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基于atmega16超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)-資料下載頁

2024-11-12 15:35本頁面
  

【正文】 射超聲波脈沖,傳感器接收到回聲脈沖信號(hào),經(jīng)信號(hào)處理傳輸?shù)絾纹瑱C(jī),單片機(jī)通過處理該回聲信號(hào)可計(jì)算得出距離信息。超聲波測(cè)距模 塊如圖 213。 淮南師范學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 27 圖 42 ATMega16M 單片機(jī) 控制 NOKIYA 5110 LCD 三線串口 接口電路 Nokia 5110 LCD 是移動(dòng)電話的液晶顯示模塊。與其它類型的產(chǎn)品相比,該模塊具有一下特點(diǎn): 84*48 的點(diǎn)陣 LCD,可以顯示 4 行漢字,采用串行接口 SPI 通信,信號(hào)線僅有 5 條,傳輸速率高達(dá) 4Mbps,可全速寫入顯示數(shù)據(jù),無等待時(shí)間,采用低電壓供電,正常顯示時(shí)的工作電流在 200uA 以下,且具有掉電模式,因此非常適合于電池供電的便攜式通信設(shè)備和測(cè)試設(shè)備中。 電路圖設(shè)計(jì)中的 SPI 接口模塊電路圖 如圖 43。 淮南師范學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 28 圖 43 NOKIYA 5110 LCD 語音模塊 WT588D 電路 WT588D 是一款功能強(qiáng)大的可重復(fù)擦除 燒寫的語音單片機(jī)芯片。支持2M~32M 的 SPIFlash 內(nèi)存 ,內(nèi)嵌 DSP 高速音頻處理器和 13bit/DA 轉(zhuǎn)換器,以及 12bit/PWM 輸出,音質(zhì)極為出色。軟件操作方式 也 簡潔易懂, 由于 撮合了語音組合技術(shù),大大減少語音編輯的時(shí)間。支持在線下載 /脫機(jī)下載,即便是 WT588D 通電的情況下,一樣可以通過下載器給關(guān)聯(lián)的 SPIFlash 下載信息。 另外, 220 段可控制地址位,單個(gè)地 址位最多可加載 128 段語音,地址位內(nèi)的語音可組合播放。 并且該 語音芯片接口控制十分豐富,并口、同步串口 SPI、一線串口控制 等功能。 本 設(shè)計(jì)中采用一線串口方式。 硬件電路圖如 圖 44 所示: WT588D 內(nèi)部自帶的功率放大聲音偏小,另外還帶語音直接輸出腳,因此增加了一級(jí) LM386 功放,滿足在 1 米內(nèi)能話音清晰洪亮。 淮南師范學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 29 圖 44 語音模塊 WT588D 電路 串行通信接口電路 為了實(shí)現(xiàn) AVR 單片機(jī)與 STC 控制功能單片機(jī)系統(tǒng)的串行通信,控制電路設(shè)計(jì)中特設(shè)計(jì)了單片機(jī)串行通信接口電路。其功能模塊原理圖如圖 45。 圖 45 串行通信模塊電路 淮南師范學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 30 控制電路工作時(shí),首先由驅(qū)動(dòng)電源提供供給電壓, ATMega 16 單片機(jī)及各外圍電路初始化,單片機(jī)通過 和 管腳輸入觸發(fā)控制信號(hào)至超聲波傳感器,超聲波傳感器進(jìn)行距離測(cè)量后,通過 和 管腳將回聲信號(hào)輸入到單片機(jī)中,供單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,通過這 個(gè)接口傳來的超聲波 信號(hào),單片機(jī)可以計(jì)算得出測(cè)得的距離數(shù)據(jù);要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人避障系統(tǒng)的完整功能,此測(cè)距控制單片機(jī)必須要與上位機(jī)交互聯(lián)系,為了實(shí)現(xiàn)這種交互聯(lián)系的正常進(jìn)行,控制電路設(shè)計(jì)過程中擴(kuò) 展了串行通信接口電路。 本章小節(jié) 本章根據(jù)傳感器測(cè)距范圍選定采用超聲波傳感器 進(jìn)行距離測(cè)量,并在電路板上合理分布發(fā)射與接收探頭位置, 針對(duì)設(shè)計(jì)所選用的 Polaroid 6500 系列超聲波探頭 對(duì)超聲波測(cè)距技術(shù) 做了細(xì)致分析, 設(shè)計(jì)出了超聲波傳感器的驅(qū)動(dòng) 與接收 電路 圖,指明了超聲波傳感器測(cè)距工作過程。 