超聲波懸浮控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

-2-第1章緒論1.1研究目的及意義本文旨在探討一種新的計(jì)算機(jī)管理控制與監(jiān)控系統(tǒng)，可以有效地防止越獄行為的發(fā)生。該系統(tǒng)采用變頻器和可編程序控制器，并配備網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)，以及工業(yè)交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的有效選擇和軟硬件的協(xié)同控制。本文著重闡述了計(jì)算機(jī)管理的服務(wù)、設(shè)施管理流程、控制機(jī)制、監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成、設(shè)計(jì)和操作指南。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀超聲波懸浮控制系統(tǒng)是一種基于超聲波技術(shù)實(shí)現(xiàn)物體懸浮和控制的技術(shù)系統(tǒng)。下面是關(guān)于國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的簡要概述：懸浮技術(shù)也稱之為非接觸式支撐技術(shù)，指的是一個(gè)系統(tǒng)，它能夠以一個(gè)垂直的、無需接觸的方式，將一個(gè)力量傳遞給另一個(gè)，這個(gè)力量的強(qiáng)度和另一個(gè)的重量一致，以此來維持另一個(gè)的穩(wěn)定，讓它保持一個(gè)懸掛的姿勢。通過采用非接觸式支撐技術(shù)，我們能夠讓所需的材料保持靜止，無需與容器壁進(jìn)行接觸，從而克服了傳統(tǒng)接觸式操作的諸多弊端，同時(shí)也無需考慮到被懸浮物的電磁特征，因此，它非常適合進(jìn)行小型、高級(jí)的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)前，許多不需要人工介入的無需人工介入的支持技術(shù)已經(jīng)被發(fā)明出來，包括但不限于：靜態(tài)、磁性、光學(xué)、空間、噪音和振蕩。2010年，經(jīng)過深入的理論探索，一種全新的軸承——超聲波懸浮軸承應(yīng)運(yùn)而生，它利用超聲波的能量來改變軸頸的懸浮狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)軸承的變形。為此，我們采用壓電換能器，精確地檢測軸承的懸浮間隙，同時(shí)還考察軸承的減摩特性，最終實(shí)現(xiàn)了一種更加優(yōu)異的軸承，它的優(yōu)勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的滑動(dòng)軸承或滾動(dòng)軸承。研究發(fā)現(xiàn)，在給定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，超聲波軸承的振動(dòng)幅度較高，因此它的懸浮間隙也更加寬敞。此外，它的減摩特性也比傳統(tǒng)軸承更加出色。隨著技術(shù)的進(jìn)步，OCL、OTL等多種OTL電路已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，從而極大地改善了超聲波電源的效能，同時(shí)也減少了其體積與重量。然而，由于其受到開關(guān)速度的局限，以及其獨(dú)特的晶體管開關(guān)特征，這類超聲波電源仍存在一些不足之處。隨著科技的進(jìn)步，全球范圍內(nèi)的超聲波檢測技術(shù)正迅猛地朝著數(shù)字化的方向前進(jìn)，其中，數(shù)字式超聲波檢測儀器的普及程度尤為顯著，尤其是中國，更是推陳出新，涌現(xiàn)出大量的新型設(shè)備。近年來漁業(yè)用電子機(jī)器的開發(fā)極其迅速，捕魚作業(yè)由過去依靠“估計(jì)加經(jīng)驗(yàn)”發(fā)展到依據(jù)“科學(xué)加數(shù)據(jù)”，操作方式也有大的變革。近年來，超聲波診斷儀已經(jīng)成為圖像醫(yī)學(xué)診斷的重要工具，與X射線、CT和MRI一樣，它們都能夠提供準(zhǔn)確的診斷結(jié)果。超聲波檢查不會(huì)損害人體，因此被廣泛應(yīng)用于各種醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，包括腹部和心臟診斷、婦產(chǎn)科和小兒科等。與傳統(tǒng)的圖像診斷儀相比，超聲波診斷儀具有體積小、價(jià)格低廉、操作簡單的優(yōu)勢，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測心臟和胎兒的狀況，因此，它在當(dāng)今社會(huì)受到了越來越多的重視和應(yīng)用。當(dāng)超聲波穿過人體時(shí)，它會(huì)不斷地壓縮和擴(kuò)張組織，從而產(chǎn)生熱量，消耗一定的能量。但是，隨著超聲波的持續(xù)傳播，振動(dòng)的強(qiáng)度會(huì)逐漸減弱，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。超聲波的吸收衰減可以被用于診斷脂肪肝，因此，它可以作為一種有效的診斷方法，以更準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)和治療脂肪肝。當(dāng)超聲波穿過具有不同聲阻的人體結(jié)構(gòu)的邊緣，就可能發(fā)生反射或者折射。A型顯示是通過測量振幅來衡量這種變化的，而B型則是通過測量圖片的亮度來評(píng)估這種變化的程度。