毕业设计（论文）-基于AT89C52单片机的超声波测距离系统设计.doc

吉吉林林工工程程技技术术师师范范学学院院 毕毕业业设设计计(论论文文) 题题 目目: 超声波测距离系统设计超声波测距离系统设计 专专 业业: 自动化自动化 班班 级级: 0843 学学 号号: 32 姓姓 名名: 指导老师指导老师: 2012 年年 4 月月 15 号号 吉林工程技术师范学院自动化 1 摘摘 要要 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。 本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及 at89c52 单片机的性 能和特点，并在分析了超声波测距的原理的基础上，指出了设计测距系统的思 路和所需考虑的问题，给出了以 at89c52 单片机为核心的低成本、高精度、微 型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。该系统电路设计合理、 工作稳定、性能良好、检测速度快、计算简单、易于做到实时控制，并且在测 量精度方面能达到工业实用的要求。 关键词关键词：超声波超声波 单片机单片机 测距测距 at89c5at89c52 2 吉林工程技术师范学院自动化 2 abstractabstract ultrasonic wave has strong pointing to nature ,slowly energy consumption ,propagating distance farther ,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 construction 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 ,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 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 吉林工程技术师范学院自动化 3 目 录 摘摘 要要1 abstractabstract.2 目目 录录3 第第 1 1 章章 超声波测距系统设计超声波测距系统设计.5 1.1 超声波测距的原理.5 1.2 超声波测距系统电路的设计5 1.2.1 总体设计方案5 1.2.2 发射电路的设计 .6 1.2.3 接收电路的设计 .7 1.2.4 显示模块的设计 .8 1.3 超声波测距系统的软件设计.9 1.4 本章小结11 第第 2 2 章章 绪论绪论.12 2.1 课题背景，目的和意义12 2.2 两种常用的超声波测距方案12 2.2.1 基于单片机的超声波测距系统 12 2.2.2 基于 cpld 的超声波测距系统 .13 2.3 课题主要内容14 第第 3 3 章章 超声波传感器超声波传感器.15 3.1 超声波传感器的原理与特性15 3.1.1 原理 15 3.1.2 特性 16 3.2 超声波传感器的检测方式17 3.3 超声波传感器系统的构成18 3.4 本章小结19 第第 4 4 章章 at89c51at89c51 单片机简介单片机简介.20 4.1 单片机基础知识20 4.1.1 单片机的内部结构 20 4.1.2 单片机的基本工作原理 22 4.2 单片机的分类及发展23 4.3 单片机 at89c52 的特性24 4.4 本章小结27 第第 5 5 章章 电路调试及误差分析电路调试及误差分析28 5.1 电路的调试28 5.2 系统的误差分析28 吉林工程技术师范学院自动化 4 5.2.1 声速引起的误差 28 5.2.2 单片机时间分辨率的影响 29 5.4 本章小结30 结论 31 致谢 32 参考文献 33 附录 1.34 附录 2.39 附录 3.40 吉林工程技术师范学院自动化 5 第 1 章 超声波测距系统设计 1.11.1 超声波测距的原理超声波测距的原理 单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的 回波, 从而测出发射和接收回波的时间差t，然后求出距离 (1-1) 2 ct s 式(1-1)中的c为超声波在空气中传播的速度。 