基于TC89C52无线超声波测距的设计

1、物理与信息工程学院?电子系统设计?报告设计题目1:基于80C52单片机的超声波无线测距显示设计题目2：专业：光电信息工程年级：2021 级姓名:许晓文学号:111100840同组姓名：邵鹏飞学号:111100815同组姓名：黄娇红学号:111100807指导老师：林志贤2021年7月基于 80C52 单片机的超声波无线测距显示一、设计要求和目的1.1设计要求：采用一种单片机STC89C5限制HC-SR04实现的无线超声波测距 系统.通过简单的无线通信协议,实现可靠性与功耗平衡,该系统能实现对距离 的检测,是可以实现远程限制的无线超声波测距系统. 低功耗实时性的无线超声 波测距是该设计的最大特点

2、.无线传输采用nRF24L01模块传输,用LCD1602实现温度显示.该系统结构简单可靠功耗较低,本钱低,是一种无线传感器的解决 1.2 设计目的：1熟悉系统设计步骤以及超声波的特性2能够运用所学数电、模电电路知识对电路进行合理的调试3增强模块化的思想,掌握无线模块的 SPI 时序特点4增强动手水平、培养团队合作意识二、系统设计原理1 主控芯片方案采用传统的STC89C52单片机作为主控芯片.此芯片价格廉价、操作简便, 低功耗,比拟经济实惠.单片机最小系统单片机限制模块由STC89C52最小系统组成,其中包括单片机,晶振电路和 复位电路.1、晶振电路：晶振电路由两个 30pF电容和一个12MH

3、z晶体振荡器构成, 接入单片机的X1、X2引脚. 2 、复位电路：单片复位端低电平有效. 单片机最小电路原理图如图 1：30pF30pFC3X1P10 1VCCRESET1OuFR11OKP123P134P145P15 一 6P16 7P17 8INT113INT012 0T1 15101431X1 19X2 18RESETRD 17oWR 16 二P11212MHz C2X1p2.P10/TP00,P11/TP01.P12P02P13P03P14P04P15P05.P16P06.P17P07INT1P20INT0P21P22.T1P23T0P24P25.EA/VPP26P27 X1.X2RE

4、SETRXDTXDRDALE/PWrPSEN80C5238D137D236D335D434-D533D632D721P2022P2123P2224P2325P2426P2527P2628P2710RXDTXd-30ALEPSEN39 DO图1单片机最小系统2无线通信模块方案采用nRF24L01无线射频模块进行通信,nRF24L01是一款高速低功耗的无线 通信模块.他能传输上千米的距离加 PA,而且价格较廉价,采用SPI总线通 信模式电路简单,操作方便.2.1 n RF24L01芯片概述nRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz2.5 GHz ISM频段.内置频率合成器、功

5、率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,融合了增 强型shockbust技术,中输出功率和通信频道可通过程序进行配置.nRF24L01功耗低,以-6 dBm的功率发射时,作电流也只有9 mA收时,工作电流只有12.3 mA多种低功率工作模式掉电模式和空闲模式使节能设计更方便.n RF24L01主要特性如下：GFS碉制；硬件集成OSI链路层；具有自动应答和自动再发射功能；片内自动生成报头和CRC校验码；数据传输率为I Mb/s或2Mb/s；SPI 速率为 0 Mb/s 10 Mb/s ；125个频道；与其他nRF24系列射频器件相兼容;QFN2C引脚 4 mmx 4 mm封装； 供电电压为1.9

6、 V3.6 V引脚功能及描述nRF24L01的封装及引脚排列如图2所示,各引脚功能如下:o 亠 s a a s g S A 4 S H A U M A iK I Oc s SSOIM MnRF24LO1TsJvdd H)vss T31ANT2 互 ANTI rnvpD-PA图2 nRF24L01封装图CE:使能发射或接收；CSN CK MOS,MISO: SPI引脚端,通过此引脚配置nRF24L01:IRQ:中断标志位；VDD电源输入端；VSS:电源地；XC2, XC1 :晶体振荡器引脚；DD_PA为功率放大器供电,输出为 1.8 V ；ANT1,ANT2 天线接口；IREF :参考电流输入.

