【正文】 字節(jié) 0 開始 CHANNEL_CON FIG(CC) 1000pphccccccccc 快速設(shè)置配置寄存器中 CH_NO HFREQ_PLL 和 PA_PWR 的專用命令CH_NO=ccccccccc HFREQ_PLL=h PA_PWR=pp 通過 對 NRF905 的工作原理 的研究 ， 參考 NRF905 模塊的無線收發(fā)流程及部分指令說明，最后確定和單片機(jī)連接構(gòu)成無線收發(fā)電路，電路圖如圖 所示。 圖 無線收發(fā)電路 報警電路的設(shè)計 由于當(dāng)測量范圍超過設(shè)計范圍時，本系統(tǒng)不能實現(xiàn)測量功 能，所以設(shè)計一個報警功能，當(dāng)超過測距范圍時，系統(tǒng)會 通過蜂鳴器 發(fā)生報警。 20 本設(shè)計 采用一個蜂鳴器 來實現(xiàn)報警功能 ，由 輸出一定頻率的信號，在連接到蜂鳴器之前，經(jīng)過一個三極管 8050 的放大。報警 電路 的連線，如圖 所示 。 圖 報警電路 電源的設(shè)計 整個系統(tǒng)分為兩部分，第一部分主要由 控制模塊、超聲波測距模塊、無線傳輸模塊組成 ； 第二部分主要由控制模塊、顯示模塊、 報警 模塊、無線接收模塊組成 。由于無線收發(fā)模塊需要的電源電壓 是 電源，所以本設(shè)計采用 USB 提供 5V 電源，通過 AMS117 芯片 將 5V 電源 穩(wěn)壓到 供電。 電路圖如圖 所示 [15]。 圖 電源電路 21 本章小結(jié) 本章是 超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計部分，主要有 單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波收發(fā)模塊 、無線收發(fā)模塊、 報警 模塊、 LCD 顯示 模塊的設(shè)計。通過查閱大量的資料，設(shè)計出的硬件電路基本符合工作要求 。 22 第 三 章 軟件設(shè)計 如果說硬件設(shè)計是骨骼，那么軟件 設(shè)計可以算作是整個電路系統(tǒng)的血肉。只有在軟件指令的指揮下才能使 單片機(jī)系統(tǒng) 正常 工作。對于單片機(jī)的軟件編寫，實際上就如同編寫 PC機(jī)的操作系統(tǒng)，都要涉及中斷、定時器，及其他外圍設(shè)備驅(qū)動程序編寫。當(dāng)然單片機(jī)的軟件設(shè)計復(fù)雜度比 PC 底層軟件編寫復(fù)雜度低的多。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括主單片機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計和從單片機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計。 主單片機(jī)系統(tǒng) 軟件設(shè)計 本設(shè)計 的主單片機(jī)系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能是測量障礙物的距離和處理數(shù)據(jù)進(jìn)行無線發(fā)射，在軟件設(shè)計中包括超聲波測距子程序和無線發(fā)射子程序。 程序流程圖，就如同程序設(shè)計 的一個向?qū)?，是程序員的設(shè)計思路，他能從整體上指導(dǎo)程序員，如何 去編寫程序，便于及時糾正程序中的不足。以下主要介紹主程序流程圖，及相應(yīng)功能子程序 流程圖 [16]。 主單片機(jī)程序流程圖 主程序流程圖 是 系統(tǒng)工作流程 最明確的介紹，包括初始化、超聲波測距、距離計算和無線發(fā)射等過程。具體流程圖如圖 所示。 開 始初 始 化超 聲 波 發(fā) 射 接 收距 離 計 算無 線 傳 輸 圖 主單片機(jī) 程序流程框圖 子程序流程圖 23 本設(shè)計采用超聲波測距模塊 US020 實現(xiàn)測距功能，單片機(jī)通過 向該模塊的 Trig端口輸入一個大于 10uS 的高電平來觸發(fā)測距模塊工作，當(dāng)測距結(jié)束時 Echo 端會輸出一個高電平，高電平的寬度即為往返時間之和 ，根據(jù)這個時間可測得實際距離。超聲波測距流程圖如圖 所示。 開 始T r i g 端 輸 入 大 于 1 0 u S 的 高電 平 觸 發(fā) 測 距 模 塊 工 作E c h o 端 輸 出 一 個高 電 平 ？