限制该系统的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度、反射物的质地、 反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲 的直接接收能力将决定最小可测距离。为了增加所测量的覆盖范围，减少测量 误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射/接收的设计方法。由 于超声波发球声波范围，其波速c与温度有关，表 1-1 列出了几种不同温度下 的波速。 表 1-1 声速与温度的关系 温度()302010 0102030100 声速(m/s) 313319325323338344349386 波速确定后，只要测得超声波往返的时间 t，即可求得距离 s。其系统原理 框图如图 1-1 所示。 图 1-1 超声波测距系统框图 单片机 at89c52 发出短暂的 40khz 信号，经放大后通过超声波换能器输出； 反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生 锁定信号启动单片机中断程序，读出时间t，再由系统软件对其进行计算、判 别后，相应的计算结果被送至 led 数码管进行显示。 在下一节里，我们将详细介绍超声波测距仪的各部分电路的设计思路及方 法。 吉林工程技术师范学院自动化 6 1.21.2 超声波测距系统电路的设计超声波测距系统电路的设计 1.2.11.2.1 总体设计方案总体设计方案 由单片机 at89c51 编程产生 40khz 的方波，由 p3.6 口输出，再经过放大电 路，驱动超声波发射探头发射超声波。发射出去的超声波经障碍物反射回来后， 由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的检波放大、积分整形及一系列处 理,送至单片机。单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间 间隔计算出障碍物的距离,并由单片机控制显示出来。 该测距装置是由超声波传感器、单片机、发射/接收电路和 led 显示器组成。 传感器输入端与发射接收电路相连,接收电路输出端与单片机相连接,单片机的 输出端与显示电路输入端相连接。其时序图如图 1-2 所示。 图 1-2 时序图 单片机在 t0时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产 生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。计算时 间差，即可得到超声波在媒介中传播的时间 t，由此便可计算出距离。 1.2.21.2.2 发射电路的设计发射电路的设计 由单片机产生的 40khz 的方波需要进行放大，才能驱动超声波传感器发射 超声波，发射驱动电路其实就是一个信号放大电路，本课题所选用的是 74hc04 集成芯片，图 1-3 为发射电路图。 吉林工程技术师范学院自动化 7 图 1-3 发射电路 74hc04 内部集成了六个反向器，同时具有放大的功能。74hc04 的管脚如图 1-4 所示。 图 1-4 74hc04 管脚图 1.2.31.2.3 接收电路的设计接收电路的设计 超声波接收头接收到超声波后，转换为电信号，此时的信号比较弱，必需 经过放大。本系统采用了 lm741 对接收到的信号进行放大，接收电路如图 1-5 所示。 吉林工程技术师范学院自动化 8 图 1-5 接收电路 超声波探头接收到超声波后，通过声电转换，产生一正弦信号，其频率为 传感器的中心频率，即 40khz。该信号通过 c1 高通滤波后经 lm741 放大，最后 经二极管整形后输出到单片机中断口。lm741 是一单运放集成芯片，图 1-6 为 lm741 管脚图。 图 1-6 lm741 管脚图 1.2.41.2.4 显示模块的设计显示模块的设计 led(light-emitting diode，发光二极管)有七段和八段之分，也有共阴和 共阳两种。 led 数码管结构简单，价格便宜。图 1-7 示出了八段 led 数码显示管的结 构和原理图。