系統(tǒng)控制選用了 STC與 AVR 雙 單片機(jī) 方案 , 并根據(jù)需要設(shè)計(jì)了其外圍擴(kuò)展電路,最后完成了 系統(tǒng)測(cè)距 總 控制電路 圖 的設(shè)計(jì) 。 淮南師范學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 31 第 5 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 單片機(jī)的編程語言與程序設(shè)計(jì)方案 單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)語言主要有:機(jī)器語言、匯 編語言、高級(jí)語言 [14]。 (1)機(jī)器語言 (Machine Langue)是 指直接用機(jī)器碼編寫的程序。它是能夠被計(jì)算機(jī)直接執(zhí)行的編程語言,機(jī)器碼是一串由二進(jìn)制碼“ 0”和“ 1”組成的二進(jìn)制數(shù)據(jù),其執(zhí)行速度快,但是可讀性差。機(jī)器語言一般只在簡單的開發(fā)裝置中使用,程序的設(shè)計(jì)、輸入、修改和調(diào)試都很麻煩。 (2)匯編語言 (Assembly Language)是 指用指令助記符代替機(jī)器碼的編程語言。匯編語言程序結(jié)構(gòu)簡單、執(zhí)行速度快、程序易優(yōu)化,編譯后占用存儲(chǔ)空間小,使單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)中最常用的程序設(shè)計(jì)語言。匯編語言的缺 點(diǎn)是可讀性比較差,只有熟悉單片機(jī)的指令系統(tǒng),并具有一定的程序設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),才能研制出功能復(fù)雜的應(yīng)用程序。 (3)高級(jí)語言 (Highlevel Language)是 在匯編語言的基礎(chǔ)上用自然語言語句來編寫程序,程序可讀性強(qiáng),通用性好,適用于不熟悉單片機(jī)指令系統(tǒng)的用戶。高級(jí)語言編程的缺點(diǎn)是實(shí)時(shí)性不高,結(jié)構(gòu)不緊湊,編譯后占用存儲(chǔ)空間比較大,這一點(diǎn)在存儲(chǔ)器有限的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中沒有優(yōu)勢(shì)。 目前,大多數(shù)用戶仍然適用匯編語言進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計(jì)要滿足硬件電路的設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中 根據(jù)課題所涉及的輪 椅機(jī)器人避障功能要求,結(jié)合 課題的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境, 總結(jié)出 本系統(tǒng)的軟件應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能: (1)控制超聲波發(fā)射、接收傳感器的工作狀態(tài); (2)測(cè)出超聲波信號(hào)的往返時(shí)間, 利用超聲測(cè)距公式 計(jì)算出障礙物與機(jī)器人的距離; (3)能根據(jù)用戶的需求,改變傳感器模塊工作流程。 程序功能規(guī)劃及設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用超聲波傳感器 進(jìn)行距離信息的測(cè)量,根據(jù)所設(shè)計(jì)測(cè)距 系統(tǒng)硬淮南師范學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 32 件電路的特性要求, 通過對(duì)系統(tǒng)軟件功能的總結(jié) 可將 系統(tǒng)軟件 程序劃分為:超聲波測(cè)距控制程序 、 傳感器檢測(cè) 總 控制程序 和上位機(jī)人機(jī)交互程序三大 程序 模塊 。 超聲波測(cè)距 控制程序 設(shè)計(jì) 結(jié)合 系統(tǒng) 中 Polaroid 6500 系列超聲 波測(cè)距 傳感器的測(cè)距工作原理, 分析出單片機(jī)與超聲波傳感器的連接控制過程,為實(shí)現(xiàn)每個(gè)超聲波傳感器合理的進(jìn)行距離測(cè)量,本設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)的 超聲波傳感器測(cè)距控制程序流程圖 如圖51 所示 。 