超聲波無線傳輸系統(tǒng)

1、超聲波無線傳輸系統(tǒng)摘要：超聲波測(cè)距器可以應(yīng)用于汽車的倒車、建筑施工以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控，也可用于如液位，井深、管道長(zhǎng)度、物體厚度等的測(cè)量。其范圍為0.107.0m,精度為1cm。測(cè)量時(shí)與被測(cè)物體無接觸，能夠清新、穩(wěn)定地顯示測(cè)量結(jié)果。本系統(tǒng)采用STC89C52的為核心，采用C語言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編程控制. 在本系統(tǒng)中，我們通過超聲波模塊對(duì)室內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，通過語音播報(bào)及報(bào)警和無限傳輸?shù)男问将@取數(shù)據(jù)給監(jiān)測(cè)臺(tái)，而且可以全方位準(zhǔn)確移動(dòng)調(diào)控測(cè)量，同時(shí)附加有時(shí)間及溫度的查看。關(guān)鍵詞：測(cè)量、語音報(bào)警、全方位準(zhǔn)確移動(dòng)調(diào)控測(cè)量、無線傳輸1. 原創(chuàng)性聲明*2 系統(tǒng)概述*3. 系統(tǒng)方案* 3. 1 系統(tǒng)方案論證* 3.

2、 2 功能與指標(biāo)* 3. 2. 1 開機(jī)畫面* 3. 2. 2 功能菜單* 3. 3 實(shí)現(xiàn)原理* 3. 4 硬件部分* 3. 4. 1硬件框圖* 3. 4. 2外圍電路硬件介紹* 3. 4. 2. 1 溫度傳感器* 3. 4. 2. 2超聲波傳感器* 3. 4. 2. 3 語音ISD1700* 3. 4. 2. 4 NRF24L01無限模塊* 3. 5軟件流程*4. 系統(tǒng)測(cè)試方案及分析* 4. 1系統(tǒng)測(cè)試方案* 4. 1. 1氣體傳感器調(diào)試* 4. 1. 1. 1調(diào)試過程* 4. 1. 1. 2 調(diào)試數(shù)據(jù)* 4. 1. 1. 3 數(shù)據(jù)分析* 4. 1. 1. 4 調(diào)試結(jié)論* 4. 1. 2 溫

3、濕度傳感器調(diào)試* 4. 1. 2. 1 調(diào)試過程* 4. 1. 2. 2 調(diào)試數(shù)據(jù)* 4. 1. 2. 3 數(shù)據(jù)分析* 4. 1. 2. 4 調(diào)試結(jié)論* 5. 1. 1 GPRS短信模塊調(diào)試* 5. 1. 3. 1調(diào)試過程* 5. 1. 3. 2數(shù)據(jù)分析* 5. 1. 3. 3調(diào)試結(jié)論* 4. 2測(cè)試設(shè)備* 5. 總體功能與特色*6. 結(jié)論及尚存問題* 7. 致謝* 8. 參考文獻(xiàn)* 9. 附錄*1 原創(chuàng)性聲明2. 系統(tǒng)概述超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳

4、感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（time of flight）。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離 測(cè)量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠(yuǎn)距離的有激光測(cè)距等，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跇?biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為340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

5、此系統(tǒng)的測(cè)量精度理論上可以達(dá)到毫米級(jí)。 由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，因而超聲波可以用于距離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡(jiǎn)單，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到要求。2 系統(tǒng)方案3.1 系統(tǒng)方案論證 3. 1. 1 顯示部分方案1： 用數(shù)碼管可以顯示簡(jiǎn)單數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，而且價(jià)格比液晶便宜得多，但數(shù)碼不能顯示漢字而且顯示少。方案2：用LCD 1602液晶顯示：LCD1602液晶是最常用的液晶顯示屏，能夠?qū)崿F(xiàn)漢字及一些字符的顯示，價(jià)格便宜，操作簡(jiǎn)單，但其不能實(shí)現(xiàn)圖形的顯示，并且只能同時(shí)顯示兩行內(nèi)容。方案3：用LCD 12864液晶顯示：LCD 12864液晶可顯

6、示漢字及圖形，當(dāng)然還可以顯示字符。LCD 12864內(nèi)有中文字形庫(kù)，方便實(shí)現(xiàn)漢字的輸入，并且其支持圖形的輸入及顯示，能同時(shí)顯示四行內(nèi)容。 本系統(tǒng)中，我們?cè)O(shè)置了開機(jī)畫面，并且要求顯示的內(nèi)容較多，LCD 12864能夠滿足我們的需求。但價(jià)格相對(duì)較貴。為滿足不同用戶選取不同的顯示效果，本系統(tǒng)通過精心制作，可以供用戶自由選取不同的顯示。 3. 1. 2 語音播報(bào) 方案 1：用ISD1420語音芯片：ISD1420語音芯片可實(shí)現(xiàn)20秒錄放音功能，所需要的外圍元件少，電路簡(jiǎn)單，操作方便。但其穩(wěn)定性不太好，音質(zhì)一般。 方案 2：用ISD1700語音芯片：ISD1700語音芯片可實(shí)現(xiàn)60秒的錄放音功能，另外還