图 1-7(a)为八段共阴数码显示管结构图，图 1-7(b)是它的原理图， 图 1-7(c)为八段共阳 led 显示管原理图。八段 led 显示管由八只发光二极管组 成，编号是 a、b、c、d、e、f、g 和 sp，分别与同名管脚相连。七段 led 显示 管比八段 led 少一只发光二极管 sp，其他与八段相同。 吉林工程技术师范学院自动化 9 图 1-7 八段 led 数码显示管原理和结构 单片机对 led 管的显示可以分为静态和动态两种。静态显示的特点是各 led 管能稳定地同时显示各自字形；动态显示是指各 led 轮流地一遍一遍显示 各自字符，人们由于视觉器官惰性，从而看到的是各 led 似乎在同时显示不同 字形。 为了减少硬件开销，提高系统可靠性并降低成本，单片机控制系统通常采 用动态扫描显示。但是由于本系统所用的单片机引脚少，剩余引脚很多，而且 也只需显示三位字符，所以，采用了静态的显示方式，且采用了软件译码，这 样单片机引脚输出可直接接到 led 显示管上。这样省去了外部复杂的译码电路。 1.31.3 超声波测距系统的软件设计超声波测距系统的软件设计 单片机编程产生超声波，在系统发射超声波的同时利用定时器的计数功能 开始计时，接收到回波后，接收电路输出端产生的负跳变在单片机的外部中断 源输入口产生一个中断请求信号，响应外部中断请求，执行外部中断服务子程 序，停止计时，读取时间差，计算距离，然后通过软件译码，将数据输出 p0、p1 和 p2 口显示。 程序流程图如图 1-8，(a)为主程序流程图，(b)为定时中断子程序流程图， (c)为外部中断子程序流程图。 吉林工程技术师范学院自动化 10 (a) (b) (c) 图 1-8 程序流程图 用单片机编程产生 40khz 方波，可用延时程序和循环语句实现。先定义一 个延时函数 delays()，然后可用 for 语句循环，并且循环一次同时改变方波输 出口的电平高低，从而产生方波。部分程序如下： void delays() /延时函数 void main() for(a=0;a1000 次）flash rom 32 个双向 i/o 口 256x8bit 内部 ram 3 个 16 位可编程定时 /计数器中断 时钟频率 0-24mhz 2 个串行中断 可编程 uart 串行通道 2 个外部中断源 共 6 个中断源 2 个读写中断口线 3 级加密位 at89c52p 为 40 脚双列直插封装的 8 位通用微处理器，采用工业标 准的 c51 内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用 于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主ic 内部寄存器、数据 ram 及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥 控信号 ir 的接收解码及与主板 cpu 通信等。主要管脚有： xtal1（19 脚） 和 xtal2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12mhz 晶振。 rst/vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。 vcc（40 脚）和 vss（20 脚）为供电端口，分别接 +5v 电源的正负端。 p0p3 为可编程通用 i/o 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中， p0 端口（3239 脚）被定义为 n1 功能控制端口，分别与 n1 的相应功能管脚 相连接，13 脚定义为 ir 输入端，10 脚和 11 脚定义为 i2c 总线控制端口， 分别连接 n1 的 sdas（18 脚）和 scls（19 脚）端口， 12 脚、27 脚及 28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板cpu 的相应功能端，用于当前制式 的检测及会聚调整状态进入的控制功能 4.44.4 本章小结本章小结 本章重点介绍了单片机的一些基本知识，如单片机的内部结构，单片机的 工作原理等，只有详细了解单片机的工作原理，才能更好的使用单片机，用单 片机来设计电路。 