到的信號進行放大和整形，最終再輸出負(fù)脈沖給單片機響應(yīng)中斷程序。本系統(tǒng)的 LED 顯示部分采用的是靜態(tài)掃描方式，并用單片機軟件譯碼。單片機內(nèi)部采用 C 語言編程，方波信號的產(chǎn)生、時間差的讀取、距離的計算以及顯示輸出的譯碼都由單片機編程完成。本課題所設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)具有測量精度較高、速度快、控制簡單方便等優(yōu)點。測距范圍從 20cm 到 200cm，測量精度在10cm 內(nèi)。測距系統(tǒng)在許多工業(yè)現(xiàn)場和自動控制場合，都有很重要的作用。但由于經(jīng)驗不足，電路硬件、軟件部分都有不夠完善的地方，在今后的學(xué)習(xí)中會進一步改進。總體來說，最重要的是在本課題的設(shè)計過程中我學(xué)到了很多知識，從

30、中受益匪淺。了解了超聲波傳感器的原理，學(xué)會了各種放大電路的分析、設(shè)計，也掌握了單片機的開發(fā)過程和利用單片機設(shè)計電路的方法。對一塊電路板的設(shè)計、焊板、調(diào)試、改進等整個過程，有了更深入的理解和掌握。這些對我今后的學(xué)習(xí)和工作都會有很大幫助的。致謝歷時將近兩個月的時間終于將這篇論文寫完，在論文的寫作過程中遇到了無數(shù)的困難和障礙，都在同學(xué)和老師的幫助下度過了。尤其要強烈感謝我的論文指導(dǎo)老師吳麗波老師，她對我進行了無私的指導(dǎo)和幫助，不厭其煩的幫助進行論文的修改和改進。另外，在校圖書館查找資料的時候，圖書館的老師也給我提供了很多方面的支持與幫助。在此向幫助和指導(dǎo)過我的各位老師表示最中心的感謝！感謝我的同學(xué)和

31、朋友，在我寫論文的過程中給予我了很多你問素材，還在論文的撰寫和排版燈過程中提供熱情的幫助。由于我的學(xué)術(shù)水平有限，所寫論文難免有不足之處，懇請吳老師的批評和指正！。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1.劉鳳然.基于單片機的超聲波測距系統(tǒng).傳感器世界.2001,5:29-322.葛健強.基于 CPLD 的超聲波測距儀研制. 無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報.2004,4(3):8-103.何希才,薛永毅.傳感器及其應(yīng)用實例.機械工業(yè)出版社,2004:138-1524.胡漢才.單片機原理及其接口技術(shù).清華大學(xué)出版社,2004:27-465.吳斌方,劉民,熊海斌.超聲波測距傳感器的研制.湖北工學(xué)院學(xué)報.2004,19(6):2

32、6-286.譚洪濤,張學(xué)平.單片機設(shè)計測距儀原理及其簡單應(yīng)用.現(xiàn)代電子技術(shù).2004,18:94-967.Peter Hauptmann, Ralf Lucklum, Bernd Henning. Ultrasonic Sensors for Process Control. Sensors Update.1998,3: 163-2078.趙占林,劉洪梅.超聲波測距系統(tǒng)誤差分析及修正.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟.2002,12(6):144-1459.J. Otto. Sensors for Distance Measurement and Their Applications in Automobi

33、les. Sensors Update.2002,10:231-25510.蘇煒,龔壁建,潘笑.超聲波測距誤差分析.傳感器技術(shù).2004,23(6):8-1111.羅忠輝,黃世慶.提高超聲測距精度的方法. 機械設(shè)計與制造.2005,1:10912.秦旭.用 LM92 溫度傳感器補償?shù)母呔瘸暡y距儀.電子產(chǎn)品世界.2003,6:58-5913.Yusuke Moritake, Hiroomi Hikawa.Category Recognition System Using Two Ultrasonic Sensors and Combinational Logic Circuit. Elec

34、tronics and Communications in Japan.2005,88(7):33-42附錄 1采用雙超聲波傳感器和組合邏輯電路的種類識別系統(tǒng)在這篇文章里，我們使用一種技術(shù)，它用來從被反射出的超聲波認(rèn)出一種材料并且使用兩臺超音速飛機傳感器提議一個種類識別系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)里，被反射出的波形被作為二維的圖像，并且屬于那個種類的一個目標(biāo)是瞬間模式從參考數(shù)據(jù)到一條組合的邏輯電路中匹配認(rèn)出的。在這個系統(tǒng)里，信息的結(jié)合例如物體的材料，角度和距離被作為識別種類確定。模式匹配被從參考數(shù)據(jù)直接創(chuàng)建的一條組合的邏輯電路所攜帶。根據(jù)提議的方法完成標(biāo)準(zhǔn)的波形數(shù)據(jù)的識別試驗來證明提議系統(tǒng)和它的效力的特征