7、2.2工作原理发射数据时,首先将nRF24L01配置为发射模式,接收节点地址 TX_ADDR 和有效数据 TX_PLD根据时序由SPI 口写入nRF24L01缓存区,TX_PLD必须 在CSN为低时连续写入,而 TX_ADDF在发射时写入一次即可,然后CE置为高电平并保持至少 10卩s,延迟130卩s后发射数据；自动应答开启,那么 nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式,接收应答信号自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR 致.如果收到应答,那么认为此次通信成功,TX_DS置高,同时TX_PLD从TX FIFO中去除；未收到应答,那么自 动重新发射该数据自动重发已开启,假设重发次

8、数ARC到达上限,MAX_RT 置高,TX FIFO中数据保存以便在次重发；AX_RT或 TX_DS置高时,使IRQ变低,产生中断,通知MCU最后发射成功时,假设 CE为低那么nRF24L01进入空闲模式1 ;假设发送堆栈中有数据且CE为高,那么进入下一次发射；假设发送堆栈中无数据且 CE为高,那么进入空闲模式2o接收数据时,首先将 nRF24L01配置为接收模式,接着延迟130卩s进入接收状态等待数据的到来.当接收方检测到有效的地址和CRC时,就将数据包存储在 RX FIFO中,同时中断标志位 RX_DR置高,IRQ变低,产生 中断,通知 MCU去取数据.假设此时自动应答开启,接收方那么同时

9、进入发射 状态回传应答信号.最后接收成功时,假设CE变低,那么n RF24L01进入空闲3和图4给出模式1 o在写存放器之前一定要进入待机模式或掉电模式.如下列图SPI操作及时序图:Id中冋吧屮1；卜图3 SPI读操作3超声波测距方案HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能,测距精度可达高到3mm模块包括超声波发射器、接收器与限制电路根本工作原理：(1) 采用10 口TRIG触发测距,给最少10us的高电平信呈.(2) 模块自动发送8个40 kHz的方波,自动检测是否有信号返回；(3) 有信号返回,通过IO 口 ECHC输出一个高电平,高电平持续的时间就是超

10、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;+5V 独岌信铐幡入 回响信蛙愉出GMDTRIG触发限制信号输入,图5 HC-SR04引脚及封装如下列图接线,VCC供5V电源,GND为地线,ECHO回响信号输出等四个接口端.10uS 的 TTL磁倍号循环发出S个40KHz脉冲n n o m n n n 厂模块内部发岀信号回响电平输出 与检测距莒成比例输岀回响舊号图6超声波时序图:4显示模块方案采用字符液晶LCD1602显示信息,1602是一款比拟通用的字符液晶模块, 能显示字符和数字等信息,且价格廉价,容易限制接收端显示模块本设计在接收端局部采用 LCD1602液晶

11、显示模块来显示温度,P0由上拉电 阻提升驱动水平,作为数据输出并作为 LCD的驱动,P2 口的P2.7-P2.6分别作 为液晶显示模块的使能信号 E,数据/命令选择RS R/W端那么配置成写.具体电 路如图7：5系统方案方框图发送:HC-SRO)4STC89C52NRF24L01接收：NRF24L01 |STC89C$2-LCD1602三、设计调试和结果发送端软件设计与调试本系统发送端采用HC-SR04超声波测距模块采集距离参数,经STC89C5C收 集处理数据再由nRF24L01模块发送到接收端.其中包括HC-SR04和nRF24L01模 块的初始化配置.接收端软件设计与调试本系统接收端采用

12、n RF24L01无线模块接收发送端传来的距离数据,经单片机STC85C5在LCD1602液晶显示器上显示.其中包括 nRF24L01模块和LCD1602液晶显示器的初始化.图8发射流程图图9接收流程图四、总结及存在问题和改良整个系统的工作都是依靠超声波以及无线信号来进行数据采集和数据的传 播,所以系统工作的环境对温度、湿度以及光照等因素都有不同程度的要求以及 限制,我们可以通过在电路上做出一些适当的改良,参加一些滤波电路或者适当的逻辑电路对信号进行整流和放大,提升信号的稳定性和可靠性.五、心得体会这一次的实践过程是一个充满挑战的过程,它让我明白了耐心以及细心的重 要性.在没通电之前,先用万用

13、表检查线路的正确性,并核对元器件的型号、规 格是否符合要求.特别注意电源的正负极以及电源之间是否有短路,晶体振荡器 和电容应尽可能靠近单片机芯片安装, 以减少寄生电容,更好是保证振荡器稳定 和可靠地工作.在本系统中我们都进行了仔细的检杏,所以此步骤不会发生故障, 这一步如果检查不细通电后可能会造成不可想象的后果,所以这一步也至关重 要.另外,由于模块的分散性,各个模块都是通过杜邦线连接的,需要足够的耐 心以及细心才能保证连线的正确性. 通电后检查各器件引脚的电位,仔细测量各 点电位是否正常,尤其应注意单片机的插座上的各点电位,假设有高压,将有可能 损坏单片机以及相关模块.同样,如果电压过低就没有水平驱动其负载.最后我明白了成功都