A型和B型顯示均需要將超聲波波束從某個(gè)特定的角度轉(zhuǎn)換至另一種視角，以便將亮點(diǎn)清晰地展現(xiàn)出來，而M型則僅需要將波束從某個(gè)角度轉(zhuǎn)換至另一種視角，就可以清晰地展現(xiàn)出圖像。m型顯微鏡是一種常見的檢測工具，它可以幫助醫(yī)生檢查心房瓣膜及其周圍組織。1.3主要研究內(nèi)容采用一種新型的超聲波技術(shù)，可以大大降低物體之間的摩擦力，從而實(shí)現(xiàn)懸浮操作，這也是本次設(shè)計(jì)的一大亮點(diǎn)。該技術(shù)利用介質(zhì)中的強(qiáng)大聲波的聲輻射壓力，將物體懸浮在介質(zhì)中，從而達(dá)到更好的效果。超聲波技術(shù)可以用來改變物體的聲音，比如說，在大冢實(shí)驗(yàn)室里，人們可以通過超聲波來模擬真實(shí)世界中的聲音，而其他人則使用可聽的頻率。超聲波技術(shù)可以采用多種不同的方式來傳播，例如，它可以在物體表面產(chǎn)生波浪，然后將其反射回原點(diǎn)，也可以利用透明坦克產(chǎn)生強(qiáng)大的聲音。本文提出了一種全新的超聲波傳感器，用于測量懸浮物體的高度，其優(yōu)勢顯著，因?yàn)樗哂袠O低的振動(dòng)偏差和極強(qiáng)的抗干擾性，使得懸浮物體不僅能夠被穩(wěn)定地懸浮在空中，而且還可以通過超聲波傳感器準(zhǔn)確地測量傳感器與反射模型之間的距離，從而大大提升了懸浮物體的安全性和可靠性。超聲波傳感器能夠準(zhǔn)確地測量物體的距離，它們采用多種振蕩器技術(shù)，從外部發(fā)射到內(nèi)部接收，再從內(nèi)部反射回去，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的實(shí)時(shí)監(jiān)測。這使得傳感器頭的小型化成為可能。

第2章系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)2.1設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)由硬????????件????設(shè)計(jì)????????和程????序????????設(shè)計(jì)??兩??????部????分??構(gòu)??????成??。????硬??????件??設(shè)計(jì)????????分????為協(xié)????????調(diào)器????和????????終端設(shè)????????計(jì)????。協(xié)調(diào)器由一個(gè)主控制單片機(jī)和它的最小組件組成，它的電源電路由一個(gè)顯示屏和四個(gè)按鍵組成，而報(bào)警模塊則由兩個(gè)蜂鳴器組成。終端由一個(gè)主控制單片機(jī)和它的最小組件組成，它的電源電路由一個(gè)傳感器接口組成。2.2功能需求分析2.2.1技術(shù)路線：（1）Arduino芯片和超聲波發(fā)射器模塊構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的核心部分；（2）keil5是一個(gè)用于軟件平臺(tái)的程序；（3）畫原理圖用AD；（4）編程語言用C語言；（5）設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖。2.2.2預(yù)期結(jié)果：通過本次作品的展示，我們設(shè)計(jì)了一個(gè)超聲波懸浮控制系統(tǒng)，它具有以下功能：1.使用信號(hào)發(fā)生器，能夠產(chǎn)生特定頻率的電信號(hào)；2.通過改變振蕩信號(hào)的頻率，功率放大器能夠產(chǎn)生更高的功率輸出；3.通過調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，可以顯著提升超聲波發(fā)生器的聲功率；4.反饋電路可以提供雙重反饋：一是輸出功率的變化，二是頻率的變化，以便更好地控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。2.3總體方案設(shè)計(jì)第一步：在理論知識(shí)準(zhǔn)備階段，要深入理解設(shè)計(jì)課題，仔細(xì)研究其中所包含的內(nèi)容，以便更好地掌握相關(guān)知識(shí)；第二步：明確系統(tǒng)的各個(gè)組成部分，梳理出它們之間的聯(lián)系，并搜集有關(guān)軟硬件的信息；第三步：制定詳細(xì)的計(jì)劃，明確系統(tǒng)的組成部分，建立一個(gè)宏觀的系統(tǒng)框架，并以此為基礎(chǔ)繪制出相應(yīng)的原理圖；第四步：利用先進(jìn)的軟件技術(shù)，精確地構(gòu)建硬件電路，構(gòu)建各個(gè)功能模塊的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，以及由各種元素經(jīng)由精心安排的連接，最終完成整體的電路構(gòu)建；第五步：通過對(duì)系統(tǒng)控制流程的深入研究，完善軟件設(shè)計(jì)，并將其轉(zhuǎn)化為可視化的主流程圖；第六步：通過模擬仿真，評(píng)估系統(tǒng)的性能，以確保其能夠滿足預(yù)期的控制需求，并將結(jié)果匯總成論文。2.4單片機(jī)型號(hào)選擇Arduino的作用是能通過超聲波傳感器來感知環(huán)境，通過控制超聲波發(fā)射器來反饋使物體懸浮，板子上的微控制器可以通過Arduino的編程語言來編寫程序，編譯成二進(jìn)制文件，燒錄進(jìn)微控制器。它的電氣特性使得它在家庭電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用更加廣泛，而且它的電氣特性還具有高精度、高穩(wěn)定性、高效率等優(yōu)點(diǎn)。Arduino的編制需要使用Wiring（Arduino）撰寫的語言，并使用Processing（Arduino）的設(shè)計(jì)環(huán)境。一個(gè)完整的Arduino項(xiàng)目不僅僅需要Arduino本身，還需要與一些PC端的應(yīng)用（如Flash、Processing）等相互協(xié)作，才能夠完成任務(wù)。MaxMSP）來實(shí)現(xiàn)。圖2.1Arduino芯片原理圖