本系统所用的单片机是 atmel 公司生产的 at89c51，dip 封装，40 引脚。 它的特点是内含 flash 存储器，采用 cmos 工艺，这种型号的芯片是目前应用得 最普遍的一种。at89 系列的单片机可分为标准型、低档型和高档型三类，均属 吉林工程技术师范学院自动化 26 于 8 位机。我们所使用的 at89c51 是标准型的，本章详细介绍了它的特性和参 数。 第 5 章 电路调试及误差分析 5.15.1 电路的调试电路的调试 通过多次实验，对电路各部分进行了测量、调试和分析。 首先测试发射电路对信号放大的倍数，先用信号源给发射电路输入端一个 40khz 的方波信号，峰-峰值为 3.8v。经过发射电路后，其信号峰-峰值放大到 10v 左右。 40khz 的方波驱动超声波发射头发射超声波，经反射后由超声波接收头接 收到 40khz 的正弦波，由于声波在空气中传播时衰减，所以接收到的波形幅值 较低，经接收电路放大，整形，最后输出一负跳变，在单片机的外部中断源输 入端产生一个中断请求信号。 该测距电路的 40khz 方波由单片机编程产生，方波的周期为 1/40ms，即 25s，半周期为 12.5s。每隔半周期时间，让方波输出脚的电平取反，便可产 生 40khz 方波。由于 12m 晶振的单片机的时间分辨率是 1s，所以只能产生半 周期为 12s 或 13s 的方波信号，频率分别为 41.67khz 和 38.46khz。本系统 在编程时选用了后者，让单片机产生约 38.46khz 的方波。 5.25.2 系统的误差分析系统的误差分析 5.2.15.2.1 声速引起的误差声速引起的误差 声波是媒质中传播的质点的位置、压强和密度对相应静止值的扰动。高于 20khz 时的机械波称为超声波，媒质包括气体、液体和固体。流体中的声波常 称为压缩波或压强波，对一般流体媒质而言，声波是一种纵波，传播速度为 (5-1) 2 e c 式(5-1)中e为媒质的弹性模量，单位 kg/mm2；为媒质的密度，单位 kg/mm3；e 为复数，其虚数部分代表损耗; c也是复数，其实数部分代表传播速 度，虚数部分则与衰减常数(每单位距离强度或幅度的衰减)有关，测量后者可 求得媒质中的损耗。声波的传播与媒质的弹性模量密度、内耗以及形状大小(产 生折射、反射、衍射等)有关。 吉林工程技术师范学院自动化 27 从式(5-1)可知，声波传输速度与媒介的弹性模量和密度相关，因此，利用 声速测量距离，就要考虑这些因素对声速影响。在气体中，压强、温度、湿度 等因素会引起密度变化，气体中声速主要受密度影响，液体的深度、温度等因 素会引起密度变化，固体中弹性模量对声速影响较密度影响更大，一般超声波 在固体中传播速度最快，液体次之，在气体中的传播速度最慢。气体中声速受 温度的影响最大。 声速受温度的影响为 (5-2) 2 0 1 273 cc 图 5-1 根据上式测量的温度-声速图。 图 5-1 空气中温度-声速图 由式(5-2)和图 5-1 可见，当温度从 040变化时，将会产生 7%的声 速变化，因此，为了提高测量准确度，计算时必须根据温度进行声速修正。工 业测量中，一般用公式计算超声波在空气中的传播速度，即 (5-3)331 0.6c 5.2.25.2.2 单片机时间分辨率的影响单片机时间分辨率的影响 不管是查询发射波与回波，还是由其触发单片机中断再通过软件启停定时 器，都需要一定的时候，中断的方式误差相对要小一些。 相对而言，单片机的时间分辨率还是不太高，如晶振频率为 12mhz 时，时 间分辨率为 1s。 随机误差 由于测量过程中的随机误差是按统计规律变化的，为了减少其影响，可 在同一位置处多次重复测量 xi，然后取平均值 x 作为测量的真值10。 提高测距精度的方法 上节分析了超声波测距系统误差产生的一些原因，如何提高测量精度是超 吉林工程技术师范学院自动化 28 声测距的关键技术。其提高测距精度的措施如下： 1. 合理选择超声波工作频率、脉宽及脉冲发射周期。 据经验，超声测距的工作频率选择 40khz 较为合适；发射脉宽一般应大于 填充波周期的 10 倍以上，考虑换能器通频带及抑制噪声的能力，选择发射脉 宽 1ms；脉冲发射周期的选择主要考虑微机处理数据的速度，速度快，脉冲发 射周期可选短些。 2. 在超声波接收回路中串入增益调节(agc)及自动增益负反馈控制环节。 