1、无 线 传 感 网 络 技 术课 程 实 训 (论 文 )超声波传感器数据采集及界面开发院 （ 系 ） 名 称 电 子 与 信 息 工 程 学 院专 业 班 级 物 联 网 121学 号 120402066学 生 姓 名 江 立 骥指 导 教 师 李 锐 副 教 授起 止 时 间 ： 2015.6.292015.7.17课程设计（论文）任务及评语院（系）：电子与信息工程学院 教研室：物联网工程学 号 120402066 学生姓名 江立骥 专业班级 物联网 121课程设计（论文）题目超声波传感器数据采集及界面开发课程设计（论文）任务任务要求：1、建立点对点的无线传感网络；2、在上位机开发出 GU
2、I 界面；3、读取超声波传感器采集数据；4、数据经串口在 GUI 界面中显示；5、采集数据转化为具有实际意义的可用数据。技术要求：1、GUI 界面采用 MATLAB 语言进行开发；2、无线数据通信部分采用 Zigbee 协议；3、系统正常运行，软件界面友好、操作简单。指导教师评语及成绩平时成绩： 答辩成绩： 论文成绩： 作品成绩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：平时成绩占 20%，答辩成绩占 20%，论文成绩占 40%，作品成绩 20%。本科生课程设计（论文）目 录第 1 章 绪论 .11.1 超声波传感器发展概况 .11.2 超声波传感器在物联网技术中的应用 .21.3 本文研究内
3、容 .2第 2 章 总体设计方案 .32.1 方案论证 .32.2 总体设计方案框图及分析 .3第 3 章 超声波传感器单元硬件设计 .53.1 超声波传感器特性与参数： .53.1.1 超声波传感器特性 .53.1.2 超声波传感器参数 .53.2 模块工作原理 .6第 4 章 MATLAB 串口界面开发调试 .84.1 MATLAB 开发环境 .84.2 程序代码 .114.3.1 打开串口 .114.3.2 停止显示 .124.3.3 十进制显示 .134.3.4 清空 .134.3.5 清空发送区 .14第 5 章 综合测试与数据分析 .155.1 仿真与调试 .155.2 数据的采集
4、 .15第 6 章 总结 .18参考文献 .19本科生课程设计（论文）0第 1 章 绪论1.1 超声波传感器发展概况随着科技的迅猛发展越来越多科技成果被广泛的运用到人们的日常生活当中,给我们的生活带来了诸多方便。这一设计就是本着这个宗旨出发,利用超声波的特性来为我们服务。 人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在 20HZ-20KHZ 范围内，超过20KHZ 称为超声波，低于 20HZ 的称为次声波。常用的超声波频率为几十 KHZ-几十MHZ。由于超声波指向性强,因而常于距离的测量。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,因此
5、在移动机器人,汽车安全,海洋测量等上得到了广泛的应用。与激光测距、红外线测距相比,超声波对外界光线、色彩和电磁场不敏感,更适于黑暗、电磁干扰强、有毒、灰尘或烟雾的恶劣环境,在识别透明及漫反射性差的物体上也更有优势。而且超声波还有其指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点。超声波测距是一种非接触式测量,广泛应用于倒车防撞雷达、机器人接近觉、海洋测量、物体识别等领域。距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数,所以,测距就成为数据采集中要解决的一个问题。距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数,所以,测距就成为数据采集中要解决的一个问题。尽管测距有多种方式,比如,激光测距,微波测距,红外线
6、测距和超声波测距等。但是,超声波测距不失为一种简单可行的方法。超声波距离传感器可以广泛应用在物位（液位）监测，机器人防撞，各种超声波接近开关，以及防盗报警等相关领域，工作可靠，安装方便， 防水型，发射夹角较小，灵敏度高，方便与工业显示仪表连接，也提供发射夹角较大的探头。本设计是超声波测距仪装置,该装置利用了发射接收一体化的超声波传感器和微处理器。采用超声波传感器分时工作于发射和接收,利用声波在空气中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到超声波测距器之间的距离。因此经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。在日常生活中起了广泛的作用。本科生课程设计（论