第3章系統(tǒng)的的硬件部分設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)由硬件設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)兩部分構(gòu)成。硬件設(shè)計(jì)分為協(xié)調(diào)器和終端設(shè)計(jì)。協(xié)調(diào)器由一個(gè)主控制單片機(jī)和它的最小組件組成，它的電源電路由一個(gè)顯示屏和四個(gè)按鍵組成，而報(bào)警模塊則由兩個(gè)蜂鳴器組成。終端由一個(gè)主控制單片機(jī)和它的最小組件組成，它的電源電路由一個(gè)傳感器接口組成。并且該設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)的功能如下：1.使用信號(hào)發(fā)生器，我們能夠產(chǎn)生特定頻率的電信號(hào)；2.通過改變振蕩信號(hào)的頻率，功率放大器能夠產(chǎn)生更高的功率輸出；3.通過調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，可以顯著提升超聲波發(fā)生器的聲功率；4.反饋電路可以提供雙重反饋：一是輸出功率的變化，二是頻率的變化，以便更好地控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。3.2系統(tǒng)的主要功能模塊設(shè)計(jì)3.2.1LCD顯示屏模塊設(shè)計(jì)LCD1602是一款高性能的lcd顯示器，可以清晰地展現(xiàn)出16*2的字體。然而，當(dāng)需要在LCD中清晰地展現(xiàn)一個(gè)字母的時(shí)候，就會(huì)變得非常困難，需要先確定RAM中的8個(gè)字母，然后將這些字母的不同的值設(shè)定在“1”、““0””之間，以便將““1””的值設(shè)定在正確的位置，而““0””的值則設(shè)定在“0”的值。通過使用內(nèi)置的字符發(fā)生器，我們能夠?qū)⒍鄺l漢字轉(zhuǎn)換為指定的漢字。為了更加便捷，我們只需要將漢字轉(zhuǎn)換為LCD1602中的文本，并輸入相關(guān)的代碼，然后按照RAM中的列號(hào)和行號(hào)，將漢字轉(zhuǎn)換為指定的漢字，最后將漢字輸入到lcd1602中。通過調(diào)整尺寸，我們提供了一系列多樣化的大屏應(yīng)用。這些應(yīng)用包括：單屏切換、單屏獨(dú)立顯示、隨機(jī)拼接、全屏拼接、雙拼接、橫向展開等。此外，我們還提供了多種圖像邊緣的調(diào)整方式，如補(bǔ)償或遮擋，以及對(duì)于數(shù)字信號(hào)的漫游、縮放、延展、橫向展開、畫面切換、3D播放等。此外，我們還提供了多項(xiàng)顯示方案，以滿足您的多樣化要求。拼接屏可以通過拼接來實(shí)現(xiàn)，它們可以直接使用，也可以通過組合來實(shí)現(xiàn)。拼接屏的外觀非常精細(xì)，只需0.9mm的厚度，并且配備了高級(jí)的防水材料和“快散”型號(hào)的散熱器。DID液晶拼接技術(shù)具有出色的兼容性，既可接收復(fù)雜的數(shù)據(jù)，又具備強(qiáng)大的功能，它既支持傳統(tǒng)的模擬信號(hào)，又具備裸眼3D的智能體驗(yàn)，使得它成為一種理想的拼接設(shè)備。（2）：顯示器的電源來自于外部設(shè)備，可以提供持久的供電；VDD（2）：為顯示器提供可靠的電源支持；V0是一種可以通過調(diào)整液晶顯示器的亮度來改善視覺效果的裝置；RS（4）：通過調(diào)整電平，可以使用數(shù)據(jù)寄存器和指令寄存器來實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的功能，從而滿足用戶的需求；RW（5）：一種用于控制輸出的接口，它能夠在輸出端的電壓較大時(shí)執(zhí)行輸出，在輸出端的電壓較小時(shí)執(zhí)行輸出。如果RS與RW都處于較小的輸出端，則能夠發(fā)送出一條指令，或是將一個(gè)地址顯示出來；如果RS處于較小的輸出端，而RW處于較大的輸出端，則能夠發(fā)送出一條忙信號(hào)；（6）：當(dāng)E端電平由高電平降至較低時(shí)，液晶模塊便會(huì)自動(dòng)觸發(fā)一個(gè)信號(hào)，來控制輸入的變化；使用8位雙向數(shù)據(jù)線，將D0-D7（7-14）連接起來，可以有效地實(shí)現(xiàn)高速、可靠的通信；A(15)：背光正極；K(16)：背光負(fù)極；圖3.1顯示屏模塊原理圖3.2.2按鍵輸入模塊設(shè)計(jì)當(dāng)使用更多的IO口時(shí)，我們可以使用將鍵盤的按鍵組合成一個(gè)矩形來更好地理解它們的位置。這種做法叫做逐行和逐列。掃描技術(shù)是一種用于檢測輸入信息的方法，它可以幫助我們快速定位輸入信息。例如，通過掃描第一行，我們可以快速定位第二行，并通過掃描第一列和第二列來確定輸入信息的位置。掃描技術(shù)可以幫助我們快速定位輸入信息，并使輸入信息更加準(zhǔn)確。原理圖如下。圖3.2按鍵輸入模塊原理圖3.2.3超聲波測距模塊設(shè)計(jì)通過應(yīng)力作為驅(qū)動(dòng)力，超聲波傳感器和超聲波發(fā)射器都能夠檢測到物體的運(yùn)動(dòng)。