開始單片機(jī)信號(hào)輸入(INI T)超聲波傳感器發(fā)射脈沖接受回聲信號(hào)(ECH O)得到時(shí)間差利用公式2 1計(jì)算距離輸出距離數(shù)值計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)結(jié)束電源信號(hào)Vc c結(jié)束 空白輸入 圖 51 超聲波測(cè)距程序流程圖 傳感器檢測(cè)總控制程序 在本設(shè)計(jì)利用 STC 單片機(jī)對(duì)超聲波傳感器 進(jìn)行 循環(huán)檢測(cè)控制, 以 獲得淮南師范學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 33 測(cè)距儀 所處環(huán)境的 障礙物距離信息,將所測(cè)距離信息 傳輸給上位機(jī) 便可以 實(shí)時(shí)顯示及同步語音播報(bào)距 離信息 。 實(shí)現(xiàn)此智能化功能,除了 要設(shè)計(jì)出各 傳感器的測(cè)距功能控制 子 程序,還 需 設(shè)計(jì)出 系統(tǒng) 總 控制程序。為 減少 各傳感器測(cè)距過程中的 相互干擾,每個(gè)傳感器模塊 都 必須具有單獨(dú)的工作時(shí)間段 ,設(shè)計(jì)出了用戶可調(diào)式測(cè)距系統(tǒng)總控制程序流程圖(圖 52)。 開始程序初始化選擇第i個(gè) 超聲傳感器 選擇第i個(gè) 紅外傳感器運(yùn)行超聲傳感器測(cè)距程序 運(yùn)行紅外傳感器測(cè)距程序執(zhí)行傳感器選擇程序得到超聲距離數(shù)據(jù) 得到紅外距離數(shù)據(jù)傳輸距離數(shù)據(jù)到上位機(jī)結(jié)束 圖 52 測(cè)距系統(tǒng)總控制程序流程圖 根據(jù)以上所規(guī)劃的程序設(shè)計(jì)流程圖,使用編程語言編制了單片機(jī)控制下的超聲波檢測(cè)程序 。 本章小結(jié) 本章對(duì)本設(shè)計(jì)的程序設(shè)計(jì)方案做了總體分析。根據(jù)硬件電路的設(shè)計(jì),規(guī)劃出了硬件電 路工作的程序功能框圖,并針對(duì) 測(cè)距 系統(tǒng)的超聲波 設(shè)計(jì)出了 程序模塊來控制測(cè)距過程;最后根據(jù)劃分的 各部分程序功能模塊,提出了系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)要求。 此外,還設(shè)計(jì)了 單片機(jī)控制下的傳感器檢測(cè)程序, 并通過軟件測(cè)試其運(yùn)行功能, 實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)距系統(tǒng)的檢測(cè)障礙物距離信息的功能。 淮南師范學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 34 第 6 章 硬件調(diào)試及測(cè)量分析 超聲波發(fā)射電路的調(diào)試 先斷開跳線器,檢測(cè)單片機(jī)輸出的波形是否正確,測(cè)量 R3 接 MCU 的信號(hào),保證波形的頻率、占空比及脈沖的個(gè)數(shù)正確 (符合程序控制的要求,目前的程序是發(fā)送 10 個(gè)脈沖 ),如圖 61 所示: 圖 61 然后測(cè)試 余波減弱控制信號(hào) (如果選擇了初級(jí)余波減弱電路,并在軟件上設(shè)計(jì)了 ),檢測(cè) R4 接 MCU 的端子。最好有雙通道的示波器,因?yàn)樾枰桶l(fā)送脈沖匹配,此信號(hào)應(yīng)該略延時(shí)于發(fā)送脈沖結(jié)束,約為 28us,如圖 62: 淮南師范學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 35 圖 62 上述兩個(gè) MCU 控制調(diào)試好后,可以將跳線器接上,看一下驅(qū)動(dòng)的波形和變壓器初級(jí)的輸出。驅(qū)動(dòng)波形測(cè)量 D882 的 C 端,也就是跳線器上。次級(jí)波形可以直接檢測(cè)超聲波發(fā)射器兩端,如圖 63: 圖 63 注意右側(cè)的波形,峰值電壓超過 50V,所以你能夠聽到發(fā)射器發(fā)出的“啪啪聲”。 另外,可以檢測(cè)一下有無余波消除的 差別,因?yàn)橐陀嗖刂菩盘?hào)同時(shí)觀察,所以用驅(qū)動(dòng)信號(hào)代替輸出,由于變壓器的耦合作用,信號(hào)是一樣的,只是幅值不同。 淮南師范學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 36 圖 64 注意, 圖 64 中左側(cè)余波實(shí)際上遠(yuǎn)不止 388us,由于變壓器的升壓作用,很小的驅(qū)動(dòng)信號(hào)都可以產(chǎn)生接收器能接受的超聲波,因?yàn)槭?、發(fā)之間太近了!這樣將使得近距離的回波淹沒在余波中,導(dǎo)致測(cè)量范圍縮小。 