計 算 距 離Y e sN o 圖 超聲波測距流程圖 設(shè)計 中 選用了 Nordic 公司生產(chǎn)的無線射頻模塊 NRF905， NRF905 的發(fā)射步驟為： 當(dāng)微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)射時，通過 SPI 接 口，按時序把接收機(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)送傳給NRF905， SPI接口的速率在通信協(xié)議 和器件配置時確定；微控制器置高 TRX_CE和 TX_EN，激發(fā) NRF905 的 Shock Burst TM 發(fā)送模式； NRF905 的 Shock Burst TM 發(fā)送：（ 1）射頻寄存器自動開啟；（ 2）數(shù)據(jù)打包（加字頭和 CRC 校驗碼）；（ 3）發(fā)送數(shù)據(jù)包；（ 4）當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳被置高； AUTO_RETRAN被置高， NRF905不斷重發(fā)，直到 TRX_CE被置低；當(dāng) TRX_CE 被置低， NRF905 發(fā)送過程完成，自動進(jìn)入空閑模式，注意： Shock Burst TM 工作模式保證，一旦發(fā)送數(shù)據(jù)的過程開始無論 TRX_EN 和 TX_EN 引腳是高或低，發(fā)送過程都會被處理完，只有在前一個數(shù)據(jù)包被發(fā)送完畢， NRF905 才能接收 下一個發(fā)送數(shù)據(jù)包。 無線發(fā)射 程序 流程圖如 圖 所示 。 24 開 始載 入 節(jié) 點 地 址和 有 效 數(shù) 據(jù)T R X _ C E = 1 ?發(fā) 射 器 上電T X 傳 輸 模 式 產(chǎn) 生c r c 效 驗 碼 并 連 續(xù)發(fā) 送 數(shù) 據(jù) 包T R X _ C E = 1A U T O _ R E T RA N = 1D R 置 低N oY e sY e sN o 圖 無線發(fā)射流程圖 從單片機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計 從單片機(jī)系統(tǒng)主要實現(xiàn)無線接收、 LCD 顯示和報警功能，根據(jù)這些功能在軟件設(shè)計中設(shè)計了各個功能的子程序。 從單片機(jī)程序流程圖 一個完整的 單片機(jī)程序流程圖 可以清晰地表達(dá)該 系統(tǒng)的工作順序和整體框架， 這樣看起來構(gòu)思簡明、易懂，給程序編寫做了一個良好的鋪墊。本設(shè)計從單片機(jī)的程序 流程圖如圖 所示。 25 開 始初 始 化無 線 接 收是 否 接 到 數(shù) 據(jù) ？數(shù) 據(jù) 處 理數(shù) 值 是 否 大 于 報 警值 ？液 晶 顯 示報 警N oY e sY e sN o 圖 從單片機(jī)程序流程框圖 子程序流程圖 NRF905 模塊的接收步驟為： 當(dāng) TRX_CE 為高、 TX_EN 為低時， NRF905 進(jìn)入 Shock Burst TM 接收模式； 650us 后， NRF905 不斷檢測，等待接收數(shù)據(jù)；當(dāng) NRF905 檢測到同一頻段的載波時，載波檢測引腳被置高；當(dāng)接收到一個相當(dāng)匹配的地址， AM 引腳被置高；當(dāng)一個正確的數(shù)據(jù)包接收完畢， NRF905 自動移去字頭、地址和 CRC 校驗位，然后把 DR引腳置高；微控制器把 TRX_CE 置低， NRF905 進(jìn)入空閑模式；微控制器通過 SPI 口， 以一定的速率把數(shù)據(jù)移到微控制器內(nèi)；當(dāng)所有的數(shù)據(jù)接收完畢， NRF905 把 DR 引腳和 AM26 引腳置低； NRF905 此時可以進(jìn)入 Shock Burst TM 接收模式、 Shock Burst TM 發(fā)送模式或關(guān)機(jī)模式。無線接收 程序流程圖 如圖 所示 。 