其中，應(yīng)力指的是物體受到電場的作用而產(chǎn)生的應(yīng)力，而這種應(yīng)力又會(huì)導(dǎo)致物體的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)外界的正電荷和壓電陶瓷的極化正電荷發(fā)生碰撞，而當(dāng)外界的負(fù)電荷發(fā)生碰撞，這兩種電荷就會(huì)發(fā)生互抵，從而使得壓電陶瓷的厚度和長短發(fā)生減少或增大。但是，如果外界的極性發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，那么這種情況就會(huì)導(dǎo)致壓電陶瓷的厚度和長短發(fā)生增大或減小。使用雙晶振子的超聲波傳感器，將雙壓電陶瓷片按照逆向的極性排列，使得一片延展，而另一片則收緊。為了更好地傳輸信號(hào)，雙晶振子的兩面均涂有薄膜電極，并且將電極的兩端分別連接至振動(dòng)板和電極的兩個(gè)端，從而實(shí)現(xiàn)超聲波傳感器的傳輸。雙晶振子是一種特殊的材料，它的外觀呈現(xiàn)出一個(gè)正方體，其周圍環(huán)繞著一圈圓弧，使得振子的振動(dòng)受到了雙重的約束。在振子的內(nèi)部，一個(gè)具有明顯的方位角的振子，它可以將振子的振動(dòng)聚焦在一個(gè)特定的位置，從而使得振子的振動(dòng)更加均勻，從而獲得更加穩(wěn)定的振蕩信號(hào)。（1）使用IO端的TRIG來檢測物體的位置，并提供最多10毫秒的高頻信息；（2）該模塊能夠同時(shí)產(chǎn)生8個(gè)40khz的方波，并能夠快速識(shí)別并反饋出任何信息；（3）當(dāng)某個(gè)信息被接受并被IO口ECHO檢測后，它會(huì)被轉(zhuǎn)換為某個(gè)高電平，這個(gè)高電平的持續(xù)時(shí)間即為該信息在傳播中的總長度，其中，傳播的總長度=（高電平的持續(xù)時(shí)間*聲速（340M/S））/2；（4）這個(gè)模塊的操作非常容易，只需要將電平調(diào)節(jié)到10US或更大，即可將電平設(shè)置到預(yù)設(shè)的閾值。然后，只要電平達(dá)到預(yù)設(shè)的閾值，便會(huì)啟動(dòng)時(shí)鐘，從而確定準(zhǔn)確的時(shí)刻，從而得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果。通過持續(xù)的循環(huán)檢查，我們就能夠獲得您所需要的精確的位置信息。圖3.3超聲波測距模塊原理圖3.2.4單軸換能器的設(shè)計(jì)在選擇超聲換能器時(shí)，應(yīng)該特別注意它的尺寸和形狀。這些因素都會(huì)影響它的懸掛性。在這篇文章中，我們將重點(diǎn)討論如何提高這種裝置的懸掛性。我們的研究對(duì)象是一種用于懸浮泡沫的單軸式換能器。（1）使用IO端的TRIG來檢測物體的位置，并提供最多10毫秒的高頻信息；當(dāng)一個(gè)物體被放置在一個(gè)具有聲波傳播的環(huán)境中時(shí)，它就會(huì)被聲波所作用，這種作用力會(huì)使它的重力和它的磁力相抵消。因此，我們選擇了一種新型的單軸式換能器，它的工作頻率被定義為20KHz，當(dāng)一個(gè)半徑為R的泡沫球被放置在一個(gè)排除外界干擾聲波良好傳播的環(huán)境下時(shí)，它會(huì)被一種叫做軸向聲波的力所作用，這種力的大小取決于它聲波頻率的高低。則公式（3-1）可知，此懸浮小球受到的軸向聲輻射力為（3-1）當(dāng)一個(gè)物體漂浮于聲音的環(huán)境中，它所承受的重量和聲波的傳播能量是相等的，因此，我們就能夠計(jì)算出物體的振幅u0，表示為公式（3-2）（3-2）在聲源的振幅A和在聲場空間內(nèi)，媒介物的振動(dòng)速率的幅值u0之間存在著關(guān)系為式（3-3）的聯(lián)系。（3-3）則懸浮起泡沫球，聲源即換能器輻射端的振幅A為式（3-4）（3-4）當(dāng)一個(gè)物質(zhì)的密度越高，它就越容易漂移到聲輻射力越低的地方，而當(dāng)它的密度越低，它就越容易漂移到聲輻射力越高的地方。因此，要想讓一個(gè)物質(zhì)漂移到聲輻射力越低的地方，就必須讓它的密度越高，這樣它就越容易漂移到聲輻射力越低的地方。通過應(yīng)用聲懸浮力的公式，我們發(fā)現(xiàn)換能器輻射端的振幅僅僅存在于理論上，因此，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，我們需要把sin（2）kz=1的參數(shù)輸入，從而獲得換能器輻射端的振幅，其表達(dá)形式為式（3-5）（3-5）3.2.5換能器陣的設(shè)計(jì)要求在這篇文章中，我們提出了一種新的換能器系統(tǒng)，它可以將泡沫塑料小球從地面上提升到空中，并且具有良好的懸浮性。這種系統(tǒng)的核心部分是一個(gè)可以使物體在空中保持穩(wěn)定的軸向聲學(xué)懸浮系統(tǒng)。采用20KHz的換能器陣列，將一個(gè)半徑約R的泡沫小球放置于一個(gè)由聲壓和重力達(dá)到平衡的聲學(xué)環(huán)境，其所承載的重力可以方程式表明：（3-6）（3-6）ρs表示泡沫塑料小球的密度，它的值等于ρs=100kg?m-3。由于泡沫小球和鋼球所承受的聲波傳播量相似，因此我們可以使用相似的表達(dá)式來進(jìn)行計(jì)算。因此，當(dāng)我們將一個(gè)物體放置于一個(gè)聲場空間時(shí)，它的振幅A可以用式子（3-7）來表示。（3-7）由于泡沫塑料小球的密度相對(duì)較低，因此，我們需要努力讓它們保持一種靜止的狀態(tài)，即保持其振幅不變。然而，當(dāng)我們把sin（2）kz=1的數(shù)據(jù)輸入到公式（3-8）后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，振幅變化的幅度也會(huì)隨之發(fā)生變化，從而影響到振動(dòng)的強(qiáng)弱。（3-8）經(jīng)過改進(jìn)，我們的新型換能器具有更高的振幅，輸出端的振幅達(dá)到了7.5μm，而后蓋板的振幅也達(dá)到了2μm。