1、 本科学生毕业论文（设计） 题 目 （ 中文） ： 基于超声波的排污管道避障系统设计 （英文） ： Design of Obstacle Avoidance System For Sewage Pipe Based on Ultrasound 姓 名 朱 武 学 号 201306002214 院 （系） 电子与信息工程学院 专业、年级 电子信息工程专业 2013级 指导教师 杨 钰 工程师 2017 年 5月 8 日 I 目 录 绪 论 . 1 1 系统总体设计 . 3 1.1 超声波测距原理 . 3 1.2 超声波 传感 器 的选择 . 3 1.3 微机控制模块 的选择 . 5 1.3.1
2、基于 CPLD 的测距系统 . 5 1.3.2 基于单片机的测距系统 . 5 2 硬件模块 设计 . 7 2.1 单片机控制模块 . 7 2.2 超声波发射 模块 . 7 2.3 超声波接 收 模块 . 9 2.4 显示模块 . 9 2.5 报警模块 . 10 3 系统程序设计 . 11 3.1 超声波测距算法 . 11 3.2 主程序流程图 . 11 3.3 超声波发 射 子程序及超声 波接收中断程序 . 12 4 系统软件调试 . 14 4.1 通过 Keil 软件进行调试 . 14 4.1.1 程序编写 . 14 4.1.2 芯片选择 . 14 4.2 中断调试 . 15 4.3 超声波
3、模块调试 . 15 总 结 . 16 II 参考文献 . 17 致 谢 . 18 III 插图索引 图 1 超声波测距原理图 . 3 图 2 压电式超声波发生器 . 4 图 3 基于 CPLD 的超声波测距系统框图 . 5 图 4 基于单片机的超声波测距系统框图 . 6 图 5 超声波避障测距系统总体电路框图 . 7 图 6 AT89C52 单片机 . 7 图 7 单片机产生发射信号模块 . 8 图 8 多谐振荡器发射模块 . 8 图 9 晶体振荡器发射模块 . 8 图 10 超声波检测接收模块 . 9 图 11 显示控制模块 . 10 图 12 报警模块 . 10 图 13 超声波测距实物图
4、 . 10 图 14 主程序流程图 . 11 I 基于超声波的排污管道避障系统设计 摘 要 在我国的中小城市中，大都存在“老城区”，这些区域的排污管道大多是城市建成初期建设的，普遍存在管道直径小，施工不规范，检修井预留位置不合理等问题。随着人们生活水平的不断提高，城市污水排放量急剧增长，加之管道维护不到位、人们乱扔生活垃圾、新建管道时不慎落入建筑垃圾等人为因素，排水管道经常会出现堵塞现象，如果不能及时发现拥堵点并进行疏通，就有 可能导致排水不畅，污水溢出等严重后果。 对于堵塞的管道，如果仅靠人力进行故障排查，管理人员的工作量较大，而且还存在人员不能到达的“盲区”，不仅速度慢，定位精度也不高，严
5、重的，甚至需要进行破坏性开挖，才能够找到堵塞点，延误了排污的进度。想要一次性更换所有的排污管网，花费巨大且很难实现，所以，本文设计了基于超声波的排污管道避障系统，当排污管道堵塞时，能快速找到堵塞点并将信号返回给管理人员，大大的减少了排查的工作量。 本设计 以单片机 作为主控芯片， 超声波探头将测距信号传输至单片机进行综合分析处理，实现 超声波避障的 功 能，将检测到的信号返回给工作人员，从而实现排障。的功能。本项目设计了 系统的总体方案包括硬件电路和软件，硬件电路由微处理器，超声波发送、接收模块、显示模块等组成，软件由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。 系统用
6、C 语言编写程序，用 Keil 软件进行了调试，最后完成了系统的测试。 该系统能实时的检测出管道中的大块障碍物，测量的精度可达到 2cm，最大检测距离可达 4m。 【 关键词 】 单片机 超声波测距 管道排障 I Design of Obstacle Avoidance System For Sewage Pipe Based on Ultrasound Abstract Mostly exist in our countrys small and medium-sized cities “old“, the area of discharge pipes are mostly built i
7、n the early construction of city, common pipe diameter is small, the construction, maintenance well placeholder problems such as unreasonable. As people living standard unceasing enhancement, the urban sewage emissions sharply growth, combined with the pipeline maintenance is not in place, people th
8、row garbage, a new pipeline when he fell into human factors, such as construction waste drainage often appear jams phenomenon, if not timely find congestion points and unblock, it may lead to poor drainage, sewage overflow and other serious consequences. For pipeline jam, if only by human for troubl