T X _ E N = 0 P W R _ U P = 1T R X _ C E = 1接 收 器 上 電發(fā) 現(xiàn) 和 接 受 頻 率 相 同 的 載 波時 ， C D 置 高效 驗 地 址A M = 1接 收 數(shù) 據(jù)校 正 C R CD R = 1T R X _ C E = 1進(jìn) 入 節(jié) 電模 式通 過 單 片 機(jī)時 鐘 載 入 S P I接 口D R 和 A M置 低A M = 0N oY e sN oY e sN oY e sY e sN o 圖 無線接收流程圖 程序 流程圖 LCD1602 液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器已經(jīng)存儲了 160 個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有 一個固定的代碼，比如大寫的英文字母 “ A” 的代碼是 01000001B（ 41H），顯示時模塊27 把地址 41H 中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母 “ A”。其中 液晶顯示的流程圖如圖 所示 。 開 始初 始 化內(nèi) 部 是 否 忙 碌讀 指 令讀 數(shù) 據(jù)顯 示N oY e s 圖 液晶顯示流程圖 本設(shè)計中當(dāng)測距范圍超出量程時不能正常工作，因此設(shè)計一個報警功能，在軟件設(shè)計時設(shè)計一個報警子程序。報警流程圖如圖 所示。 開 始檢 測 B E E P = 1 ?報 警Y e sN o 圖 報警流程圖 28 本 章小結(jié) 本章是 超聲波測距系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計部分，通過 設(shè)計各個部分的子程序，可以很好地實現(xiàn)設(shè)計的功能 要求 。 29 第四章 實物焊接與系統(tǒng)調(diào)試 完成硬件電路設(shè)計與軟件程序設(shè)計后就要進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試工作，其中包括了 PCB 制板、實物焊接、硬件 電路 調(diào)試、程序燒錄及調(diào)試。 電路板設(shè)計軟件介紹 Altium Designer 是原 Protel 軟件開發(fā)商 Altium 公司推出的一體化的電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，主要運行在 Windows 操作系統(tǒng)。這套軟件通過把原理圖設(shè)計、電路仿真、 PCB 繪制編輯、拓?fù)溥壿嬜詣硬季€、信號完整性分析和設(shè)計輸出等技術(shù)的完美融合，為設(shè)計者提供了全新的設(shè)計解決方案，使設(shè)計者可以輕松進(jìn)行設(shè)計，熟練使用這一軟件必將使電路設(shè)計的質(zhì)量和效率大大提高。本設(shè)計的硬件電路部分就是在 Altium Designer 9 中完成的。 PCB 板制作 通過 Altium Designer 軟件 制作 PCB 板，其中要注意到電路板的制作規(guī)則、元器件的選擇、元器件的布局和元器件的連線。且制作板時不能出現(xiàn)差錯，否則會導(dǎo)致制作的 PCB板不能使用。在制板時回出現(xiàn)一些常見的錯誤，例如元器件封裝的錯誤選擇 。連線很講究原則和技巧 ， 走線應(yīng)盡量美觀、簡潔。一些設(shè)計人員在初期使用 Altium Designer 進(jìn)行設(shè)計時 ， 只在表象上將元件連起 ， 而出現(xiàn) “ 虛點 ” 。導(dǎo)致在生成網(wǎng)絡(luò)報表時出錯。好的設(shè)計習(xí)慣是打開電氣網(wǎng)絡(luò) ， 使連線可以輕松連接到一個不在捕獲網(wǎng)絡(luò)上的實體；打開在線 DRC,監(jiān)控布線過程 ， 違反規(guī)則的設(shè)計被立即顯示出來。完成預(yù)布線后 ， 為了在自動布線時保持不變 ， 需要對預(yù)布線鎖定。打開菜單 Edit\Find Similar Objects， 選擇要鎖定的對象。自動布線與交互式布線相結(jié)合可以很好地提高布線成功率和效率。自動布線的 結(jié)果為手工調(diào)整提供參考。 實物焊接 手工焊接技能是電子類專業(yè)的基本技能，必須反復(fù)地 、 嚴(yán)格地訓(xùn)練才能掌握。 PCB 板制作完成后便開始購買器件進(jìn)行實物焊接的工作，準(zhǔn)備電烙鐵、焊錫、支架等工具。 焊接工程中首先焊接 PCB 板上的跳線 ， 然后焊接簡單的電阻、電容和直插器件的底座 ，使用電烙鐵將錫鉛焊料加熱融化后將器件與電路板 焊接在一起，焊接時注意不要虛焊和短路，在焊接過程中遇到很多了問題，經(jīng)過老師和同學(xué)的幫助順利的完成了焊接任務(wù)。