這意味著，我們的新型換能器具有更高的振幅放大率，達(dá)到了3.75。由于這些優(yōu)點(diǎn)，我們決定采用半波長的換能器。鑒于換能器的傳輸距離受到一定的局限性，陣元軸心距的選定應(yīng)當(dāng)盡量保持一個(gè)合理的值，以確保能夠滿足最佳的傳輸效果。目前，我們的陣元軸心距已經(jīng)達(dá)到了16mm，這一值可以滿足我們的要求，而且，我們可以根據(jù)陣元軸心距的要求，精確地調(diào)整陶瓷片的尺寸，以達(dá)到最佳的傳輸效果。鑒于目前關(guān)于換能器陣的研究仍然相當(dāng)匱乏，我們將采用一種新穎的布局，即將兩個(gè)換能器元件按照一定的間隔進(jìn)行布局，其中，每個(gè)元件的輻射端面將采用一個(gè)凹陷的圓形，而這種布局的細(xì)節(jié)可參照?qǐng)D3.4。圖3.4換能器前端原理圖

第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1軟件主流程圖本系統(tǒng)由硬件??設(shè)計(jì)和??程序設(shè)??計(jì)兩部??分構(gòu)成??。硬件??設(shè)計(jì)分??為協(xié)調(diào)??器和終??端設(shè)計(jì)??。協(xié)調(diào)器由一個(gè)主控制單片機(jī)和它的最小組件組成，它的電源電路由一個(gè)顯示屏和四個(gè)按鍵組成，而報(bào)警模塊則由兩個(gè)蜂鳴器組成。終端由一個(gè)主控制單片機(jī)和它的最小組件組成，它的電源電路由一個(gè)傳感器接口組成。（1）Arduino芯片和4超聲波發(fā)射器模塊構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的核心部分；（2）keil5是一個(gè)用于軟件平臺(tái)的程序；（3）畫原理圖用AD；（4）編程語言用C語言；（5）設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖。圖4.1模塊原理圖4.2超聲波測距軟件設(shè)計(jì)通過應(yīng)力作為驅(qū)動(dòng)力，超聲波傳感器和超聲波發(fā)射器都能夠檢測到物體的運(yùn)動(dòng)。其中，應(yīng)力指的是物體受到電場的作用而產(chǎn)生的應(yīng)力，而這種應(yīng)力又會(huì)導(dǎo)致物體的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)外界的正電荷和壓電陶瓷的極化正電荷發(fā)生碰撞，而當(dāng)外界的負(fù)電荷發(fā)生碰撞，這兩種電荷就會(huì)發(fā)生互抵，從而使得壓電陶瓷的厚度和長短發(fā)生減少或增大。但是，如果外界的極性發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，那么這種情況就會(huì)導(dǎo)致壓電陶瓷的厚度和長短發(fā)生增大或減小。使用雙晶振子的超聲波傳感器，將雙壓電陶瓷片按照逆向的極性排列，使得一片延展，而另一片則收緊。為了更好地傳輸信號(hào)，雙晶振子的兩面均涂有薄膜電極，并且將電極的兩端分別連接至振動(dòng)板和電極的兩個(gè)端，從而實(shí)現(xiàn)超聲波傳感器的傳輸。在開啟系統(tǒng)前，主程序會(huì)進(jìn)行必要的準(zhǔn)備，以確保它能夠正常運(yùn)行。其中，T0的定時(shí)器模式是16位的，這是一個(gè)開啟的起點(diǎn)。隨著時(shí)間的推移，我們會(huì)開啟一個(gè)新的時(shí)刻，這個(gè)時(shí)刻的定時(shí)器會(huì)以40khz的方波，并且會(huì)以12MHZ的晶振，以及1us的機(jī)械周期，以此來確定被測物與測距設(shè)備的位置。一旦，我們就會(huì)根據(jù)定時(shí)器T0的時(shí)刻（也就是超聲波的傳播時(shí)長），準(zhǔn)確地估算它們的位置，并以圖形的形式展現(xiàn)給大家。一旦電路被激活，T1就會(huì)啟動(dòng)一個(gè)時(shí)間周期，并且將信號(hào)傳輸至65ms，然后T1就會(huì)觸發(fā)一個(gè)中斷，并且向其他信號(hào)發(fā)射一個(gè)40khz的脈沖信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的反向傳輸。此外，INTO中斷的功能就是將信號(hào)從一個(gè)0狀態(tài)傳輸至另一個(gè)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的反向傳輸，從而達(dá)到與預(yù)先規(guī)劃的設(shè)計(jì)相一致的目的。如果發(fā)生了外界的中斷，我們需要從ENINTF0和ENINTF1位移開這些位，以防止它們被重復(fù)使用。我們可以使用軟件來移開這些位，以防止它們被重復(fù)使用。一旦發(fā)生了這種情況，我們可以立即終止這個(gè)中斷，然后繼續(xù)執(zhí)行其他的任務(wù)。通過IO口TRIG，我們能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的遠(yuǎn)程定位，并且能夠提供最低10us的高電平信息。此外，該模塊還能夠同步傳輸8個(gè)40khz的方波，從而更好地滿足定位需求。此外，當(dāng)目標(biāo)物體接收到任何一個(gè)高電平，我們還能夠根據(jù)該電平的長度來確定其反向傳播的時(shí)長。通過這個(gè)模塊，我們能夠快速準(zhǔn)確地測量物體的位置.這個(gè)過程非常容易，只需要將電平調(diào)節(jié)至10US或更大，然后將電平調(diào)節(jié)至適合的時(shí)長，便能夠獲得所需的位置信息。這個(gè)過程的時(shí)長與聲速成正比，因此，我們能夠輕松地完成對(duì)物體的位置測量，流程圖如下。