7、有快進(jìn)、擦除、音量控制等功能。電路簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大。最主要的是，其播報(bào)音質(zhì)好，穩(wěn)定性好。 綜上所述，我們采用方案2做為我們的語音播報(bào)芯片。用其實(shí)現(xiàn)溫濕度，氣體濃度，及報(bào)警提示等功能。3. 1.3 無限傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn) 方案 1：利用GSM的SMS功能，對(duì)采集點(diǎn)定時(shí)采集數(shù)據(jù)和確定當(dāng)時(shí)的信息情況，采用ARM2440核心來處理，該處理器處理速度高 ，但是價(jià)格較貴，而且焊接困難。 方案 2：利用NRF24L01無限傳輸功能，NRF24L01比GSM模塊價(jià)格也便宜，對(duì)采集點(diǎn)定時(shí)采集數(shù)據(jù)和確定當(dāng)時(shí)的信息情況，采用51單片機(jī)來處理發(fā)送的數(shù)據(jù)，由于處理的數(shù)據(jù)不多，并且不需要多任務(wù)處理，所以當(dāng)數(shù)據(jù)量少時(shí)采用51單片機(jī)有

8、優(yōu)勢(shì).綜上所述：我們采用方案2中的51單片機(jī)來處理檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過NRF24L01模塊發(fā)送到監(jiān)測(cè)臺(tái)中。 3. 2 功能與指標(biāo) 3. 2. 1 開機(jī)畫面本系統(tǒng)設(shè)置了開機(jī)畫面，當(dāng)我們開啟系統(tǒng)時(shí)，首先在LCD12864液晶屏上顯示的是我們的開機(jī)畫面，開機(jī)畫面如下：開機(jī)畫面的設(shè)置中標(biāo)注我們?nèi)唤M員名字的簡(jiǎn)寫，在一定程序上起到了保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的作用，更重要的是，開機(jī)畫面能夠增加系統(tǒng)的美觀性，給人一種舒適的感覺，另外，開機(jī)畫面在一定程度上體現(xiàn)了系統(tǒng)的完整性。 3. 2. 2 菜單功能 3. 3 實(shí)現(xiàn)原理 3. 4 外圍電路硬件介紹 3. 4. 1 硬件框圖3. 4. 2 外圍電路硬件介紹 3. 4. 2.

9、2、超聲波模塊性能穩(wěn)定,測(cè)度距離精確: 1、 能和國(guó)外的SRF05,SRF02等超聲波測(cè)距模塊相媲美。模塊高精度，盲區(qū)（2cm）超近,穩(wěn)定的測(cè)距是此產(chǎn)品成功走向市場(chǎng)的有力根據(jù)！2、主要技術(shù)參數(shù)： 1)使用電壓：DC5V 2)靜態(tài)電流：小于2mA 3)電平輸出：高5V 4)電平輸出：底0V 5)感應(yīng)角度：不大于15度 6)探測(cè)距離：2cm-450cm 7)高精度：可達(dá)0.3cm3.接線方式: VCC、trig（控制端）、 echo（接收端）、 GND4.使用方法： 一個(gè)控制口發(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

10、,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5.模塊工作原理：(1)采用IO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; 3. 4. 2. 3語音ISD1700ISD1700 系列錄放芯片是一種高集成度，高性能的芯片。它可以多段錄音，采樣率可在4K 至12K 間調(diào)節(jié)，供電范圍可以在2.4V 至5.5V 之間。ISD1700 系列錄放芯片可工作于獨(dú)立按鍵模式和SPI

11、 控制模式。芯片內(nèi)有存儲(chǔ)管理系統(tǒng)來管理多段語音，這樣在獨(dú)立按鍵模式下也能進(jìn)行多段語音錄放。此芯片內(nèi)有振蕩器，可通過外部電阻來調(diào)節(jié)其振蕩頻率；還有帶自動(dòng)增益控制（AGC）的話筒運(yùn)放，模擬線路輸入，抗鋸齒濾波器，多級(jí)存儲(chǔ)陣列，平滑濾波器，音量控制，直接驅(qū)動(dòng)喇叭的PWM 輸出與接外部功放的電流/電壓輸出。其應(yīng)用電路如下：在本系統(tǒng)中，我們使用ISD1700語音芯片報(bào)警及實(shí)時(shí)播報(bào)當(dāng)前室內(nèi)溫濕度及氣體的濃度值。ISD語音芯片具有實(shí)時(shí)錄音功能，當(dāng)發(fā)現(xiàn)錄音的效果不太好的時(shí)候，我們可以按下擦除鍵，擦除當(dāng)前的錄音，直到滿意為止，ISD語音芯片為錄音準(zhǔn)備了存儲(chǔ)地址，當(dāng)要播報(bào)某一錄音的時(shí)候，我們只要讓指針指向該錄音的