9、eshooting, management personnels workload is bigger, but also the existence of personnel cannot reach “blind spots“, not only speed, positioning accuracy is not high also, serious, even destructive excavation is required, will be able to find the choke point, delayed the progress of the sewage. Want
10、 to one-time change all the sewage pipe network, costly and difficult to achieve, therefore, this paper designed the discharge pipes based on ultrasonic obstacle avoidance system, when the drainage pipeline jam, can quickly find the choke point and signal is returned to the management, greatly reduc
11、e the workload of the screen. This design with the single chip processor as the master control chip, the ultrasonic probe will be ranging signal transmission to SCM comprehensive analysis, we can realize the function of ultrasonic obstacle avoidance, the detected signal is returned to the staff, so
12、as to achieve debugging. The function. This project designs the overall scheme of the system including hardware circuit and software, the hardware circuit by microprocessor, ultrasonic sending and receiving module, display module, etc, the software consists of the main program, preset subroutine, la
13、unch subroutines, receive subroutine and display subroutine modules. The system was programmed in C and was debugged with Keil software and finally completed the system test. The system can detect large obstacles in the pipe in real time, the accuracy of measurement can reach 2cm, and the maximum de
14、tection range can reach 4m. 【 Key words】 Micro Control Unit Ultrasonic Location Pipeline Cowcatcher1 绪 论 一、 研究的背景及意义 在我国的中小城市中，大都存在“老城区”，这些区域的排污管道大多是城市建成初期建成的，普遍存在管道直径小，施工不规范，检修井预留位置不合理等问题。随着人们生活水平的不断提高，城市污水排放量急剧增长，加之管道维护不到位、人们乱扔生活垃圾、新建管道时不慎落入建筑垃圾等人为因素，排水管道经常会出现堵塞现象，如果不能及时发现拥堵点并进行疏通，就有 可能导致排水不畅，污水溢出
15、等严重后果。 对于堵塞的管道，如果仅靠人力进行故障排查，管理人员的工作量较大，而且还存在人员不能到达的“盲区”，不仅速度慢，定位精度也不高，严重的，甚至需要进行破坏性开挖，才能够找到堵塞点，延误了排污的进度。想要一次性更换所有的排污管网，花费巨大且很难实现，所以，本文设计了基于超声波的排污管道避障系统，当排污管道堵塞时，能快速找到堵塞点并将信号返回给管理人员，大大的减少了排查的工作量。 二、 国内外研究的现状 超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素干扰 的优点，是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输 时间 来测量距离，对被测目标无损害。而且超声波传播速度在相当大
16、范围内与频率无关 1。 2013 年，陈建等人利用驻极体电容麦克风作为超声波接收器来接收超声波信号 2，并且提出基于单个超声波信号的周期互相关滤波算法，这两种方法相结合使得距离测量精度进一步提升，精度可达 0.02mm。 2014 年，赖国强等人经过对超声波传感器的仔细分析，提出了利用粒子群优化算法来对回波包络上升沿进行拟合的测量方法 3。这种方法测量范围为300mm 1000mm，误差可控 制在 0.13mm 2.02mm 范围内，标准差可控制在0.04mm 0.19mm 范围内，该方法 在 测量精度和一致性上都有很大程度的提高。 2015 年，田文成等人针对超声波第一个超声回波前沿难以捕捉