因超声接收波的幅值随传播距离的增大呈指数规律衰减，所以采用 agc 电 路使放大倍数随测距距离的增大呈指数规律增加的电路，使接收器波形的幅值 不随测量距离的变化而大幅度的变化，采用电流负反馈环节能使接收波形更加 稳定。 3. 提高计时精度，减少时间量化误差。 如采用芯片计时器，计时器的计数频率越高，则时间量化误差造成的测距 误差就越小。例如：单片机内置计时器的计数频率只有晶振频率的十二分之一， 当晶振频率 6mhz 时，计数频率为 0.5mhz，此时在空气中的测距时间量化误差 为 0.68mm；当晶振频率为 12mhz 时，计数频率为 1mhz，此时测距时间量化误差 为 0.34mm。若采用外部硬件计时电路，则计数频率可直接引用单片机的晶振频 率，时间量化误差更小11。 4. 补偿温度对传播声速的影响。超声波在介质中的传播速度与温度、压力 等因数有关，其中温度的影响最大，因此需要对其进行补偿。 温度传感器 lm92 的温度测试分辨率为 0.0625，10至+85准确度为 1.0，i2c 总线接口。用 at89c51 的通用 i/o 端口能很容易的模拟 i2c 总线 的读写时序，lm92 高精度温度测量能很好的补偿超声波在不同温度的传播速度。 由 lm92 温度传感器和单片机组成的高精度超声波测距已应用在各种高精度 测距的场合，如自动气象站中水气日蒸发量的测试、自动任意形状物体密度测 试仪等，它具有测试速度快，能达到毫米级的测量精度等优点，在工程上的开 发与应用前景广阔12。 5.45.4 本章小结本章小结 在本章里，对设计的电路进行了调试和分析。对于测距系统来说，误差是 不可避免的。如何减小系统的误差，是设计测距系统必需要考虑的问题。本章 分析了各种产生测量误差的原因以及解决办法，以更进一步提高超声波测距系 统的测量精度。 吉林工程技术师范学院自动化 29 结论 本课题介绍了一种基于单片机的超声波测距系统的原理和设计。给出了硬 件和软件的设计方案。 超声波传感器是本系统的核心器件，本论文详细地介绍了超声波传感器的 原理、结构、检测方式以及它的一些特性。只有深入地了解超声波传感器的工 作原理，才能更好的设计测距电路。单片机是本系统的控制部分，采用 atmel 公司生产的 at89c51 芯片。驱动超声波传感器的 40khz 的方波信号，就是由单 片机编程产生的。本系统的发射电路采用 74hc04 六反向器，通过它对单片机产 生的方波信号进行放大，以驱动传感器工作。接收电路采用的是 lm741，通过 接收电路对接收到的信号进行放大和整形，最终再输出负脉冲给单片机响应中 断程序。本系统的 led 显示部分采用的是静态扫描方式，并用单片机软件译码。 单片机内部采用 c 语言编程，方波信号的产生、时间差的读取、距离的计算以 及显示输出的译码都由单片机编程完成。 本课题所设计的超声波测距系统具有测量精度较高、速度快、控制简单方 便等优点。测距范围从 20cm 到 200cm，测量精度在10cm 内。测距系统在许多 工业现场和自动控制场合，都有很重要的作用。但由于经验不足，电路硬件、 软件部分都有不够完善的地方，在今后的学习中会进一步改进。 总体来说，最重要的是在本课题的设计过程中我学到了很多知识，从中受 益匪浅。了解了超声波传感器的原理，学会了各种放大电路的分析、设计，也 掌握了单片机的开发过程和利用单片机设计电路的方法。对一块电路板的设计、 焊板、调试、改进等整个过程，有了更深入的理解和掌握。这些对我今后的学 习和工作都会有很大帮助的。 吉林工程技术师范学院自动化 30 致谢 历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了 无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文 指导老师吴丽波老师，她对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论 文的修改和改进。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供 了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感 谢！ 