12、首地址即可。其中，芯片的存儲(chǔ)地址從第一個(gè)提示間地址0X0000開始計(jì)算，但是0X0000-0X000F地址平均留給了4個(gè)提示音，從0X0010開始，才是錄音區(qū)的真正的存儲(chǔ)地址，即真正的錄音區(qū)。其中，每10秒鐘的錄音長(zhǎng)度占用了80個(gè)存儲(chǔ)地址，即每一秒鐘占用8個(gè)存儲(chǔ)地址，在調(diào)節(jié)其錄音地址時(shí)，我們可以采用先粗調(diào)，再微調(diào)的方法，即先確定某一錄音的錄音長(zhǎng)度，大概確定其首地址的位置，再通過微調(diào)首地址，讓語音芯片能完整播報(bào)整個(gè)錄音為止。3. 4. 2. 4 無線檢測(cè)模塊 在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，我們使用無線多點(diǎn)檢測(cè)模塊配合主控模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)污染氣體的全方位檢測(cè)，各檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)通過無線傳送到放置在控制中心的控制器，形成

13、一個(gè)氣體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，控制器可以顯示每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，報(bào)警和聯(lián)動(dòng)控制，并通過外接報(bào)警器，增加告警范圍；控制器通過雙向通信可對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)探測(cè)器進(jìn)行設(shè)置。這大大提高了系統(tǒng)的工作效率，更重要的是，通過多點(diǎn)檢測(cè)室內(nèi)污染氣體，最大程度上滿足了用戶的需求，讓用戶的健康得到更全面的保障。我們使用NRF24L01作為我們的無線通信芯片。NRF24L01是NORDIC 公司最近生產(chǎn)的一款無線通信通信芯片，采用FSK 調(diào)制，內(nèi)部集成NORDIC 自己的Enhanced Short Burst 協(xié)議。可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或是1 對(duì)6 的無線通信。無線通信速度可以達(dá)到2M（bps）。下圖是NRF24L01的功能框圖。我們通過單片

14、機(jī)控制CSN,SCK,MISO,MOSI,IRQ,CE這六個(gè)控制和數(shù)據(jù)信號(hào)端，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)檢測(cè)的發(fā)送和接收的功能。其接口電路如下圖所示。其中，VCC腳接電壓范圍為2.0V-3.5V之間，不能在這個(gè)區(qū)間之外 ，超過3.5V將會(huì)燒壞芯片，在本系統(tǒng)中，我們使用3.3V電源為為其提供供電電源。下面是這六個(gè)控制和數(shù)據(jù)信號(hào)端的用法：CSN：芯片的片選線，CSN 為低電平芯片工作;SCK：芯片控制的時(shí)鐘線（SPI 時(shí)鐘）MISO：芯片控制數(shù)據(jù)線（Master input slave output）MOSI：芯片控制數(shù)據(jù)線（Master output slave input）IRQ：中斷信號(hào)。無線通信過程

15、中MCU 主要是通過IRQ 與NRF24L01 進(jìn)行通信。CE： 芯片的模式控制線。在 CSN 為低的情況下，CE 協(xié)同NRF24L01 的CONFIG 寄存器共同決定NRF24L01 的狀態(tài)NRF24L01有四種工作模式，即收發(fā)模式，配置模式，空閑模式和關(guān)機(jī)模式。其工作模式由PWR_UP register,PRIM_RX register和CE所決定。 3. 5 軟件流程4. 系統(tǒng)測(cè)試方案及分析4. 1系統(tǒng)測(cè)試方案 4. 1. 1氣體傳感器調(diào)試4. 1. 1. 1調(diào)試過程本系統(tǒng)使用MQ-9,MQ-138, MQ-137,MQ-5等氣體質(zhì)量傳感器，他們的測(cè)試方法大同小異，現(xiàn)以MQ-5為例，詳細(xì)

