基于stm32的超声波测距系统

1、湖北民族学院信息工程系课程设计报告书题目：基于nrf24l01的超声波测距系统课程：单片机课程设计专业：电子信息班级：03114学号：03114学生姓名：指导教师：2014年5月3日信息工程学院课程设计任务书学号03114学生姓名专业（班级）电子信息设计题目基于nrf24l01的超声波测距系统设计技术参数STM32F103VET6单片机,vcc5v、72mhz、spi端口、led显示屏Hcsr04模块nrf24l01设计要求通过超声波测距磨块测量小于4米的距离，测量精度0.5cm。并且通过无线传输模块实现数据的无线通信。工作量5000字工作计划前期完成资料的选取阶段，后期进行技术分析然后进行程

2、序的编写和代码的相关调试；最后对系统进行完善整理资料编写报告。参考资料电子技术基础（数字部分），康华光主编，高等教育出版社电子技术基础（模拟部分），康华光主编，高等教育出版社李士雄，丁康源主编，数字集成电子技术教程，高等教育出版社周良权方向乔编数字电子技术基础高等教育出版社陈小虎主编电工电子技术高等教育出版社李朝青，刘艳玲单片机原理及接口技术（第4版）北京航空航天大学出版社指导教师签字教研室主任签字2014年5月3日信息工程系课程设计成绩评定表学生姓名：_学号：巫专业（班级）：电子信息课程设计题目：基于nrf24l01的超声波测距系统成绩：指导教师：本系统是基于无线通信模块的一个超声波测距系统

3、具有4米范围内的有效距离测量。采用nrf24l01无线通信模块可在2米的范围内实现有效通信科信控制部件采用stm32fl03vet6单片机可实现高速转换便于实时距离转换测试。Hcsr04超声波测距系统实现精度0.5cm的距离测量关键词：nrf24IO1、m3、Hcsr04。TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 1任务提出与方案论证7 HYPERLINK l bookmark4 1.1简介.7 HYPERLINK l bookmark6 2总体设计9 HYPERLINK l bookmark8 2.1模块组成简介9 HYPERLINK l bookmark10

4、2.2nrf24l01无线通信模块10 HYPERLINK l bookmark14 2.3相关原理图112.4超声波测距模块12 HYPERLINK l bookmark26 参考文献151任务提出与方案论证1.1简介超声波测距仪主要是通过声速来测量的，肉眼看不见射出的线。装置上有设置瞄点装置，只要把仪器对准要测量的目标，就会出现一点在测距仪的显示屏幕上。超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，所以经常用超声波来测量距离，如测距仪和物体测量仪，超声波测距仪装置上有设置瞄点装置，只要把仪器对准要测量的目标，就会出现一点在测距仪的显示屏幕上，主要是通过声速来测量的，肉眼看不见射出的

5、线。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。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的距离(s)，即：s=3401/2。这就是所谓的时间差测距法。超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。超声波测距仪由超声波发生电路、超声波接收放大电路、计数和显示电路组成。超声波发生电路为超声波发生电路。双定时器EN556(U2b)组成单稳态触发器。

6、R6和C6构成微分电路，其作用是：当按键S2按下时，低电平变成正负尖顶脉冲，经过VD1得到负尖顶脉冲，触发单稳态触发器翻转。单稳态翻转输出的高电平持续约1ms,即twl.1R5C5宀1ms。EN556(U2n)组成多谐振荡器，接地电阻测试仪振荡频率f1=1/T1宀1/0.7(R1+R2)+2(R3+R4)C340kHz。该振荡器振荡受单稳态触发器输出电平控制。当单稳态触发器输出高电平时，多谐振荡器产生振荡，EN556的引脚5输出约40个频率为40kHz、占空比约50%的矩形脉冲。考虑到多谐振荡器起振阶段不稳定，因此设计输m脉冲数较多。若输出脉冲数太少，则发射强度小，测量距离短。但脉冲数过多，发

7、射持续时间长，在距离被测物较近时，脉冲串尚未发射完，这样导致先发射出的脉冲产生的回波将到达接收端，影响测距结果，造成测距盲区增大。(U1)的U1aU1e组成超声波脉冲驱动电路，可提高驱动超声波发送传感器的脉冲电压幅值，有效进行电/声转换，增强发射超声波的能力，增大测量距离。40kHz脉冲串的一路经U1a反相，再经由U1b和U1e并联的反相器反相；其另一路经南U1c和U1d并联的反相器反相。超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声

8、波本时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。超声测距大致有以下方法：取输出脉冲的平均值电压,该电压（其幅值基本固定）与距离成正比，测量电压即可测得距离;测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔t故被测距离为S=1/2vt。本测量电路采用第二种方案。由于超声波的声速与温度有关，如果温度变化不大,则可认为声速基本不变。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在

9、标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。超声波仿真采用AT89C52,实际运用AT89S52单片机，晶振：11.0592M,单片机用P1.0口输出超声波换能器所需的40KHZ方波信号，利用外中断1口监测超声波接收电路输出的返回信号,显示电路采用简单的4位共阳LED数码管，断码用74HC245,位码用三极管驱动。超声波测距的算法设计：超声波在空气中传播速度为每秒钟340米（15C时）。X2是声波返回的时刻，X1是声波发声的时刻，X2-X1得出的是一个时间差的绝对值，假定X2-X1=0.03S,则有340mX0

