基于stm32的超聲波測(cè)距系統(tǒng)

1、湖北民族學(xué)院信息工程系課程設(shè)計(jì)報(bào)告書題目：基于nrf24l01的超聲波測(cè)距系統(tǒng)課程：?jiǎn)纹瑱C(jī)課程設(shè)計(jì)專業(yè)：電子信息班級(jí)：03114學(xué)號(hào)：03114學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：2014年5月3日信息工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)號(hào)03114學(xué)生姓名專業(yè)（班級(jí)）電子信息設(shè)計(jì)題目基于nrf24l01的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)STM32F103VET6單片機(jī),vcc5v、72mhz、spi端口、led顯示屏Hcsr04模塊nrf24l01設(shè)計(jì)要求通過超聲波測(cè)距磨塊測(cè)量小于4米的距離，測(cè)量精度0.5cm。并且通過無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線通信。工作量5000字工作計(jì)劃前期完成資料的選取階段，后期進(jìn)行技術(shù)分析然后進(jìn)行程

2、序的編寫和代碼的相關(guān)調(diào)試；最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行完善整理資料編寫報(bào)告。參考資料電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分），康華光主編，高等教育出版社電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分），康華光主編，高等教育出版社李士雄，丁康源主編，數(shù)字集成電子技術(shù)教程，高等教育出版社周良權(quán)方向喬編數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)高等教育出版社陳小虎主編電工電子技術(shù)高等教育出版社李朝青，劉艷玲單片機(jī)原理及接口技術(shù)（第4版）北京航空航天大學(xué)出版社指導(dǎo)教師簽字教研室主任簽字2014年5月3日信息工程系課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表學(xué)生姓名：_學(xué)號(hào)：巫專業(yè)（班級(jí)）：電子信息課程設(shè)計(jì)題目：基于nrf24l01的超聲波測(cè)距系統(tǒng)成績(jī)：指導(dǎo)教師：本系統(tǒng)是基于無線通信模塊的一個(gè)超聲波測(cè)距系統(tǒng)

3、具有4米范圍內(nèi)的有效距離測(cè)量。采用nrf24l01無線通信模塊可在2米的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效通信科信控制部件采用stm32fl03vet6單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)換便于實(shí)時(shí)距離轉(zhuǎn)換測(cè)試。Hcsr04超聲波測(cè)距系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精度0.5cm的距離測(cè)量關(guān)鍵詞：nrf24IO1、m3、Hcsr04。TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 1任務(wù)提出與方案論證7 HYPERLINK l bookmark4 1.1簡(jiǎn)介.7 HYPERLINK l bookmark6 2總體設(shè)計(jì)9 HYPERLINK l bookmark8 2.1模塊組成簡(jiǎn)介9 HYPERLINK l bookmark10

4、2.2nrf24l01無線通信模塊10 HYPERLINK l bookmark14 2.3相關(guān)原理圖112.4超聲波測(cè)距模塊12 HYPERLINK l bookmark26 參考文獻(xiàn)151任務(wù)提出與方案論證1.1簡(jiǎn)介超聲波測(cè)距儀主要是通過聲速來測(cè)量的，肉眼看不見射出的線。裝置上有設(shè)置瞄點(diǎn)裝置，只要把儀器對(duì)準(zhǔn)要測(cè)量的目標(biāo)，就會(huì)出現(xiàn)一點(diǎn)在測(cè)距儀的顯示屏幕上。超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，所以經(jīng)常用超聲波來測(cè)量距離，如測(cè)距儀和物體測(cè)量?jī)x，超聲波測(cè)距儀裝置上有設(shè)置瞄點(diǎn)裝置，只要把儀器對(duì)準(zhǔn)要測(cè)量的目標(biāo)，就會(huì)出現(xiàn)一點(diǎn)在測(cè)距儀的顯示屏幕上，主要是通過聲速來測(cè)量的，肉眼看不見射出的

