婴儿看护仪项目设计及测试说明书汇编.doc

成都信息工程学院电子工程学院基于超声波测距的婴儿看护仪设计及测试说明书拟制部门_信处141_拟 制 人 曾雪松 张天荃 叶果丰 黄凯 赵鹏 王心莹审 核 人_批 准 人_ 年 月 日项目名称设计及测试说明书目 录1引言11.1编写目的11.2背景11.3定义11.4参考资料12总体设计12.1需求规定12.2.1系统功能12.2.2系统性能22.2.3输入输出要求22.2.4故障处理要求22.2运行环境22.2.1设备22.2.2支持软件2软件：Microsoft Visual C+6.0、Java、Keil_v522.3基本设计概念和处理流程32.4结构32.5功能需求与系统模块的关系32.6人工处理过程32.7尚未解决的问题33系统的结构43.1逻辑结构43.2物理结构64接口设计64.1用户接口64.2外部接口64.3内部接口65运行设计65.1运行模块组合65.2运行控制65.3运行时间76软件模块介绍76.1模块描述76.2功能76.3性能76.4输入项86.5输出项86.6设计方法（算法）86.7流程逻辑96.8接口106.9存储分配106.10注释设计106.11限制条件106.12测试计划116.13尚未解决的问题117硬件设计说明117.1模块1（标识符）117.2模块2（标识符）128系统出错处理设计128.1出错信息和补救措施128.2系统维护设计13项目名称设计及测试说明书1 引言1.1 编写目的编写此文档的目的是进一步定制软件开发的细节问题,希望能使本软件开发工作更具体。是为使用户、软件开发者及分析人员对该软件的初始规定有一个共同的理解，它说明了本产品的各项功能需求、性能需求和数据要求，明确标识各功能的实现过程，阐述实用背景及范围，提供客户解决问题或达到目标所需的条件或权能，提供一个度量和遵循的基准。1.2 背景随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。超声波测距与其它非接触式的检测方式方法相比，如电磁的或光学的方法它不受光线，被测对象颜色，电磁干扰等影响。有灰尘烟雾,电磁干扰等环境有一定的适应能力。因此在居家生活中也有广泛应用。特别是应用于婴儿看护，当家长里婴儿比较远，无法照看到孩子时，如果婴儿离危险物品如开水壶、刀具等较近时，很容易发生事故；又因为超声波传感器具有结构简单，体积小，信号处理可靠等特点。因此我组采取本课题，以超声波测距为原理的婴儿看护报警装置。定义测距：测量障碍物与仪器间的距离红外扫描：通过红外线扫描障碍物是否为人体，若是继续执行超声波：超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。1.3 参考资料宋文绪，杨帆.传感器与检测技术M.北京：高等教育出版社赵宏，黄席越，熊智华基于AT89C51的超声波泊车防撞系统设计J.宋文绪，杨帆.传感器与检测技术M.北京：高等教育出版社康华光.电子技术基础数字部分（第五版）M.北京：高等教育出版社王莹.高精度超声波测距仪的研究设计D.华北电力大学硕士论文2 总体设计2.1 需求规定2.2.1 系统功能利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。2.2.2 系统性能l 精度：精确到厘米l 时间特性要求：时间延迟低，当达到l 可靠性强l 灵活性：主要取决于制造晶片本身。如果机电耦合系数较低，那么也只能拥有较低的灵敏度2.2.3 输入输出要求5V电压输入2.2.4 故障处理要求当测距出现问题时，一、检查是否为红外线检测仪器出现错误，理论上红外检测仪只对人体才开始测距二、检查是否为超声波发生器故障，及时维修或更换三、若实际测距与APP上显示则应该及时对APP 进行调试。2.2 运行环境2.2.1 设备STC89C52单片机22pF瓷片电容11.0592Mhz晶振DIP40单片机插座7cm*9cm万孔板DC5V的电源座DC5V的USB电源线LED电源指示灯蓝牙串口模块5V蜂鸣器超声波传感器模块红外人体热释电传感器模块2.2.2 支持软件操作系统：Windows XP软件：Microsoft Visual C+6.0、Java、Keil_v52.3 基本设计概念和处理流程系统上电后，首先系统初始化，不断扫描按键K，若按键按下，则复位。然后控制超声波传感器发出超声波，同时使定时器T1开始定时。CPU循环检测P3.3引脚，当P3.3为低电平时接收到回波，计算出距离后调用距离显示子程序，保存定时器的计数值并通过蓝牙发送到安卓设备的APP上显示。若超声波测得距离小于10CM，则蜂鸣器开始报警，同时在手机上显示。按下按键K重新开始，执行新一次测量。由于不需输入数据，键盘只设置了1个按键。