10、.03S=10.2m。由于在这10.2m的时间里，超声波发出到遇到返射物返回的距离，340（m）X（X2-X1）A2反射物超声波测距器的系统框图如下图所示:超声波测距器系统设计框图2总体设计2.1模块组成简介超声波实物用的是STM32系列的单片机，晶振:8M倍频后可以达到72M,单片机用PEO以及PE4口输出超声波换能器所需的40KHZ方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号，显示电路采用相匹配的TFT屏幕,STM32F系列属于中低端的32位ARM微控制器，该系列芯片是意法半导体（ST）公司出品，其内核是Cortex-M3。该系列芯片按片内Flash的大小可分为三大类：小容量（

11、16K和32K）、中容量（64K和128K）、大容量（256K、384K和512K）。芯片集成定时器，CAN,ADC,SPI，I2C，USB，UART，等多种功能。从32K到512K字节的闪存程序存储器（STM32F103XXXX中的第二个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字节的SRAM。因为STM32内部没有集成专用的液晶屏和触摸屏的控制接口，所以在显示面板中应自带含有这些驱动芯片的驱动电路（液晶屏和触摸屏的驱动电路是独立的），STM32芯片通过驱动芯片来控制液晶屏和触摸屏。它使用IL

12、I9341芯片控制液晶屏，通过TSC2046芯片控制触摸屏。主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。采用STM32来实现对CX20106A红外接收芯片和T40-16系列超声波转换模块的控制。采用hcsr04超声波测距模块进行距离的测量。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，方可算出距离如此不断的周期测，就可以达到你移动测量的值了。模块工作原理：（1）采用10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

13、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;（走吋中断入口）I定时器利始优I4中旳屮断千稈作外部中断子程序境射廊声波（外部中断入口）(b)(c)2.2nrf24l01无线通信模块nRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。当工作在发射模式下发射功率为0dBm时电流消耗为11.3mA，接收模式时为12.3mA，掉电模式和待机模式

14、下电流消耗更低。性能参数小体积，QFN204x4mm封装。宽电压工作范围，1.9V3.6V,输入引脚可承受5V电压输入；匸作温度范围，-40+80C；工作频率范围，2.400GHz2.525GHz。；发射功率可选择为0dBm、-6dBm、-12dBm和-18dBm；数据传输速率支持1Mbps、2Mbps；低功耗设计，接收时工作电流12.3mA,OdBm功率发射时11.3mA，掉电模式时仅为900nA,126个通讯通道，6个数据通道，满足多点通讯和调频需要。增强型“ShockBurst”工作模式，硬件的CRC校验和点对多点的地址控制，4线SPI通讯端口，通讯速率最高可达8Mbps，适合与各种MC

15、U连接，编程简单；可通过软件设置工作频率、通讯地址、传输速率和数据包长度；MCU可通过IRQ引脚快判断是否完成数据接收和数据发送。2.3相关原理图电路原理azTSiTTiTTkn0402ULMSPCT-(SN9CXMOSIM19OnRF241JllIVDDvssANT2ANTIVDDPA13TTNRF24L016v二僅I附040250ulwn,RFliOn2.2nF44)2引脚定义PINASSIGNMENTVSSDVDDVDDVSSEREFW回回叵QTSCKMOSICECSN11RF24L01QFN204x4VDDVSSANT2ANTI接线图5V3.3V2：静态电流：小于2mA4：电平输出：底

16、0V6：探测距离：2cm-450cm2.4超声波测距模块2.2.1主要技术参数：1：使用电压：DC5V3：电平输出：高5V5：感应角度：不大于15度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注：TRIP引脚是内部上拉10K的电阻，用单片机的IO口拉低TRIP引脚，然后给一个10us以上的脉冲信号。OUT脚为此模块作为防盗模块时的开关量输出脚,测距模块不用此脚！2.2.2URF04模块工作原理：采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号；模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过IO输出一高电平

17、，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;本产品使用方法简单，一个控制口发一个1OUS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，方可算出距离如此不断的周期测，就可以达到你移动测量的值了模块工作原理：采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号；模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；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;2.2.3相关原理时序

18、图电超声被棋块工作电压DC予V工作电流15mA王作倾率40Hz4m率近射程2cm测量角度巧度输入蝕发僧号IOuS的TTL嘶输出回响信垮输出nr电平信椁抽挪成比例规格尺寸45*20*15mm声皱时序国按决內部境”賂可4宙山日恂回响电平翔出苗号右枪覆聊厲戒境例3总结经运行表明，本电路可以实现将将距离实时的精确地测量出来，。当然这次设计不是那么的顺利，在刚开始做的时候，由于对各个元器件的不熟悉，致使我们在做电路的时候很碍手碍脚，整个程序的调试过程才是最痛苦的往往一个小小的部分我就可能弄一天才可以弄出来，真的十分煎熬啊。不过东西做出来之后还是很开心的，还有在做电源的时候，由于少接了一根线，使我在测量电压的时候没有输出电压，后来我们看书上面的电路图，一步一步仔细的寻找原因，后来终于找出问题的所在。在调试电路的时候，没有看到图像出现，后来才发