35、，被適用于在具體的狀況下的識別。由于 5 種原料作為種類下落，獲得的結(jié)果顯示了一個差不多 100%的識別率，并且當(dāng)種類是傾向于材料，角度和距離的結(jié)合時，高的識別結(jié)果是為幾乎所有的材料獲得的。1介紹傳統(tǒng)的圖樣識別是基于一種未知的模式和以知模式之間的一次距離計算。在兩種模式之間的距離被連續(xù)計算，并且這種未知的模式屬于的種類是基于結(jié)果的估計之上1,2。因此，如果模式的數(shù)量或者種類的數(shù)量增加，計算時間變長并且執(zhí)行實時識別和高速處理時變得尤其復(fù)雜困難。為了達(dá)到實時處理，一種傳統(tǒng)方法和大規(guī)模的硬件供應(yīng)是必要的。為了解決問題，使用基于 VLSI 的組合的邏輯電路的一種模式識別方法已經(jīng)被提出3。這種方法使用一

36、種遺傳算法(GA)，由 GA 設(shè)計組合的邏輯電路和從模型數(shù)據(jù)中直接創(chuàng)建模式識別的一條集成電路。因為這種方法在原理平臺的最優(yōu)化里使用 GA，需要極其長的時間設(shè)計電路。因此，我們?yōu)楦唵蔚哪Ｊ奖容^這種組合的邏輯電路提出一種設(shè)計方案4。這被用于一個系統(tǒng)， 那就是從超聲波傳感器的波形數(shù)據(jù)材料識別，目標(biāo)材料作為識別種類。自從用這種方法從模型數(shù)據(jù)中創(chuàng)造了一個直接電路，一個識別電路可能在比利用 CA 方法更短的制作時間內(nèi)被創(chuàng)造出來。超聲波傳感器經(jīng)常被作為機器人里的修正距離的傳感器使用，目的是為了在不能使用光學(xué)傳感器的水下或夜間環(huán)境下起度量作用，并且在形狀信息難像玻璃或者不銹鋼那樣用光學(xué)方法捕獲的對象的識別過

37、程中5,6。通常，信息從用超聲波傳感器反射出的波以只存在或者不存在量程范圍內(nèi)的障礙或者遠(yuǎn)離目標(biāo)信息中獲得。不過，研究已經(jīng)通過使用來自從超聲波傳感器獲得的信息的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來識別目標(biāo)的形狀7-9。在裁判員 4 的系統(tǒng)里，快速傅里葉變換算法(FFT)反射波的波形被用作種類識別的一個特征。首先，一臺單個的超聲波傳感器用來測量一個對象的被反射的波。屬于未知數(shù)據(jù)的種類通過一種涉及到這個反射波的 FFT 波形的模式匹配來進行推斷的。模式匹配被假設(shè)為使用一條組合的邏輯電路。我們使用這種方法識別未知物體的材料，它的效力已經(jīng)被檢驗。因此，在識別材料中的高識別率是不用質(zhì)疑的。這種方法的前提是在硬件中實施，期望可以通過

38、使用一條組合的邏輯電路實現(xiàn)快速識別，應(yīng)用于航空，例如自動化運輸工具，將隨著這種系統(tǒng)的進一步延伸而成為可能。在這篇文章里，我們提出一個種類識別系統(tǒng)，這種識別方法來識別種類被延伸至從物體原料到化合物體材料，角度和測量距離上的延伸，并且模型識別是基于得到的二臺超聲波傳感器的波形和組合的邏輯電路使用。那時，用測量的波形數(shù)據(jù)和其他種類方法的對比的種類實驗，通過證明被提議方法的特征來估計提議方法。2提出的系統(tǒng)2.1 識別算法在這個部分里解釋被提議的方法的種類識別的算法。首先，超聲波放電來測量物體，并且超聲波傳感器收到被反射的波。FFT 被用于通過超聲波傳感器在頻率領(lǐng)域內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)而獲得反射波。傳輸數(shù)據(jù)的

39、35kHz 到 45kHz 區(qū)域被用于識別。原因是超聲波傳感器被用于中心是 40 kHz 的頻率。圖 1 顯示 5個 FFT 波形樣品，(a)木頭,(b)鐵，(c)紙板，(d)海綿和(e)塑料。這些波形是從有著相同的尺寸的金屬板形狀的物體(30 厘米 x 30 厘米)中獲得的 FFT 波形。如圖 1，每種材料中的波形顯示了特征的不同。在這篇文章里，被反射的波形中存在差別的原因沒有被詳細(xì)地分析，但是被認(rèn)為是每種材料或者表面形狀的聲阻抗的差別5, 6。因此， 我們相信一物體材料可以圖樣識別與 FFT 反映出的波形來識別每種物體材料的特征。 下一步，我們創(chuàng)造有著極大值和級小值的圖表，因為從接收傳感器