16、介紹我們的調(diào)試方法：在進(jìn)行調(diào)試之前，為了使調(diào)試的結(jié)果更加準(zhǔn)確，我們有必要對(duì)調(diào)試元件有比較全面的了解，以MQ-5為例，我們查閱了該元件的資料，對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)工作條件，工作環(huán)境條件及靈敏度特性進(jìn)行了全面的了解.其規(guī)格如下表所示：我們按元件資料的要求，在進(jìn)行正式的調(diào)試之前，首先預(yù)熱了30個(gè)小時(shí)，調(diào)試時(shí)，我們使用51單片機(jī)為其提供工作電壓，51單片機(jī)提供的工作電壓為5V，滿足了其回路電壓不大于15V并且加熱電壓為5.0V的技術(shù)條件，另外，在調(diào)試時(shí)，我們確保了室內(nèi)環(huán)境條件符合該元件工作的環(huán)境條件。調(diào)試電路如下圖所示:其中，RL為可調(diào)電阻。我們把Vout端經(jīng)AD0832 AD轉(zhuǎn)換芯片與單片機(jī)管腳連接，經(jīng)數(shù)值轉(zhuǎn)換

17、后在數(shù)碼管上顯示當(dāng)前環(huán)境甲烷的濃度值，之后，我們改變RL/Rs的比值，記錄下此時(shí)的甲烷的值，然后，繪制成表格，與靈敏度特性曲線進(jìn)行比較。最后得出調(diào)試結(jié)論 4. 1. 1. 2 調(diào)試數(shù)據(jù) 4. 1. 1. 3 數(shù)據(jù)分析 4. 1. 1. 4 調(diào)試結(jié)論 4. 1. 2 溫濕度傳感器調(diào)試 4. 1. 2. 1 調(diào)試過程 DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器， 包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件。該傳感器性能說明如下表所示：DHT11的供電電壓為 35.5V。在調(diào)試過程中，我們使用51單片機(jī)為其提供工作電壓，51單片機(jī)提供的工作電壓為5V，滿足其供電電壓要求

18、。我們的調(diào)試電路如下：DHT11有四個(gè)引腳，分別為VDD ，DATA ，GND 端，其中，引腳3為空腳。DATA 用于微處理器與 DHT11之間的通訊和同步,采用單總線數(shù)據(jù)格式一次通訊時(shí)間4ms左右。用戶MCU發(fā)送一次開始信號(hào)后,DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式,等待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束后,DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào),送出40bit的數(shù)據(jù),并觸發(fā)一次信號(hào)采集,用戶可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù).從模式下,DHT11接收到開始信號(hào)觸發(fā)一次溫濕度采集,如果沒有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號(hào),DHT11不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行溫濕度采集.采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式。 4. 1. 2. 2 調(diào)試數(shù)據(jù) 4. 1. 2. 3 數(shù)據(jù)分析 4.

19、1. 2. 4 調(diào)試結(jié)論 5. 1. 1 GPRS短信模塊調(diào)試 5. 1. 3. 1調(diào)試過程由于GPRS模塊是采用串口來控制的，并且采用AT指令，所以要用到串口，且波特率為115200，而單片機(jī)51的波特率只可以達(dá)到57600，所以采用STC89C52芯片中的T2定時(shí)器，定時(shí)器2 是一個(gè)16 位定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器。通過設(shè)置特殊功能寄存器T2CON 中的C/T2 位，可將其作為定時(shí)器或計(jì)數(shù)器（特殊功能寄存器T2CON 的描述如表1 所列）。定時(shí)器2 有3 種操作模式：捕獲、自動(dòng)重新裝載（遞增或遞減計(jì)數(shù)）和波特率發(fā)生器，這3 種模式由T2CON 中的位進(jìn)行選擇由于在接收到的字符數(shù)據(jù)量大，并且以數(shù)值為主

20、，為免復(fù)制化，本系統(tǒng)采用PDU的短信形式，在發(fā)送AT+CMGF=0，返回OK成功時(shí)，發(fā)送AT+CMGS=數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，這個(gè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是發(fā)送數(shù)據(jù)的大小，但是不論是漢字字符還是英文，數(shù)值字符，在PDU模式中都是占用兩個(gè)字符的，所以數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為15+字?jǐn)?shù)*2，但數(shù)值不于100時(shí)，要在前面加上0，在數(shù)據(jù)內(nèi)容發(fā)送時(shí)，對(duì)于你要發(fā)送的電話號(hào)碼，要采用倒序的模式，內(nèi)容采用Unicode碼，當(dāng)你發(fā)送完數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)返回OK，表示發(fā)送成功,調(diào)試過程如下圖3-10所示:PDU模式調(diào)試 5. 1. 3. 2數(shù)據(jù)分析U6000801044F60597D6000801044F60597D0011000D9168是固定數(shù)碼3134454204F6是電話號(hào)碼頭3154509630F4000801固定格式04是長(zhǎng)度 4F60597D是中文信息的UNICODE碼 5. 1. 3. 3 調(diào)試結(jié)論5. 總體功能與特色：1. 全方位準(zhǔn)確移動(dòng)調(diào)控測(cè)量并根據(jù)用戶需要獲得不同需要采用不同的選擇模式顯示，并且該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)語音播報(bào)當(dāng)前的距離溫度和時(shí)間。2. 該