圖4.2程序流程圖4.3按鍵輸入模塊軟件設(shè)計(jì)當(dāng)系統(tǒng)初始化完成后，開始正常工作。按下不同按鍵分別執(zhí)行不同功能。當(dāng)系統(tǒng)初始化完成后，開始正常工作。按下不同按鍵分別執(zhí)行不同功能。在矩陣鍵盤??按鍵較??多時(shí)為??了減少??IO口??的運(yùn)用??，通過??按鍵排??列成矩??陣的方??式，采??用逐行??或者是??逐列掃??描，就??可以讀??出按鍵的狀態(tài)。掃描的概念????：??數(shù)碼????管掃??描????(輸出????掃??描)????原理??:????顯示第????一??位>????顯示??第????二位，????然??后循????環(huán)這??個(gè)????過程，????最??終實(shí)????現(xiàn)所??有????數(shù)碼管????同??時(shí)點(diǎn)????亮的??效????果。矩????陣??按鍵????掃描??(????輸入掃????描??）原????理:??掃????描第一????行??>掃????描第??二????行>>????>??>>????掃描??第????一列>????>??掃描????第二??列????>>得????出??按鍵????位置??，工作流程圖如下。圖4.3按鍵輸入模塊工作流程圖4.4LCD顯示屏模塊軟件設(shè)計(jì)當(dāng)單片機(jī)初始化完成后，系統(tǒng)開始正常工作。這個(gè)模塊可以將計(jì)算出來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制對(duì)照BCD碼，并將其發(fā)送到P0口，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示。DISPLAY：PLAY:CLRP2.0SETBP2.1MOVA,40HMOVDPTR,#TABMOVCA,@A+DPTRMOVP0,ALCALLDL1MSMOVA,41HMOVCA,@A+DPTRSETBP2.0CLRP2.1MOVP0,ALCALLDL1MSDJNZR7,PLAYRETTAB:DB40H;0DB79H;1DB24H;2DB30H;3DB19H;4DB12H;5DB02H;6DB78H;7DB00H;8DB10H;9圖4.2LCD顯示屏模塊工作流程圖4.5超聲換能器陣的駐波懸浮傳輸能力在這篇文章里，我們提出了新的換能器陣元，它們既滿足了我們的設(shè)計(jì)需求，又能在懸掛狀態(tài)下工作。此外，我們還提出了將這些陣元通過特殊的結(jié)構(gòu)組裝在一起，以達(dá)到更好的效果。在這種情況下，我們可以通過改變諧振腔的長度來改善聲場的效果，從而提高整體的性能。通過對(duì)比不同的諧振腔長度，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)H=8.5mm的情況下，每個(gè)陣元都處于相應(yīng)的諧振頻率，而且2號(hào)陣元的輸入工作電流也是37.4V，因此，我們可以通過改變1號(hào)陣元的激發(fā)電流，將其逐漸升高，最終達(dá)到38.5V，以此來改變它的性質(zhì)，并且可以通過這種方式來改變它的參數(shù)，以達(dá)到更好的效果。將1陣元的輸入工作電壓降低到0，然后切換到2陣元，如圖4-10所示，當(dāng)輻射端與反射端的間距達(dá)到8.5mm時(shí)，改變換能器陣元的輸入工作電流的大小，就能讓直徑約4mm的氣泡小球進(jìn)行駐波懸浮傳播。第5章系統(tǒng)測試5.1主板實(shí)物圖此主板由一組散熱片，一個(gè)IO接口，四個(gè)按鍵，一塊Arduino芯片等原件組成。其設(shè)計(jì)思路為由IO接口接入電流通過Arduino芯片中編寫的程序作用在超聲波發(fā)生裝置中使其運(yùn)行，通過靠近散熱器的按鍵可以使超聲波發(fā)射器發(fā)出的頻率小幅的增加，當(dāng)使懸浮物穩(wěn)定在超聲波發(fā)射器之間時(shí)可通過位于按鍵模塊中間的兩個(gè)按鍵進(jìn)行調(diào)節(jié)使懸浮物進(jìn)行短距離的移動(dòng)，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長主板的溫度隨之升高，通過散熱片進(jìn)行降溫散熱，當(dāng)系統(tǒng)溫度升高到一定程度時(shí)蜂鳴器會(huì)警報(bào)提醒停止運(yùn)行，可通過按下靠近IO接口的按鍵使超聲波發(fā)射器的功率恢復(fù)至開始運(yùn)行的狀態(tài)。圖5.1主板完整實(shí)物圖5.2測試原理通過采用超聲波換能器，將來自外部的能量從電能變換成機(jī)械能，從而將能量發(fā)送到“聲壓節(jié)點(diǎn)”，該裝置能夠?qū)⒙暡ǖ膹?qiáng)度從低到高，并且能夠?qū)⒙暡ǖ膹?qiáng)度變換到聲壓的強(qiáng)度，從而形成駐波，從而達(dá)到能量的有效分配。通過建立一個(gè)平衡的狀態(tài)，將物質(zhì)固定在超聲波發(fā)射裝置中，從而實(shí)現(xiàn)物體的懸浮效果。圖5.2是單軸聲懸浮的原理圖?；钊曉囱b在長圓管的底部，在活塞輻射面的對(duì)面設(shè)有反射器，在其間建立駐波聲場，輻射面與反射面相距為半波長的整數(shù)倍。當(dāng)聲場中的輻射壓力與物體的重力相平衡時(shí)物體即懸浮在空間中。如果改變反射器的距離或振動(dòng)器的頻率，則可以移動(dòng)物體在空間中的位置。 圖5.2超聲波懸浮基本原理圖5.3實(shí)際運(yùn)行效果圖5.3超聲波發(fā)射器水平放置工作圖第6章總結(jié)與展望6.1總結(jié)盡管調(diào)試過程中遇到了一些挑戰(zhàn)，但在老師的指導(dǎo)下，我最終成功地發(fā)現(xiàn)了問題，并且采取了有效的措施來糾正設(shè)計(jì)中的缺陷，從而使系統(tǒng)軟件的運(yùn)行更加高效。