40、獲得的多測量數(shù)據(jù)有著自己的頻率組合。這張圖被叫為參考數(shù)據(jù)。圖 2 是一個參考數(shù)據(jù)的例子。 參考數(shù)據(jù)是每種類識別的基礎(chǔ)。下列方程式用來確定最大和最少的參考數(shù)據(jù)： 最大值= E(f) + 2 (f) 最小值= E(f) 2 (f)E(f)表示在決定于培訓(xùn)用數(shù)據(jù)的頻率 f 方面的指示能力，而 (f)表示頻率英尺指示能力的標(biāo)準(zhǔn)偏差。參考數(shù)據(jù)的最大值和最小值表明數(shù)據(jù)與描述被測量的對象的特征的波形不符合的范圍。如果我們假定這些參考數(shù)據(jù)遵循一個標(biāo)準(zhǔn)的分布，讓被測量的數(shù)據(jù) x 的平均值是 x ，標(biāo)準(zhǔn)偏差是 ，然后我們得到大約測量的數(shù)據(jù) x 的 95%在 x 2 間隔范圍內(nèi)10。通過把極大值和極小值放置在參考數(shù)

41、據(jù) E(f) 2 (f)里，如果培訓(xùn)用數(shù)據(jù)的數(shù)量足夠大，幾乎所有數(shù)據(jù)根據(jù)反射出的相同對象的波決定的未知波形相信在極大和極小參考數(shù)據(jù)的范圍內(nèi)被觀察到。下一步，被創(chuàng)建的參考數(shù)據(jù)用來對輸入數(shù)據(jù)匹配。在提議系統(tǒng)內(nèi)，從超聲波傳感器那里獲得的未知波形成數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)作為二維的數(shù)據(jù)處理。然后未知的數(shù)據(jù)屬于的種類被對圖像數(shù)據(jù)的模式匹配識別。如果未知的波形數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)被重疊，相配的過程阻塞，并且如果未知的波形數(shù)據(jù)在最大和最少的參考數(shù)據(jù)中，未知的波形數(shù)據(jù)被推斷屬于保存參考數(shù)據(jù)的種類，并且這被作為識別結(jié)果確定。2.2 系統(tǒng)配置圖 3 是一張在這項研究過程中使用的系統(tǒng)的方框圖。顯示的坐標(biāo)系統(tǒng)被在測量環(huán)境過程中使用。

42、測量的目標(biāo)位于原點并且在以 x-y 平面中心為原點的平面中測量。在這些實驗過程中，在數(shù)字里顯示的金屬形成的物體是測量目標(biāo)。測量設(shè)備被放在 y 軸的原點上，使用有獨立輸送和接收的 40 kHz 超聲波傳感器(日本陶器制法 T / 16 R40)來進行測量。在 3 圖中，超聲波傳感器被安排有左右接受器和在中心內(nèi)的輸出器。那些目標(biāo)的反射波兩臺接收傳感器接收，并且是模擬對數(shù)字化的轉(zhuǎn)變(100 MHz 抽樣率，32 位)。在 FFT 之后處理，數(shù)據(jù)是對識別電路的輸入。通過使用兩臺接收的傳感器，因為輸入信息的增加，下列效應(yīng)可以被預(yù)測：改進識別率；不僅是簡單的物質(zhì)識別，而且種類更復(fù)雜的結(jié)合體如角和測量距離的

43、識別。2.3 識別電路被提出的識別方法是一個運算法則，在數(shù)據(jù)匹配過程中，這個法則可以被作為一條組合的邏輯電路的硬件來執(zhí)行。一個匹配電路決定著輸入數(shù)據(jù)是否在最大和最少的參考數(shù)據(jù)內(nèi)。2.3.1 匹配電路當(dāng)決定來自于一條組合的邏輯電路時， 參考數(shù)據(jù)和輸入數(shù)據(jù)被量化成PQ 二維的形式，每排進行比較。組合的邏輯電路用來比較兩排。從而，P 組合的邏輯電路(有 Q 輸入)來比較一個波形數(shù)據(jù)。被提議的系統(tǒng)使用兩臺傳感器；2P 組合的邏輯電路進行每種類的識別。一條組合的邏輯電路把少量參考數(shù)據(jù)和輸入數(shù)據(jù)進行比較。如果比較的兩排匹配精確， “1”是輸出量；否則， “0”是輸出量。為了創(chuàng)建比較這對排的組合的邏輯電路，