17、，提出了多次増益校正增益可编程回波信号的检测方法，从而使比较器能够捕捉到首个回波前沿 4。针对目前测量超声波波速的补偿方法过于单一，提出了使用标准挡板的方法。先测量已知距离的传播时间，然后对待测距离的传播时间进行测量，通过两者之间的比值得出待测距离。反复试验的结果证明，这种改进方法能够实现在特殊环境下进行高精度的超声 波测距。 从最早发现超声波距今 已 有 100 多 年，在此期间，超声波已经被广泛应用到各个领域，这其中，超声波测距技术随着科学的发展不断的更新，已经能够实现2 毫米级精度的测量。本文结合大学所学知识，设计一个基于超声波的排污管道避障系统，利用超声波测距的原理，针对城市污水排放管
18、道 管径 小、网络复杂和 排障检修不便 等 问题 ，希望 为 改善城市排污 的疏通尽一份力 。 三、 主要内容 本设计 以单片机 作为主控芯片， 超声波探头将测距信号传输至单片机进行综合分析处理，实现 超声波避障的 功能，将检测到的信号返回给工作人员，从而实现排障的功能。本项目设计 了 系统的总体方案包括硬件电路和软件，硬件电路由微处理器，超声波发送、接收模块、显示模块等组成，软件由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。 系统用 C 语言编写程序，用 Keil软件进行了调试，最后完成了系统的测试。 该系统能实时的检测出管道中的大块障碍物，测量的精度可达到 2cm，最
19、大检测距离可达 4m。 3 1 系统总体设计 本章主要介绍了超声波的测距原理，传感器的类型。经比较后选择出适合本设计的传感器，最后 对微机处理模块所选用 具体方案进行选择。 1.1 超声波测距原理 超声波测距的 原理是利用超声波在介质中的传播速度为已知量，测量超声波从发射至遇到障碍物反射回来被接收的时间差，计算出发射点到障碍物的实际距离。即测出发射和接收回波的时间差 Tr，然后求出距 离 S C Tr 2，式中的 C为超声波在介质中的波速 5。图 1 即为超声波测距的原理图 图 1 超声波测距原理图 超声波指向性强，在介质中传播的距离较远，因而超声波常用于测量距离，通过超声波来实现的常用仪器有
20、 测距仪和物位测量仪等。利用超声波检测往往比较迅速、方便、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 。 表 1 列出了不同温度下超声波在空气中的传播速度。在使用中，如果温度变化很小，可以认为速度基本不变。 表 1 超声波在空气中的传播速度 温度 （） -30 -20 -10 0 10 20 30 100 声速 （米 /秒） 331 319 325 332 338 344 349 386 超声波在水中传播速度 和普通声音在水中速度是一样的，主要取决于水的密度、温度、溶液浓度、超声波的传播方向和水流 速度等都会有影响。声音主要利用的是水中的介质传播，通常说如果是纯水，无
21、其它任何杂质的话是无法传播的，水中的声速只跟介质的密度和容变弹性模量有关，一般认为温度会影响液体的容变弹性模量，这就需要我们考虑温度的补偿。流动的水是不会改变这两个参数的，所以声波在流动的水中传播速度不变。而本设计考虑到已经对排污管道进行截流，管道内就没有污水通过了，所以不考虑水的流动速度对其的影响。 4 1.2 超声波传感器的选择 目前，避障系统的测距使用的传感器主要有超声传感器、视觉传感器和激光传感器，结合易于实现以及成本等因素，本次设计 选用了压电式超声波传感器。 激光测距的技术复杂，实现难度较大且成本过高，而且有一些激光传感器所发射的激光，对人的眼睛还有伤害。 视觉传感器的图像处理中，
22、由于边缘锐化、特征提取等图像处理方法计算量大，实时性差，对中央处理机要求高，误差也较大。 超声传感器的成本低，实现方法简单，而且目前的超声波测距技术相当成熟，是机器人测距避障的常用传感器，综上，本设计选用超声波传感器。 为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了多种超声波发生器。一般来说，可分为两种：一种是用电气形式产生超声波，一种是用机械形式产生超声波。 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型、液哨型和气流旋笛型等。 它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也是不相同的。 本设计选用压电式超声波发生器，压电式是目前较为常用的一种超声波发生器类型。压
23、电式超声波发生器实际上就是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图 2所示： 共振器 电板 压电晶片 超声波 传感器结构 图 2 压电式超声波发生器 而根据系统要求，我这 次设计选择使用的是常用的压电式超声波发生器。压电式超声波发生器有两个压晶片和谐振板。当在两级外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振动频率时，会发生压电晶片的共振，并且驱动共振板振动，然后产生超声波。相反，如果没在两电极之间施加外加电压，当振板接收到超声波时，压电晶片将被压迫振动，机械能被转换成电信号，这样就成为了超声波接收器。在超声波检测电路中，在发射端接收到的输出脉冲为一系列方波，这一系列方波的宽度即为发射超声与接收超声的时间间隔，如果说被测物的距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲数与正在测量的距离成比例。