這些措施主要涉及到以下幾個(gè)方面：。（1）經(jīng)過功率模塊模擬仿真，我們發(fā)現(xiàn)調(diào)試輸出值與設(shè)計(jì)要求存在較大差距。經(jīng)過仔細(xì)檢查，我們發(fā)現(xiàn)電路板焊接存在一些技術(shù)缺陷，因此需要進(jìn)行重新焊接。（2）通過使用仿真軟件，我們發(fā)現(xiàn)了一些錯(cuò)誤的代碼。經(jīng)過調(diào)整，我們發(fā)現(xiàn)，在啟動(dòng)程序流程時(shí)，單片機(jī)并未正常復(fù)位。為了獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果，我們在程序流程中添加了復(fù)位程序。（3）在進(jìn)行模擬仿真時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)端口號(hào)P0存在邏輯錯(cuò)誤。雖然這并不會(huì)對(duì)最終的輸出造成影響，但是在實(shí)際的印刷制版過程中，它確實(shí)會(huì)對(duì)電源電路造成損害。經(jīng)過調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)數(shù)據(jù)信息發(fā)送錯(cuò)誤代碼時(shí)，我們無法區(qū)分忙碌狀態(tài)。經(jīng)過對(duì)忙碌情況的細(xì)致分析，系統(tǒng)軟件運(yùn)行良好，而且沒有出現(xiàn)任何異常的數(shù)據(jù)信息，也沒有出現(xiàn)任何邏輯錯(cuò)誤。6.2展望通過對(duì)區(qū)域監(jiān)控管理系統(tǒng)的深入分析，我們提出了一種基于單片機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，它可以有效地實(shí)現(xiàn)制造連動(dòng)，其主要設(shè)計(jì)步驟如下：（1）經(jīng)過系統(tǒng)研究，我們發(fā)現(xiàn)周圍環(huán)境會(huì)對(duì)檢測設(shè)備產(chǎn)生重要影響。因此，我們提出了一種新的系統(tǒng)，它能夠自動(dòng)控制聲音大小和指令，保證安全工作區(qū)域的監(jiān)控管理；（2）為了解決前面提到的問題，我們提出了一個(gè)新的方案，即使用聲音感應(yīng)器來收集數(shù)據(jù)，并使用單片機(jī)來控制整個(gè)系統(tǒng)。雖然模擬仿真表明所有設(shè)計(jì)都符合技術(shù)規(guī)范，但是系統(tǒng)軟件仍存在一些缺陷，需要在今后的研究中加以完善。（3）在本設(shè)計(jì)中，我們沒有采用任何誤差控制的優(yōu)化算法，而是采用了PID優(yōu)化算法、模糊算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法等更加精確的控制方法，從而大大提升了實(shí)施的效率。（4）在未來的工作和學(xué)習(xí)中，工業(yè)觸摸屏可以通過引入計(jì)算機(jī)接口來實(shí)現(xiàn)更加高效的數(shù)據(jù)傳輸，比如通過智能手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的語音數(shù)據(jù)交互，從而使工作人員可以隨時(shí)隨地監(jiān)控機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)。參考文獻(xiàn)[1]常穎,楊志剛,吳博達(dá),程光明,田豐君,彭太江.超聲波懸浮性能及承載能力的實(shí)驗(yàn)研究[J].壓電與聲光,2019,27(2):197-199.[2]潘松,王冬,黃衛(wèi)清.基于超聲懸浮的微扭矩測量系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng),2020(7):134-136.[3]王冬,潘松,黃衛(wèi)清.一種新型超聲的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究[J].壓電與聲光,2019,32(6):926-928.[4]喬玉林,楊善林,臧艷,董新宇.超聲振動(dòng)對(duì)不同黏度潤滑油摩擦學(xué)性能的影響[J].潤滑與密封,2018,37(4):6-9.[5]包鋼,高焓,程廷海,肖承豐,李華.超聲減摩技術(shù)及其在氣動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究與展望[J].液壓與氣動(dòng),2020,0(3):1-10.[6]王洪臣,楊志剛,劉磊,楊利.基于軸向支撐超聲波懸浮高速電機(jī)的研究[J].壓電與聲光,2019,37(5):833-837.[7]王洪臣,楊利,楊志剛,劉磊.超聲振動(dòng)承載氣膜對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子懸浮支承與減摩的研究[J].潤滑與密封,2018,40(12):66-70.[8]王洪臣,李錕,吳波,楊利,楊志剛.基于超聲波懸浮支撐的高速電機(jī)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓,2020,0(3):78-80.[9]常穎,吳博達(dá),楊志剛,程光明,田豐君.超聲波懸浮推力承載能力及減摩性能[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版,2018,34(2):222-225.[10]STMICROELECTRONICS.STM32F103xEDataSheet[J].STMICROELECTRONICS,2020(1):32-35.