44、從參考數(shù)據(jù)中創(chuàng)建一份真實的表格。首先，每個種類的參考數(shù)據(jù)如圖 4 中所示被量化成 PQ 二維的形式。等于或者超過參考數(shù)據(jù)的最大量的區(qū)域被調(diào)整到“0” ， 最小量被調(diào)整到“1” ，并且其他區(qū)域被調(diào)整到涉及不到的區(qū)域(“x”)。下一步，一排量化的參考數(shù)據(jù)被作為真實表格確定，并且建立了在每排和輸入數(shù)據(jù)相配的組合的邏輯電路。通過增加不被關(guān)注的真實表格，由于測量條件，識別電路吸收波形內(nèi)的變化，例如隨著溫度的變化。電路可以在尺寸方面簡化，因為并非所有數(shù)據(jù)值都要在識別過程中引用。輸入數(shù)據(jù)被類似量化。相同或是比數(shù)據(jù)值大的地區(qū)的數(shù)據(jù)值調(diào)整到“0”和小于這個區(qū)域的數(shù)據(jù)值對應(yīng)“1” 。然后每排輸入數(shù)據(jù)被選出，對相應(yīng)

45、排的組合的邏輯電路的輸入，與參考數(shù)據(jù)相比。圖 5 顯示在真實表格和在圖 4 的第 4 排的組合邏輯電路之間的輸入/產(chǎn)量關(guān)系。在圖 5，R(x，y)描述被量化的參考數(shù)據(jù)的象素價值，x 是排號碼和 y 是欄數(shù)。U(x，y)描述被量化的輸入數(shù)據(jù)的象素價值并且成為對組合的邏輯電路的輸入。F(X4)代表 4 排的組合的邏輯電路的輸出量。當(dāng)所有 R(4，0)到 R(4，Q1)和 U(4，0)到 U(4，Q1)匹配時，生產(chǎn) F(X4)成為“1” 。如果輸入數(shù)據(jù)是在最大和最小的參考數(shù)據(jù)內(nèi)， 所有排的組合的邏輯電路的輸出量成為“1” 。下一步，因為在輸入數(shù)據(jù)和種類之間的類似處被確定， “1”來自所有組合的邏輯電

46、路的 s 產(chǎn)量的總數(shù)是種類的相象 E種類，并且有最高類似處的種類被作為最終的結(jié)果。2.3.2 電路的簡化當(dāng)組合邏輯電路被創(chuàng)建時，當(dāng)真實表格被制作成一條沒有被修正的電路時，所有數(shù)據(jù)值都成一排被引用， 組合邏輯電路的輸入的數(shù)量隨決定增加而增加，并且電路規(guī)模變得更大。為了降低電路規(guī)模，識別電路被簡化。如圖 4， “0” 、“1” 和“x”(不要關(guān)心)三個區(qū)域存在于被量化的參考數(shù)據(jù)， 以及“0”和“1”的兩個區(qū)域存在于輸入數(shù)據(jù)。當(dāng)在參考數(shù)據(jù)的區(qū)域之間的邊界被檢驗時，全部的價值大，基于參考數(shù)據(jù)的特性，所有數(shù)值大于或等于最大值“0”并且全部數(shù)值少于最小值“1”的。當(dāng)這種特征用于匹配過程，通過利用臨近的不相

47、關(guān)的兩個輸入值來實現(xiàn)。圖 6 呈現(xiàn)出一個 m 排的簡單組合邏輯電路的實例?？梢钥吹饺绻诹炕瘏⒖紨?shù)據(jù)的 m 排里 從 R(m, Q3) 到 R(m, 2)不被關(guān)注，在 m的被量化的參考數(shù)據(jù)排不關(guān)心，匹配整個排只由從所有輸入數(shù)據(jù) U(m，Q-1)到U(m，0)的 U(m，Q-2)U(m，1) 的計算變得可能。通過做這次簡化， 在忽視決議時，每排的組合的邏輯電路的輸入的數(shù)量是 2，將導(dǎo)致在電路規(guī)模方面的大幅度削減。2.3.3. 識別電路的構(gòu)造圖 7 顯示提議識別電路的整個結(jié)構(gòu)。 比較每種種類的輸入數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)(E種類，計數(shù)器的總數(shù))，比較每種種類類似處的一個最大數(shù)值探測電路，探測最大值，從而識別電路從一個匹配電路中而被構(gòu)造出來。為在早先階段比較記述的參考數(shù)據(jù)和從每個邏輯電路計算“1”輸出量的數(shù)值的一個計數(shù)器，而從一個組合邏輯電路中構(gòu)建一個電路。在圖 7 的 UL (x，y)和 UR (x，y)是輸入數(shù)據(jù)從左和右超聲波傳感器那里，分