基于STC89C52无线超声波测距的设计.doc

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： 2011 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2014 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 STC89C52 控制 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，是可以实现远程控制的

2、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。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，成本低，是一种无线传感器的解决方案。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）加强动手能力、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。此芯片价格便宜、操作简便，低功耗，比较经济实惠。单片机最小系统单片机控制模块由 STC89C52 最小系统

3、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 12MHz 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：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） ，而且价格较便宜，采用 SPI 总线通信模式电路简单，操作方便。2.1 nRF24L01 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。

4、内置频率合成器、功率放大器、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。 nRF24L01 主要特性如下： GFSK 调制； 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 l Mb/s 或 2Mb/s； SPI 速率为 0 Mb/s10 Mb/s；EA/VP31X119 X218RESET9R

5、D17 WR16INT012 INT113T014 T115P10/T1 P11/T2P123 P134P145 P156P167 P178P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32P20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28PSEN 29ALE/P30TXD 11RXD 10U180C52C130pFC230pFX112MHzX1X2VCCR110KC310uFRESETP10P11P12P13P14P15P16P17P20P21P22P23P24P25P27P26D0D1D2D3D4D

6、5D6D7RESET RXDTXDALEPSENINT0INT1T0T1RDWRX1X2 125 个频道； 与其他 nRF24 系列射频器件相兼容； QFN20 引脚 4 mm4 mm 封装； 供电电压为 1.9 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 ： 图 2 nRF24L01 封 装 图 CE： 使 能 发 射 或 接 收 ; CSN， CK， MOSI， 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

7、 ； 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。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 按 照 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_ADDR 在 发 射 时 写 入 一 次 即 可 ，

8、然 后 CE 置 为 高 电 平 并 保 持 至 少 10 s， 延 迟 130 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 一 致 ） 。 如 果 收 到 应 答 ，则 认 为 此 次 通 信 成 功 ， TX_DS 置 高 ， 同 时 TX_PLD 从 TX FIFO 中 清 除 ； 未 收到 应 答 ， 则 自 动 重 新 发 射 该 数 据 (自 动 重 发 已 开 启 )， 若 重

9、 发 次 数 (ARC)达 到上 限 ， MAX_RT 置 高 ， TX FIFO 中 数 据 保 留 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 ， 若 CE 为 低则 nRF24L01 进 入 空 闲 模 式 1； 若 发 送 堆 栈 中 有 数 据 且 CE 为 高 ， 则 进 入 下一 次 发 射 ； 若 发 送 堆 栈 中 无 数 据 且 CE 为 高 ， 则 进 入 空 闲 模 式 2。 接 收 数 据 时 ， 首 先 将 nRF24L01 配 置 为 接 收 模 式

10、 ， 接 着 延 迟 130 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 。 若 此 时 自 动 应 答 开 启 ， 接 收 方 则 同 时 进 入 发 射 状态 回 传 应 答 信 号 。 最 后 接 收 成 功 时 ， 若 CE 变 低 ， 则 nRF24L01 进 入 空 闲 模式 1。 在 写 寄 存 器 之 前 一 定 要 进 入

11、 待 机 模 式 或 掉 电 模 式 。 如 下 图 3 和图 4 给出 SPI 操 作 及 时 序 图 ：图 3 SPI 读 操 作图 4 SPI 写操作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、接收器与控制电路。基本工作原理：(1)采用IO 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ECHO 输出一个高电平，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*

12、声速(340M/S)/2;图 5 HC-SR04 引脚及封装如 下 图 接 线 ， VCC 供 5V电 源 ， GND 为 地 线 ， TRIG 触 发 控 制 信 号 输 入 ，ECHO 回 响 信 号 输 出 等 四 个 接 口 端 。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 是一款比较通用的字符液晶模块，能显示字符和数字等信息，且价格便宜，容易控制接收端显示模块本设计在接收端部分采用 LCD1602 液晶显示模块来显示温度，P0 由上拉电阻提高驱动能力，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

13、使能信号 E，数据/命令选择 RS，R/W 端则配置成写。具体电路如图 7：D0D1D2D3D4D5D6D7P27P2512345678910111213141516J13CON16R3POT1VCCP26图 7 LCD1602 液晶显示模块电路图5 系统方案方框图发送：HC-SRO4STC89C52NRF24L01接收：NRF24L01STC89C52-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 STC89C5C2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

14、初始化配置。接收端软件设计与调试本系统接收端采用 nRF24L01 无线模块接收发送端传来的距离数据，经单片机 STC85C52 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。HC-SR04 初始化HC-SR04 超声波测距采集距离STC89C52 收集处理数据据NRF24L01 初始化NRF2401 发送到接收端NRF2401 初始化NRF2401 接收发送端的温度数据STC89C52 数据处理数据LCD1602 初始化LCD1602 液晶显示器显示数据图 8 发射流程图 图 9 接 收 流 程 图四、总结及存在问题和改进整个系统

15、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进，加入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，提高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

16、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，若有高压，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能力驱动其负载。最后我明白了成功都不是一蹴而成的，在调试结果成功出来之前，都得经过千辛万苦的调试以及修改，在这过程中，是一个自己与自己不断对抗的过程，通过不断质疑自己的判断，最后终于得到一个正确以及合理的结果，这是一个很棒的体验！六、附录1、小组分工情况说明小组组长：许晓文 ：硬件电路的检查以及软件的调试 组 员：邵鹏飞 ：资料的收集以及整合验证黄娇红 ：硬件电路的焊接以及连接2、实物图片附图 1 正面图1 附图2 正面图2附图3 发射模块图