感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多你问素材，还在论文的 撰写和排版灯过程中提供热情的帮助。 由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请吴老师的批评和指 正！。 吉林工程技术师范学院自动化 31 参考文献参考文献 1.刘凤然.基于单片机的超声波测距系统.传感器世界.2001,5:29-32 2.葛健强.基于 cpld 的超声波测距仪研制. 无锡商业职业技术学院学报.2004,4(3):8-10 3.何希才,薛永毅.传感器及其应用实例.机械工业出版社,2004:138-152 4.胡汉才.单片机原理及其接口技术.清华大学出版社,2004:27-46 5.吴斌方,刘民,熊海斌.超声波测距传感器的研制.湖北工学院学报.2004,19(6):26-28 6.谭洪涛,张学平.单片机设计测距仪原理及其简单应用.现代电子技术.2004,18:94-96 7.peter hauptmann, ralf lucklum, bernd henning. ultrasonic sensors for process control. sensors update.1998,3: 163-207 8.赵占林,刘洪梅.超声波测距系统误差分析及修正.科技情报开发与经济.2002,12(6):144- 145 9.j. otto. sensors for distance measurement and their applications in automobiles. sensors update.2002,10:231-255 10.苏炜,龚壁建,潘笑.超声波测距误差分析.传感器技术.2004,23(6):8-11 11.罗忠辉,黄世庆.提高超声测距精度的方法. 机械设计与制造.2005,1:109 12.秦旭.用 lm92 温度传感器补偿的高精度超声波测距仪.电子产品世界.2003,6:58-59 13.yusuke moritake, hiroomi hikawa.category recognition system using two ultrasonic sensors and combinational logic circuit. electronics and communications in japan.2005,88(7):33-42 吉林工程技术师范学院自动化 32 附录 1 采用双超声波传感器和组合逻辑电路的种类识别系统 在这篇文章里，我们使用一种技术，它用来从被反射出的超声波认出一种 材料并且使用两台超音速飞机传感器提议一个种类识别系统。在这个系统里， 被反射出的波形被作为二维的图像，并且属于那个种类的一个目标是瞬间模式 从参考数据到一条组合的逻辑电路中匹配认出的。在这个系统里，信息的结合 例如物体的材料，角度和距离被作为识别种类确定。模式匹配被从参考数据直 接创建的一条组合的逻辑电路所携带。根据提议的方法完成标准的波形数据的 识别试验来证明提议系统和它的效力的特征，被适用于在具体的状况下的识别。 由于 5 种原料作为种类下落，获得的结果显示了一个差不多 100%的识别率，并 且当种类是倾向于材料，角度和距离的结合时，高的识别结果是为几乎所有的 材料获得的。 1介绍 传统的图样识别是基于一种未知的模式和以知模式之间的一次距离计算。 在两种模式之间的距离被连续计算，并且这种未知的模式属于的种类是基于结 果的估计之上1,2。因此，如果模式的数量或者种类的数量增加，计算时间变 长并且执行实时识别和高速处理时变得尤其复杂困难。为了达到实时处理，一 种传统方法和大规模的硬件供应是必要的。为了解决问题，使用基于 vlsi 的组 合的逻辑电路的一种模式识别方法已经被提出3。这种方法使用一种遗传算法 (ga)，由 ga 设计组合的逻辑电路和从模型数据中直接创建模式识别的一条集成 电路。因为这种方法在原理平台的最优化里使用 ga，需要极其长的时间设计电 路。因此，我们为更简单的模式比较这种组合的逻辑电路提出一种设计方案4。 吉林工程技术师范学院自动化 33 这被用于一个系统， 那就是从超声波传感器的波形数据材料识别，目标材料作 为识别种类。自从用这种方法从模型数据中创造了一个直接电路，一个识别电 路可能在比利用 ca 方法更短的制作时间内被创造出来。 