5、線。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s,根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=3401/2。這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。超聲波測(cè)距儀由超聲波發(fā)生電路、超聲波接收放大電路、計(jì)數(shù)和顯示電路組成。超聲波發(fā)生電路為超聲波發(fā)生電路。雙定時(shí)器EN556(U2b)組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。

6、R6和C6構(gòu)成微分電路，其作用是：當(dāng)按鍵S2按下時(shí)，低電平變成正負(fù)尖頂脈沖，經(jīng)過VD1得到負(fù)尖頂脈沖，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。單穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)輸出的高電平持續(xù)約1ms,即twl.1R5C5宀1ms。EN556(U2n)組成多諧振蕩器，接地電阻測(cè)試儀振蕩頻率f1=1/T1宀1/0.7(R1+R2)+2(R3+R4)C340kHz。該振蕩器振蕩受單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出電平控制。當(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出高電平時(shí)，多諧振蕩器產(chǎn)生振蕩，EN556的引腳5輸出約40個(gè)頻率為40kHz、占空比約50%的矩形脈沖。考慮到多諧振蕩器起振階段不穩(wěn)定，因此設(shè)計(jì)輸m脈沖數(shù)較多。若輸出脈沖數(shù)太少，則發(fā)射強(qiáng)度小，測(cè)量距離短。但脈沖數(shù)過多，發(fā)

7、射持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，在距離被測(cè)物較近時(shí)，脈沖串尚未發(fā)射完，這樣導(dǎo)致先發(fā)射出的脈沖產(chǎn)生的回波將到達(dá)接收端，影響測(cè)距結(jié)果，造成測(cè)距盲區(qū)增大。(U1)的U1aU1e組成超聲波脈沖驅(qū)動(dòng)電路，可提高驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)送傳感器的脈沖電壓幅值，有效進(jìn)行電/聲轉(zhuǎn)換，增強(qiáng)發(fā)射超聲波的能力，增大測(cè)量距離。40kHz脈沖串的一路經(jīng)U1a反相，再經(jīng)由U1b和U1e并聯(lián)的反相器反相；其另一路經(jīng)南U1c和U1d并聯(lián)的反相器反相。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲

8、波本時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，就成為超聲波接收器。在超聲探測(cè)電路中，發(fā)射端得到輸出脈沖為一系列方波，其寬度為發(fā)射超聲的時(shí)間間隔，被測(cè)物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖個(gè)數(shù)與被測(cè)距離成正比。超聲測(cè)距大致有以下方法：取輸出脈沖的平均值電壓,該電壓（其幅值基本固定）與距離成正比，測(cè)量電壓即可測(cè)得距離;測(cè)量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔t故被測(cè)距離為S=1/2vt。本測(cè)量電路采用第二種方案。由于超聲波的聲速與溫度有關(guān)，如果溫度變化不大,則可認(rèn)為聲速基本不變。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。超聲波測(cè)距適用于高精度的中長(zhǎng)距離測(cè)量。因?yàn)槌暡ㄔ?/p>

9、標(biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，單片機(jī)使用12.0M晶振，所以此系統(tǒng)的測(cè)量精度理論上可以達(dá)到毫米級(jí)。超聲波仿真采用AT89C52,實(shí)際運(yùn)用AT89S52單片機(jī)，晶振：11.0592M,單片機(jī)用P1.0口輸出超聲波換能器所需的40KHZ方波信號(hào)，利用外中斷1口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào),顯示電路采用簡(jiǎn)單的4位共陽LED數(shù)碼管，斷碼用74HC245,位碼用三極管驅(qū)動(dòng)。超聲波測(cè)距的算法設(shè)計(jì)：超聲波在空氣中傳播速度為每秒鐘340米（15C時(shí)）。X2是聲波返回的時(shí)刻，X1是聲波發(fā)聲的時(shí)刻，X2-X1得出的是一個(gè)時(shí)間差的絕對(duì)值，假定X2-X1=0.03S,則有340mX0