當(dāng)改變 R5 的數(shù)值時(shí), 圖 64 右側(cè)波形會(huì)發(fā)生變化,此外,要想確定是否達(dá)到諧振狀態(tài),可檢測(cè)沒有余波抑制時(shí)的余波信號(hào),此時(shí)的頻率即為諧振頻率 (圖中用余波抑制控制信號(hào)來指明后面的波不是由 MCU 產(chǎn)生的 )。 圖 65 從上圖 65 可以看出諧振頻率是 40KHz. 至此,超聲波發(fā)送部分基本調(diào)試完成。 淮南師范學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 37 超聲波接收電路的調(diào)試 超聲波接收部分硬件比較簡單,關(guān)鍵是軟件上能控制好增益的變化,以及內(nèi)部計(jì)時(shí)。 調(diào)試時(shí)首先檢測(cè)一下 C12 上的信號(hào),此處為 TL852 的第一級(jí)放大輸出,在信號(hào)較強(qiáng)時(shí)可以看到波形,以 確定超聲波接收器及回路是否正常,至少能看到一組波,即發(fā)射時(shí)的信號(hào) ,如果有比較近的物體,應(yīng)該可以看到接著有一組波形,此信號(hào)即回波,如圖 66: 圖 66 接著看看 4 路增益控制有無變換,檢測(cè) MCU 輸出給 TL852 的增益控制信號(hào),而是否正確主要靠軟件邏輯的檢查,用波形來判斷有些困難。 淮南師范學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 38 圖 67 圖 67 為增益控制最低位 GCA 的波形,注意圖中光標(biāo)所示的時(shí)間,對(duì)照 TL851 資料,確定增益控制有效后,檢測(cè) SOUT 端(或者 C14),可以看到輸出。 圖 68 注意:為了消除自己發(fā)射時(shí)收到的信號(hào)干擾測(cè)量,在發(fā)射時(shí)用 MCU 控制了 SOUT 端,使之處于對(duì)地短路狀態(tài)(參見前述 TL851 的原理和說明),發(fā)射結(jié)束后釋放。之后在收到回波后,設(shè)計(jì)的程序會(huì)根據(jù)設(shè)定的時(shí)間決定是否再次短路 SOUT 輸出,以避免由于附近兩側(cè)的 物體反射干擾。 超聲波的發(fā)射、接收角度雖然號(hào)稱是 60 度,但那是指強(qiáng)度大于一定淮南師范學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 39 數(shù)值的信號(hào),實(shí)際上放寬信號(hào)強(qiáng)度會(huì)更寬,所以很近的物體雖然在測(cè)量角度以外,也許會(huì)測(cè)到。這個(gè)功能在設(shè)計(jì)程序時(shí)確定是否需要,此處只是作為參考。 SOUT 的輸出經(jīng)過比較器后變?yōu)樨?fù)跳脈沖,觸發(fā) MCU 中斷,從而使MCU 內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對(duì)回波的計(jì)時(shí),即可計(jì)算出距離了,這部分在軟件篇中討論。 因?yàn)榍笆鎏幚矸绞剑袛嗟?波形可能會(huì)比較窄,不容易測(cè)到,需要使用示波器的信號(hào)觸發(fā)掃描功能,如圖 69: 圖 69 至此,超聲波接收 部分基本調(diào)試完成。 淮南師范學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 40 第 7 章 誤差與干擾分析 測(cè)試方法: 分別進(jìn)行室內(nèi)和室外兩種環(huán)境進(jìn)行測(cè)量,距離測(cè)量的目標(biāo)物體選用 3020cm 的正方形紙盒,速度測(cè)量借助自制的遙控小車,測(cè)量過程中,室內(nèi)室外環(huán)境下小車以相同的速度行駛,通過測(cè)試儀實(shí)時(shí)播報(bào)測(cè)得的速度值。 測(cè)試用儀器: 卷尺 、秒表、溫度計(jì) 測(cè)試數(shù)據(jù) 室內(nèi)環(huán)境測(cè)試結(jié)果 當(dāng)時(shí)環(huán)境 溫度 : ℃ 次數(shù) 項(xiàng)目 單位( m) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 卷尺測(cè)距值 顯示 測(cè)距值 測(cè)距誤差 顯示速度值 室外環(huán)境測(cè)試結(jié)果 當(dāng)時(shí) 環(huán)境溫度 : ℃ 次數(shù) 項(xiàng)目 1 2 3 4 5 6 7 8 9 卷 尺 測(cè) 距值 顯示 測(cè)距值 測(cè)距誤差 顯 示 速 度值 淮南師范學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 41 溫度的影響 理想環(huán)境下 ,超聲波在一種介質(zhì)
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