超声波传感器经常被作为机器人里的修正距离的传感器使用，目的是为了 在不能使用光学传感器的水下或夜间环境下起度量作用，并且在形状信息难像 玻璃或者不锈钢那样用光学方法捕获的对象的识别过程中5,6。通常，信息从 用超声波传感器反射出的波以只存在或者不存在量程范围内的障碍或者远离目 标信息中获得。不过，研究已经通过使用来自从超声波传感器获得的信息的神 经网络来识别目标的形状7-9。在裁判员 4 的系统里，快速傅里叶变换算法 (fft)反射波的波形被用作种类识别的一个特征。首先，一台单个的超声波传感 器用来测量一个对象的被反射的波。属于未知数据的种类通过一种涉及到这个 反射波的 fft 波形的模式匹配来进行推断的。模式匹配被假设为使用一条组合 的逻辑电路。我们使用这种方法识别未知物体的材料，它的效力已经被检验。 因此，在识别材料中的高识别率是不用质疑的。这种方法的前提是在硬件中实 施，期望可以通过使用一条组合的逻辑电路实现快速识别，应用于航空，例如 自动化运输工具，将随着这种系统的进一步延伸而成为可能。在这篇文章里， 我们提出一个种类识别系统，这种识别方法来识别种类被延伸至从物体原料到 化合物体材料，角度和测量距离上的延伸，并且模型识别是基于得到的二台超 声波传感器的波形和组合的逻辑电路使用。那时，用测量的波形数据和其他种 类方法的对比的种类实验，通过证明被提议方法的特征来估计提议方法。 2提出的系统 2.1 识别算法 在这个部分里解释被提议的方法的种类识别的算法。首先，超声波放电来 测量物体，并且超声波传感器收到被反射的波。fft 被用于通过超声波传感器 在频率领域内产生的数据而获得反射波。传输数据的 35khz 到 45khz 区域 被用于识别。原因是超声波传感器被用于中心是 40 khz 的频率。图 1 显示 5 个 fft 波形样品，(a)木头,(b)铁，(c)纸板，(d)海绵和(e)塑料。这些波形是 从有着相同的尺寸的金属板形状的物体(30 厘米 x 30 厘米)中获得的 fft 波形。 如图 1，每种材料中的波形显示了特征的不同。在这篇文章里，被反射的波形 中存在差别的原因没有被详细地分析，但是被认为是每种材料或者表面形状的 声阻抗的差别5, 6。因此， 我们相信一物体材料可以图样识别与 fft 反映出 的波形来识别每种物体材料的特征。 下一步，我们创造有着极大值和级小值的图表，因为从接收传感器获得的 多测量数据有着自己的频率组合。这张图被叫为参考数据。图 2 是一个参考数 吉林工程技术师范学院自动化 34 据的例子。 参考数据是每种类识别的基础。下列方程式用来确定最大和最少的 参考数据： 最大值= e(f) + 2 (f) 最小值= e(f) 2 (f) e(f)表示在决定于培训用数据的频率 f 方面的指示能力，而 (f)表示频 率英尺指示能力的标准偏差。参考数据的最大值和最小值表明数据与描述被测 量的对象的特征的波形不符合的范围。如果我们假定这些参考数据遵循一个标 准的分布，让被测量的数据 x 的平均值是 x ，标准偏差是 ，然后我们得到大 约测量的数据 x 的 95%在 x 2 间隔范围内10。通过把极大值和极 小值放置在参考数据 e(f) 2 (f)里，如果培训用数据的数量足够大， 几乎所有数据根据反射出的相同对象的波决定的未知波形相信在极大和极小参 考数据的范围内被观察到。 下一步，被创建的参考数据用来对输入数据匹配。在提议系统内，从超声 波传感器那里获得的未知波形成数据和参考数据作为二维的数据处理。然后未 知的数据属于的种类被对图像数据的模式匹配识别。如果未知的波形数据和参 考数据被重叠，相配的过程阻塞，并且如果未知的波形数据在最大和最少的参 考数据中，未知的波形数据被推断属于保存参考数据的种类，并且这被作为识 别结果确定。 2.2 系统配置 图 3 是一张在这项研究过程中使用的系统的方框图。显示的坐标系统被在 测量环境过程中使用。测量的目标位于原点并且在以 x-y 平面中心为原点的平 面中测量。在这些实验过程中，在数字里显示的金属形成的物体是测量目标。 测量设备被放在 y 轴的原点上，使用有独立输送和接收的 40 khz 超声波传感器 (日本陶器制法 t / 16 r40)来进行测量。在 3 图中，超声波传感器被安排有左 右接受器和在中心内的输出器。那些目标的反射波两台接收传感器接收，并且 是模拟对数字化的转变(100 mhz 抽样率，32 位)。