10、.03S=10.2m。由于在這10.2m的時(shí)間里，超聲波發(fā)出到遇到返射物返回的距離，340（m）X（X2-X1）A2反射物超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)框圖如下圖所示:超聲波測(cè)距器系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖2總體設(shè)計(jì)2.1模塊組成簡(jiǎn)介超聲波實(shí)物用的是STM32系列的單片機(jī)，晶振:8M倍頻后可以達(dá)到72M,單片機(jī)用PEO以及PE4口輸出超聲波換能器所需的40KHZ方波信號(hào)，利用外中斷0口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)，顯示電路采用相匹配的TFT屏幕,STM32F系列屬于中低端的32位ARM微控制器，該系列芯片是意法半導(dǎo)體（ST）公司出品，其內(nèi)核是Cortex-M3。該系列芯片按片內(nèi)Flash的大小可分為三大類：小容量（

11、16K和32K）、中容量（64K和128K）、大容量（256K、384K和512K）。芯片集成定時(shí)器，CAN,ADC,SPI，I2C，USB，UART，等多種功能。從32K到512K字節(jié)的閃存程序存儲(chǔ)器（STM32F103XXXX中的第二個(gè)X表示FLASH容量，其中：“4”=16K,“6”=32K,“8”=64K,B=128K，C=256K，D=384K，E=512K）最大64K字節(jié)的SRAM。因?yàn)镾TM32內(nèi)部沒有集成專用的液晶屏和觸摸屏的控制接口，所以在顯示面板中應(yīng)自帶含有這些驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)電路（液晶屏和觸摸屏的驅(qū)動(dòng)電路是獨(dú)立的），STM32芯片通過驅(qū)動(dòng)芯片來控制液晶屏和觸摸屏。它使用IL

12、I9341芯片控制液晶屏，通過TSC2046芯片控制觸摸屏。主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分組成。采用STM32來實(shí)現(xiàn)對(duì)CX20106A紅外接收芯片和T40-16系列超聲波轉(zhuǎn)換模塊的控制。采用hcsr04超聲波測(cè)距模塊進(jìn)行距離的測(cè)量?？刂瓶诎l(fā)一個(gè)10US以上的高電平，就可以在接收口等待高電平輸出一有輸出就可以開定時(shí)器計(jì)時(shí),當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就可以讀定時(shí)器的值，此時(shí)就為此次測(cè)距的時(shí)間，方可算出距離如此不斷的周期測(cè)，就可以達(dá)到你移動(dòng)測(cè)量的值了。模塊工作原理：（1）采用10觸發(fā)測(cè)距，給至少10us的高電平信號(hào)；（2）模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有

13、信號(hào)返回；（3）有信號(hào)返回，通過IO輸出一高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間.測(cè)試距離=（高電平時(shí)間*聲速（340M/S）/2;（走吋中斷入口）I定時(shí)器利始優(yōu)I4中旳屮斷千稈作外部中斷子程序境射廊聲波（外部中斷入口）(b)(c)2.2nrf24l01無線通信模塊nRF24L01是由NORDIC生產(chǎn)的工作在2.4GHz2.5GHz的ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器。當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為0dBm時(shí)電流消耗為11.3mA，接收模式時(shí)為12.3mA，掉電模式和待機(jī)模式

14、下電流消耗更低。性能參數(shù)小體積，QFN204x4mm封裝。寬電壓工作范圍，1.9V3.6V,輸入引腳可承受5V電壓輸入；匸作溫度范圍，-40+80C；工作頻率范圍，2.400GHz2.525GHz。；發(fā)射功率可選擇為0dBm、-6dBm、-12dBm和-18dBm；數(shù)據(jù)傳輸速率支持1Mbps、2Mbps；低功耗設(shè)計(jì)，接收時(shí)工作電流12.3mA,OdBm功率發(fā)射時(shí)11.3mA，掉電模式時(shí)僅為900nA,126個(gè)通訊通道，6個(gè)數(shù)據(jù)通道，滿足多點(diǎn)通訊和調(diào)頻需要。增強(qiáng)型“ShockBurst”工作模式，硬件的CRC校驗(yàn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的地址控制，4線SPI通訊端口，通訊速率最高可達(dá)8Mbps，適合與各種MC