7、文）11.2 超声波传感器在物联网技术中的应用物联网传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。至上个世纪 90 年代物联网概念出现以来，越来越的人们对其产生兴趣。物联网是在计算机互联网的基础上，利用射频识别、无线数据通信、计算机等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的实物互联网。作为政府从战略层面进行推进的产业，传感器在物联网中的应用如何从愿景走向现实并得到快速发展已成为业界关注的话题。基于 RFID、无线传感网络、超声波传感器等相关物联网技术提出了智能停车场管理系统模型,通过对车辆入场、入车位、出车位和出场的全流程描述,介绍车位预订、车位引导、停车位测控、出场管理等功能的实际应用.除此之外，还有超
8、声波测距，超声波金属探伤等。1.3 本文研究内容本文研究内容为用超声波传感器测量距离，实际需要用 MATLAB 工程软件开发适合自己的串口界面，用来对传感器采集的数据进行接收和显示。除此之外还需要协调器，用来接收超声波传感器的数据；超声波传感器，用来实时测量距离的数据；32 位转串软件和烧写程序，通过 CC2530 的 IO 端口发送一个高电平脉冲到超声波传感器的触发端，在超声波传感器的回声端采集高电平的长度。从而计算出障碍物离超声波传感器的距离。并通过 MATLAB 界面编程的串口，最后通过调试使得能够精确测量距离。技术要求：1、GUI 界面采用 MATLAB 语言进行开发；2、无线数据通信
9、部分采用 Zigbee 协议；3、系统正常运行，软件界面友好、操作简单。本科生课程设计（论文）2第 2 章 总体设计方案2.1 方案论证利用 MATLAB 开发串口界面，超声波传感器测量距离参数，协调器作为电脑和传感器之间的纽带进行数据传送。最后综合调试，使其结构更加简单、可靠性更高、使用加方便。图 2.1 总体界面2.2 总体设计方案框图及分析如图 2.2 所示，本超声波传感器与之适配的直流稳压电源供电，产生的实时数据由与电脑 USB 相连的协调器接收。协调器接收的是超声波传感器产生的无线信号，最后经过协调转换将数据通过数据线传送至电脑。由于距离不断变化，会不断输出不同的一组一组十六进制数据
10、，同时协调器也会接收来自实验室内其它无用信号，最后经过程序甄别，挑出可用信号，转化为十进制可读的数据。即距离参数数据。本科生课程设计（论文）3图 2.2 总体设计方框图超声波传感器协调器 串口 电脑输出设置参数本科生课程设计（论文）4第 3 章 超声波传感器单元硬件设计3.1 超声波传感器特性与参数：3.1.1 超声波传感器特性 当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元
11、件施加超声振动时，就会产生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括：（1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。（2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独
12、的制冷设备。（3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。3.1.2 超声波传感器参数小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的参数。1) 使用电压：DC5V 2) 静态电流：小于 2mA3) 电平输出：高 5V 4) 电平输出：底 0V5) 感应角度：不大于 15度
13、 本科生课程设计（论文）56) 探测距离：2cm-450cm 7) 高精度：可达 0.3cm板上接线方式，VCC、trig（控制端）、 echo（接收端）、 out（空脚）、 GND图 3.1 超声波时序图3.2 模块工作原理最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。一个控制口发一个 10US 以上的高电平,就可以在接收口等待高电平输出.一有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平时就可以读定时器的值,此时就为此次测距的时间,方可算出距离。超声波在空气中的传播速度为 340m/s，根据计时器记录的时间 t，就可以计算出发射点距障碍物面的距离 s，即：s=340t/2。具体方法：1) 采用 IO 触发测距，给至少 10us 的高电平信号;2) 模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回；3) 有信号返回，通过 IO 输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间测试距离=(高电平时间*声速(340M/S)/2; 本科生课程设计（论文）6图 3.2 超声波模块端口图示