在 fft 之后处理，数据是对 识别电路的输入。通过使用两台接收的传感器，因为输入信息的增加，下列效 应可以被预测： 改进识别率； 不仅是简单的物质识别，而且种类更复杂的结合体如角和测量距离的识别。 2.3 识别电路 被提出的识别方法是一个运算法则，在数据匹配过程中，这个法则可以被 作为一条组合的逻辑电路的硬件来执行。一个匹配电路决定着输入数据是否在 吉林工程技术师范学院自动化 35 最大和最少的参考数据内。 2.3.1 匹配电路 当决定来自于一条组合的逻辑电路时， 参考数据和输入数据被量化成 pq 二维的形式，每排进行比较。组合的逻辑电路用来比较两排。从而，p 组 合的逻辑电路(有 q 输入)来比较一个波形数据。被提议的系统使用两台传感器； 2p 组合的逻辑电路进行每种类的识别。一条组合的逻辑电路把少量参考数据 和输入数据进行比较。如果比较的两排匹配精确， “1”是输出量；否则， “0” 是输出量。为了创建比较这对排的组合的逻辑电路，从参考数据中创建一份真 实的表格。首先，每个种类的参考数据如图 4 中所示被量化成 pq 二维的形式。 等于或者超过参考数据的最大量的区域被调整到“0” ， 最小量被调整到“1” ， 并且其他区域被调整到涉及不到的区域(“x”)。下一步，一排量化的参考数据 被作为真实表格确定，并且建立了在每排和输入数据相配的组合的逻辑电路。 通过增加不被关注的真实表格，由于测量条件，识别电路吸收波形内的变化， 例如随着温度的变化。电路可以在尺寸方面简化，因为并非所有数据值都要在 识别过程中引用。输入数据被类似量化。相同或是比数据值大的地区的数据值 调整到“0”和小于这个区域的数据值对应“1” 。然后每排输入数据被选出，对 相应排的组合的逻辑电路的输入，与参考数据相比。图 5 显示在真实表格和在 图 4 的第 4 排的组合逻辑电路之间的输入/产量关系。在图 5，r(x，y)描述被 量化的参考数据的象素价值，x 是排号码和 y 是栏数。u(x，y)描述被量化的输 入数据的象素价值并且成为对组合的逻辑电路的输入。f(x4)代表 4 排的组合的 逻辑电路的输出量。当所有 r(4，0)到 r(4，q1)和 u(4，0)到 u(4，q1)匹 配时，生产 f(x4)成为“1” 。如果输入数据是在最大和最小的参考数据内， 所 有排的组合的逻辑电路的输出量成为“1” 。 下一步，因为在输入数据和种类之间的类似处被确定， “1”来自所有组合 的逻辑电路的 s 产量的总数是种类的相象 e种类，并且有最高类似处的种类被作 为最终的结果。 2.3.2 电路的简化 当组合逻辑电路被创建时，当真实表格被制作成一条没有被修正的电路时， 所有数据值都成一排被引用， 组合逻辑电路的输入的数量随决定增加而增加， 并且电路规模变得更大。为了降低电路规模，识别电路被简化。如图 4， “0” 、 “1” 和“x”(不要关心)三个区域存在于被量化的参考数据， 以及“0”和 “1”的两个区域存在于输入数据。当在参考数据的区域之间的边界被检验时， 全部的价值大，基于参考数据的特性，所有数值大于或等于最大值“0”并且全 部数值少于最小值“1”的。当这种特征用于匹配过程，通过利用临近的不相关 吉林工程技术师范学院自动化 36 的两个输入值来实现。图 6 呈现出一个 m 排的简单组合逻辑电路的实例。可以 看到如果在量化参考数据的 m 排里 从 r(m, q3) 到 r(m, 2)不被关注，在 m 的被量化的参考数据排不关心，匹配整个排只由从所有输入数据 u(m，q-1)到 u(m，0)的 u(m，q-2)u(m，1) 的计算变得可能。通过做这次简化， 在忽视 决议时，每排的组合的逻辑电路的输入的数量是 2，将导致在电路规模方面的 大幅度削减。 2.3.3. 识别电路的构造 图 7 显示提议识别电路的整个结构。 比较每种种类的输入数据和参考数据 (e种类，计数器的总数)，比较每种种类类似处的一个最大数值探测电路，探测 最大值，从而识别电路从一个匹配电路中而被构造出来。为在早先阶段比较记 述的参考数据和从每个逻辑电路计算“1”输出量的数值的一个计数器，而从一 个组合逻辑电路中构建一个电路。在图 7 的 ul (x，y)和 ur (x，y)是输入数据 从左和右超声波传感器那里，分别地，被 fft 改变并且被量化。