15、U連接，編程簡(jiǎn)單；可通過軟件設(shè)置工作頻率、通訊地址、傳輸速率和數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度；MCU可通過IRQ引腳快判斷是否完成數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送。2.3相關(guān)原理圖電路原理azTSiTTiTTkn0402ULMSPCT-(SN9CXMOSIM19OnRF241JllIVDDvssANT2ANTIVDDPA13TTNRF24L016v二僅I附040250ulwn,RFliOn2.2nF44)2引腳定義PINASSIGNMENTVSSDVDDVDDVSSEREFW回回叵QTSCKMOSICECSN11RF24L01QFN204x4VDDVSSANT2ANTI接線圖5V3.3V2：靜態(tài)電流：小于2mA4：電平輸出：底

16、0V6：探測(cè)距離：2cm-450cm2.4超聲波測(cè)距模塊2.2.1主要技術(shù)參數(shù)：1：使用電壓：DC5V3：電平輸出：高5V5：感應(yīng)角度：不大于15度7:高精度：可達(dá)0.3cm板上接線方式，VCC、trig(控制端)、echo(接收端)、out(空腳)、GND注：TRIP引腳是內(nèi)部上拉10K的電阻，用單片機(jī)的IO口拉低TRIP引腳，然后給一個(gè)10us以上的脈沖信號(hào)。OUT腳為此模塊作為防盜模塊時(shí)的開關(guān)量輸出腳,測(cè)距模塊不用此腳！2.2.2URF04模塊工作原理：采用IO觸發(fā)測(cè)距，給至少10us的高電平信號(hào)；模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；有信號(hào)返回，通過IO輸出一高電平

17、，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間.測(cè)試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S)/2;本產(chǎn)品使用方法簡(jiǎn)單，一個(gè)控制口發(fā)一個(gè)1OUS以上的高電平，就可以在接收口等待高電平輸出一有輸出就可以開定時(shí)器計(jì)時(shí)，當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就可以讀定時(shí)器的值，此時(shí)就為此次測(cè)距的時(shí)間，方可算出距離如此不斷的周期測(cè)，就可以達(dá)到你移動(dòng)測(cè)量的值了模塊工作原理：采用IO觸發(fā)測(cè)距，給至少10us的高電平信號(hào)；模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；有信號(hào)返回，通過IO輸出一高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間.測(cè)試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S)/2;2.2.3相關(guān)原理時(shí)序

18、圖電超聲被棋塊工作電壓DC予V工作電流15mA王作傾率40Hz4m率近射程2cm測(cè)量角度巧度輸入蝕發(fā)僧號(hào)IOuS的TTL嘶輸出回響信垮輸出nr電平信槨抽挪成比例規(guī)格尺寸45*20*15mm聲皺時(shí)序國按決內(nèi)部境”賂可4宙山日恂回響電平翔出苗號(hào)右槍覆聊厲戒境例3總結(jié)經(jīng)運(yùn)行表明，本電路可以實(shí)現(xiàn)將將距離實(shí)時(shí)的精確地測(cè)量出來，。當(dāng)然這次設(shè)計(jì)不是那么的順利，在剛開始做的時(shí)候，由于對(duì)各個(gè)元器件的不熟悉，致使我們?cè)谧鲭娐返臅r(shí)候很礙手礙腳，整個(gè)程序的調(diào)試過程才是最痛苦的往往一個(gè)小小的部分我就可能弄一天才可以弄出來，真的十分煎熬啊。不過東西做出來之后還是很開心的，還有在做電源的時(shí)候，由于少接了一根線，使我在測(cè)量電壓的時(shí)候沒有輸出電壓，后來我們看書上面的電路圖，一步一步仔細(xì)的尋找原因，后來終于找出問題的所在。在調(diào)試電路的時(shí)候，沒有看到圖像出現(xiàn)，后來才發(fā)