焊接過程中也要注意安全，因為烙鐵頭的溫度很高，要特別注意，防止?fàn)C傷自己和他人。最后30 焊接 工作結(jié)束后進(jìn)行初步檢查 ，保證 器件 都焊接完畢 及 電路板無損壞。 硬件 電路 調(diào)試 當(dāng)實物焊接完成后，先目測焊接情況，看是否有虛焊或者短路現(xiàn)象，然后不插入芯片接通電路，用萬用表測量電路是否正確，其中包括測量電源電壓是否為 5V和 些電路的導(dǎo)通情況。保證都無錯誤后可以插入芯片等待 進(jìn)行 軟件程序調(diào)試。 程序燒錄及調(diào)試 首先使用 Keil 軟件對程序進(jìn)行設(shè)計與編譯。 Keil 是美國 Keil Software 公司出品的一套非常好用的 8051 系列單片機(jī)軟件開發(fā)系統(tǒng)。 Keil 提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器以 及 庫管理和一個功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案 通過一個集成開發(fā)環(huán)境uVision 將這些部分組合在一起。 軟件設(shè)計 首先創(chuàng)建一個工程選擇芯片，本設(shè)計基于 AT89S52 單片機(jī)，工程創(chuàng)建完后接著來編寫程序代碼，單擊菜單中的【 Save】選項，本設(shè)計采用用 C 語言編寫，因此代碼 擴(kuò)展名必須為 c，然后保存，之后在文件編輯窗口 編寫代碼。 然后開始編譯，編譯成功后生成 Hex 文件。 Hex 全稱（ Intel HEX 文件）是由一行行符合 Intel HEX 文件格式的文本所構(gòu)成的 ASCII文本文件。在 Intel HEX 文件中每一行包 含一個 HEX 記錄。這些記錄由對應(yīng)機(jī)器語言碼和常量數(shù)據(jù)的十六進(jìn)制編碼數(shù)字組成。 Intel HEX 文件通常用于傳輸將被存于 ROM 或者EPROM 中的程序和數(shù)據(jù)。大多數(shù) EPROM 編程器或模擬器使用 Intel HEX 文件。 通過軟件向單片機(jī)燒錄程序，然后接通電路進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試過程中出現(xiàn)狀況后，通過查找及驗證修改錯誤，最終達(dá)到預(yù)期結(jié)果。 本章小結(jié) 經(jīng) 過系統(tǒng)調(diào)試可了解到自己制作的錯誤，不僅學(xué)習(xí)到很多知識，而且使設(shè)計更加合理可靠。 下圖 為系統(tǒng)工作時 測得距離的實物圖。 31 圖 系統(tǒng)工作實物圖 32 結(jié) 論 通過各方面努力，本次畢業(yè)設(shè)計任務(wù)完成。系統(tǒng)的測距功能夠?qū)崿F(xiàn)，能夠完成障礙物的距離測量，并且將所測得的距離在 LCD1602 進(jìn)行實時顯示，當(dāng)超過測量范圍時，通過控制蜂鳴器發(fā)出報警功能。在實現(xiàn)無線收發(fā)功能上，由于軟件調(diào)試不成功，還不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā) ，如果進(jìn)一步進(jìn)行程序編寫和調(diào)試，最終能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā) 。本系統(tǒng) 還具 有很多優(yōu)點：設(shè)計方案清晰，技術(shù)路線明確，系統(tǒng)操作簡單，維護(hù)方便，易于功能拓展和升級，而且本系統(tǒng)的發(fā)展前景可觀。 本 系統(tǒng)實現(xiàn) 了 預(yù)計的基本功能，具有較高的實用性。能夠有效地測量障礙 物的距離并顯示出來。當(dāng)然設(shè)計中也存在一些不足，有待進(jìn)一步改進(jìn)。比如顯示屏采用 1602，操作簡便，但其不支持中文顯示，對于不認(rèn)識英文的人員來講，操作略有困難。同時由于時間倉促，本系統(tǒng)中，對測量精度和量程設(shè)計不足，只能簡單的測量 5 米以內(nèi)的距離。在今后的學(xué)習(xí)中會繼續(xù)研究本 系統(tǒng)，繼續(xù)完善本系統(tǒng)。 