[11]Stalin.AsurveyofBluetoothdatatransmission[J].ActacommunicationsSinica,2020,33(4):143-151.Citation:60.[12]Smith.Designandimplementationofremoteintelligentdoorcontrolsystembasedonraspberrypie[J].Intelligentcomputerandapplication,2018,8(3):79-83.[13]Jackson.Designofintelligenthomedoorcontrolsystembasedonsinglechipmicrocomputer[J].Industrialtechnology,2019,0(19):105-105.[14]Stalin.AsurveyofBluetoothdatatransmission[J].ActacommunicationsSinica,2020,33(4):143-151.Citation:60.[15]Smith.Designandimplementationofremoteintelligentdoorcontrolsystembasedonraspberrypie[J].Intelligentcomputerandapplication,2018,8(3):79-83.[16]Jackson.Designofintelligenthomedoorcontrolsystembasedonsinglechipmicrocomputer[J].Industrialtechnology,2019,0(19):105-105.[17]ChowJC,WatsonJG,LuZQ,etal.DescriptiveanalysisofPM2.5andPM10atregionallyrepresentativelocationsdur-ingSJVAQS/AUSPEX[J].AtmosphericEnvironment,2019,30:2079-2112.附錄電路圖A圖A.1電路原理圖源代碼/**************************************************************************//***@filecore_cm3.c*@briefCMSISCortex-M3CorePeripheralAccessLayerSourceFile*@versionV1.30*@date30.October2009**@note*Copyright(C)2009ARMLimited.Allrightsreserved.**@par*ARMLimited(ARM)issupplyingthissoftwareforusewithCortex-M*processorbasedmicrocontrollers.Thisfilecanbefreelydistributed*withindevelopmenttoolsthataresupportingsuchARMbasedprocessors.**@par*THISSOFTWAREISPROVIDED"ASIS".NOWARRANTIES,WHETHEREXPRESS,IMPLIED*ORSTATUTORY,INCLUDING,BUTNOTLIMITEDTO,IMPLIEDWARRANTIESOF*MERCHANTABILITYANDFITNESSFORAPARTICULARPURPOSEAPPLYTOTHISSOFTWARE.*ARMSHALLNOT,INANYCIRCUMSTANCES,BELIABLEFORSPECIAL,INCIDENTAL,OR*CONSEQUENTIALDAMAGES,FORANYREASONWHATSOEVER.*******************************************************************************/#include<stdint.h>/*definecompilerspecificsymbols*/#ifdefined(__CC_ARM)#define__ASM__asm/*!<asmkeywordforARMCompiler*/#define__INLINE__inline/*!<inlinekeywordforARMCompiler*/#elifdefined(__ICCARM__)#define__ASM__asm/*!<asmkeywordforIARCompiler*/#define__INLINEinline/*!<inlinekeywordforIARCompiler.OnlyavaiableinHighoptimizationmode!*/#elifdefined(__GNUC__)#define__ASM__asm/*!<asmkeywordforGNUCompiler*/#define__INLINEinline/*!<inlinekeywordforGNUCompiler*/#elifdefined(__TASKING__)#define__ASM__asm/*!<asmkeywordforTASKINGCompiler*/#define__INLINEinline/*!<inlinekeywordforTASKINGCompiler*/#endif/*###################CompilerspecificIntrinsics###########################*/#ifdefined(__CC_ARM)/*RealViewCompiler*//*ARMarmccspecificfunctions*//***@briefReturntheProcessStackPointer**@returnProcessStackPointer**Returntheactualprocessstackpointer*/__ASMui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