本文设计了一款基于超声波的信标定位系统，该系统由信标装置和定位装置两部分组成。信标采用电池供电，可朝圆心方向发射固定频率的超声波，通过LED指示工作状态；定位装置以AI8051U单片机为核心，利用多个超声接收探头采集信号，通过计算信号到达时间差实现距离与角度测量，进而确定信标所在区段，并在规定时间内显示结果。测试结果表明，系统在90°扇形区域内可完成36个基本区段及48个扩展区段的定位，基本要求下平均耗时15s，发挥部分80%的测试可在8s内完成，定位准确率高，抗干扰能力强，满足设计指标。
1. 系统设计方案1.1总体设计方案本报告的主要任务是设计并制作超声信标定位系统。该系统包含声源信标装置（简称信标）和定位装置两部分。首先，信标装置设计。核心是实现定向超声发射与状态指示， 由AI8051U单片机控制其朝圆心方向周期性发射信号（周期100ms），搭配LED指示灯实时显示发声状态；供电采用3.7V锂电池经升压模块至5V，整体地面垂直投影尺寸控制在10cm以内，无接收或自主运动功能。其次，定位装置设计。以AI8051U单片机为核心，在直径80cm的限定空间内布设2个水平分布的超声接收探头，并在直径为190cm的限定空间内布设2个垂直分布的超声接收探头，配套放大电路与比较器处理信号；通过定时器捕获各探头的信号到达时间差，结合三角定位算法计算信标与圆心的距离和角度，再匹配至对应区段（基本36个、扩展48个）；软件上实现一键启动、15-20s内完成定位（发挥部分≤10s）、蜂鸣器提示及显示屏输出结果（未发声时显示“00”），并通过多次采样过滤干扰信号。 1.2 系统结构及工作原理1.2.1信标装置系统
信标系统先接通电源，微控制器初始化后生成特定频率超声信号，经放大电路驱动超声换能器发射；同时通过指示灯显示工作状态，电源芯片负责稳压供电，低功耗设计可延长续航。 1.2.2定位装置系统 定位装置通过超声接收探头接收来自信标的超声波信号（信标发射的特定频率超声是系统唯一输入信号），如图1所示。
图1 定位装置系统原理框图 2. 核心部件电路设计
2.1 定位装置AI8051U 主控芯⽚最小系统原理图 该芯片为⾼性能内核架构 100MHz ，⽀持 8 位和 32 位模式，时钟频率最⾼达100MHz（32位模式）32 位乘除运算硬件单元，加速整数运算。单精度浮点运算单元，⽀持硬件三⻆函数及反三⻆函数，适⽤于复杂 算法 。超⾼速指令周期： 1T 模式（单时钟周期执⾏指令）存储资源34KB SRAM + 64KB Flash ，满⾜⼤数据缓存需求 。内置⾼精度 RC 时钟，⽆需外部晶振；专业级复位电路，省去外部复位元件 。⽀持 IDLE/STOP 低功耗模式，适合电池供电场景。图2为最小单片机系统原理图。
图2 AI8051U 主控芯⽚最小系统原理图 2.2 CS100A超声波测距信号调理电路 2.2.1 CS100A芯片芯⽚特性介绍 CS100A是工业级超声波测距芯片，内部集成发射电路、接收电路及数字处理单元，单芯片即可实现超声波测距功能，测距结果通过ECHO引脚输出高电平脉宽。其工作电压为3-5.5V，测距范围达5.6米，精度0.3cm+1%，工作电流5.3mA，盲区小于2cm，适用于-40℃~85℃工业环境 。芯片封装图如图6，用 CS100A 超声波测距模块为图4，CS100A超声波测距模块内部电路图为图5，图为
图4 CS100A 制作的超声波测距模块
图5 CS100A超声波测距模块内部电路图 图6 CS100A封装图 2.2.2 超声波测距信号调理电路 比较器LM393：在超声信标定位系统中，LM393的核心功能是对接收的超声波信号进行有效识别与整形。由于LM393是双比较器，可同时处理两个通道的超声信号。简言之，LM393是连接模拟超声信号与数字处理单元的关键桥梁，确保系统能可靠、快速地识别有效信号，为定位精度和稳定性提供基础。调理电路如图7，LM393比较器外壳图、引脚图见图8。 图7 基于LM393设计的超声波测距信号调理电路 图8 LM393外壳图 LM393引脚图
2.3 电源电路 系统需为超声发射/接收模块、控制芯片、显示与指示模块等提供多种电压，故设计了包含±12V、±15V、±5V、3.3V的多组电源电路。 图9 +-15V电路原理图 ±15V电源：主要为超声接收模块中的运算放大器（如信号放大电路）供电，确保高增益放大电路的线性工作区间，采用线性稳压器（如LM317/LM337）从外部直流电源（如24V适配器）转换得到，纹波电压控制在5mV以内。 ±12V电源：用于超声波发射器的驱动电路，为功率放大模块提供足够电压以保证超声信号的发射强度，通过开关电源芯片实现，效率达85%以上，满足信标电池供电时的低功耗需求。 图10 +-5V电路原理图 ±5V电源：供给信标中的51单片机、定位装置中的比较器及逻辑控制电路，采用三端稳压器从±12V转换而来，输出电流可达1A，确保数字电路稳定运行。 图11 3.3V电路原理图 3.3V电源：专为定位装置中的STM32单片机、OLED显示屏及传感器模块供电，由5V通过低压差稳压器）转换，输出噪声低至1mV，避免对微控制器的信号处理产生干扰。 2.1.5 保护电路 电源过压保护电路，主要通过 TVS 管和自恢复保险丝）实现双重保护。如图12： 图12 保护电路图 3、作品成效总结分析 3.1系统波形展示 按照电路图检查安装的线路，根据电路连线，按照一定的顺序逐一检查安装好的线路，一切按照原理图进行，用万用表欧姆档的蜂鸣器测试，测量元器件引脚，开启超声波测试，将接收装置固定，然后在一定距离后将发射装置对准接收装置，等待1分钟左右观察示波器进行记录，测量结果如图13，图14为超声波发射板，图15为超声波接收板。 图13 超声波测试波形图（黄色为发射波信号，紫色为接收波信号） 图14 超声波发射板 图15 超声波接收板
3.2 成果展示 下面使我们队伍做出的成果图如图16、17所示，图16为系统定位装置，图17为声源信标装置。 图 16 系统定位装置图 17 声源信标装置
图18 定位装置全貌
图19 系统测试界面 3.3数据记录 信标放置在的扇环区域，外圆半径300cm，内圆半径150cm。定位装置放置在圆心 O 点周围，通过接收和分析处理来自信标的超声信号，确定信标所在位置进行记录，按照任务说明在调整步进电机旋转角度后待发射装置完全稳定后进行观察和记录，记录结果进行观察总结。如表1基础部分，如表2为发挥部分。
表1基础部分 由上面表1可得我们很好的完成了任务的基础部分。
表2发挥部分 由上面两个表格可得我们对于此次的任务很好的完成了，并且得到了新的体会。
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