33 致 謝 本 設(shè)計 工作是在我的導(dǎo)師 XXX 老師的精心指導(dǎo)和悉心關(guān)懷下完成的，從開題伊始到論文結(jié)束，我所取得的每一個進(jìn)步、 設(shè)計的每一個細(xì)節(jié)、 編寫的每一段程序都無不傾注著導(dǎo)師辛勤的汗水和心血。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn) 的治學(xué)態(tài)度、淵博的各科知識、無私的奉獻(xiàn)精神使我深受啟迪，從尊敬的導(dǎo)師身上，我不僅學(xué)到了扎實、寬廣的專業(yè)知識，也學(xué)到了做人的道理。在今后的學(xué)習(xí)工作中，我將銘記恩師對我的教誨和鼓勵，盡自己最大的努力取得更好的成績。 在此 ， 我要向我的導(dǎo)師 XXX 老師致以最衷心的感謝和深深的敬意！ 在 四 年的大學(xué)學(xué)習(xí)期間，每位老師對我的學(xué)習(xí)、生活和工作都給予了熱情的關(guān)心和幫助，使我的水平得到了很大的提高，取得了長足的進(jìn)步。 在此，向所有關(guān)心和幫助過我的老師、同學(xué)和朋友表示由衷的謝意！ 衷心感謝在百忙之中評閱論文和參加答辯的各位專家、教 授。 34 參考文獻(xiàn) [1] 丁元杰．單片微機(jī)原理及應(yīng)用 [M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2021． [2] 楊恢先，黃輝先．單片機(jī)原理及應(yīng)用 [M]．長沙：國防科技大學(xué)出版社， 2021． [3] 戴勝華，蔣大明．單片機(jī)原理與應(yīng)用 [M]．北京：清華大學(xué)出版社， 2021． [4] 張毅剛．新編 MCS51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計 [M]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 2021． [5] 何立民．單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編 [M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 1999． [6] 李廣弟，朱月秀，冷祖祁．單片機(jī) 基礎(chǔ) (第 3版 )[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2021． [7] 張謙琳．超聲波檢測原理和方法 [M]．北京：中國科技大學(xué)出版社， 1993． [8] 李華． MCS—51 系列單片機(jī)實用接口技術(shù) [M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 1996． [9] 蘇偉，鞏壁建．超聲波測距誤差分析 [M]．傳感器技術(shù)， 2021． [10] 占操，梁厚琴，曹燕 .單片機(jī)系統(tǒng)中的軟件抗干擾技術(shù) .電子技術(shù)， [11] 徐淑華，程退安，姚萬生．單片機(jī)微型機(jī)原理及應(yīng)用 [M]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 1999． [12] 陳光東．單片機(jī)微型計算機(jī)原理與接口技術(shù) (第二版 ) [M]．武漢：華中理工大學(xué)出版社， 1999． [13] 李麗霞 ． 單片機(jī)在超聲波測距中的應(yīng)用 [J] ． 電子技術(shù) ， 2021 [14] 姜道連 ， 寧延一 ， 袁世良 ． 用 AT89C2051 設(shè)計超聲波測距儀 [J] ． 國外電子元器件 ， 2021 [15] 張鵬 ， 張有志 ． 一種新型超生測距系統(tǒng) [J] ． 山東 ： 山東大學(xué)學(xué)報 ， 2021， 33(1) [16] 譚浩強(qiáng) ． C 程序設(shè)計（第三版） ． 北京：清華大學(xué)出版社， 2021 35 附錄 A 硬件設(shè)計電路圖 36 附錄 B PCB布 線圖 37 附錄 C 實物圖 38 附錄 D 系統(tǒng)程序 /**************************************************************************************/ // 汽車?yán)走_(dá)防撞系統(tǒng)設(shè)計 // // 原理：超聲波測距，當(dāng)測得距離小