2.4 结构2.5 功能需求与系统模块的关系超声波侧距蓝牙发送模块蜂鸣器测距蓝牙显示报警2.6 人工处理过程在蓝牙和手机的连接上需要人工开启安卓设备的蓝牙连接。2.7 尚未解决的问题无法排除外界干扰因素3 系统的结构3.1 逻辑结构电源电路超声波发射电路AT89C51按键复位超声波发射电路蓝牙装置超声波发射电路原理图开始初始化超声波发射控制子程序等待反射回波子程序计算距离距离小于10cm否通过蓝牙将距离传输安卓端APP是报警软件程序流程图3.2 物理结构4 接口设计4.1 用户接口用户通过手机下载并安装我们编写的APP软件，并且用蓝牙使设备与安卓端相连接，在蓝牙连接范围内就可通过手机实时看到测距仪所测得数据4.2 外部接口本系统图外界通过超声波发生接收器来测试超声波发生器前障碍物与设备间的距离。4.3 内部接口内部系统各个元器件通过导线相连接，由AC89C52单片机作为核心处理器件。5 运行设计5.1 运行模块组合当障碍物靠近声波测距仪器时，通过手机上的APP可现实他们之间的距离，当距离小于10cm是，蜂鸣器报警。5.2 运行控制用户只需要自己的安卓设备通过蓝牙连接上声波测距仪器后，通过打开我们编写的APP就可以看到障碍物与声波测距仪之间的距离了。当需要再次测距仪按下复位键即可。5.3 运行时间系统每800MS运行一次。6 软件模块介绍本设计采用的是模块化的思路来进行设计和编写程序，程序主要由系统主程序和中断程序构成。主程序完成单片机的初始化，超声波的发射和接收、计算超声波发射点与障碍物之间的距离、蓝牙传输、手机显示。系统程序设计的主要的功能是发射超声波、接收超声波、计算测量距离、数据计算、蓝牙传输。6.1 模块描述主程序对整个单片机系统进行初始化后，先将超声波的回波接收标志位置位，并且使单片机端口输出一个低电平用来启动超声波发射电路，同时将定时器T0启动，然后调用距离计算的子程序，再根据定时器T0记录的时间计算出所需要测量的距离，然后再调用显示子程序，再将测出的距离送到数码管显示。最后主程序通过对回波信号的接收，完成后续的工作，假如标志位清零则说明接收到了回波信号，那么主程序就返回到初始端重新将回波接收标志位置位并且在单片机端口上发送低电平到超声波发射电路，就这样，连续不断地运行，循环不断地工作用来实现测距。在进行超声波测距时，实际上测距就是记录从超声波发射电路发射超声波信号开始到接收到信号的声波的往返时间差，然后通过数据计算出距离，对于回波信号需要进行检测的有效信号是反射物体反射的回波信号，所以要尽量避免在检测时候检测到余波信号。余波就是在发射超声波时超声波信号直接到达接受探头的波信号，同时余波信号也是超声波测量时存在测量盲区的最主要的原因。6.2 功能超声波测距仪通过发射具有特征频率的超声波对被摄目标的探测，通过发射出特征频率的超声波和反射回接收到特征频率的超声波所用的时间，换算出距离，并将测得的距离数据通过蓝牙模块传输到手机，并进行显示。6.3 性能1、超声波测距仪的硬件结构电路能够正常工作，采用单片机最小系统进行设计，设计合理，实时性良好。2、设计的电路进行分析能够产生超声波，实现了超声波的发送与接收，从而实现利用超声波方法测量物体间的距离。3、加装了红外热释电传感器，可以准确检测到人，并及时报警，可用于汽车倒车装置。4、通过蓝牙模块进行数据传输，利用手机接收数据并以数字的形式显示测量距离。6.4 输入项传感器在稳态信号作用下，其输出输入关系称为静态特性。衡量传感器静态特性的重要指标是线性度、灵敏度、迟滞和重复性。传感器的动态特性是指传感器对激励（输入）的响应（输出）特性。一个动态特性好的传感器，其输出随时间变化的规律，将能同时再现输入随时间变化的规律（变化曲线），即具有相同的时间函数。但实际上除了具有理想的比例特性的环节外，输出信号将不会与输入信号具有完全相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。6.5 输出项根据公式S=(time*1.87)/100(cm)，输入与输出呈线性关系，time取决于超声波发射和接收所用的时间，时间的长短从而体现出距离的远近。传感器的线性度：通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。6.6 设计方法（算法）超声波接收电路在接收到超声波回波后，通过HR-SR04超声波集成模块电路进行检波整形比较，并向单片机发出有效信号，单片机通过外部中断的改变记录回波信号的到达时间，中断发生之后就是表示已经接收到了回波信号，这个时候停止计时，并且读取计数器中的数值，这个数值就是需要进行测量的时间差的数据。程序中对测距距离的计算方法是按S=(time*1.87)/100(cm)进行计算的，其中，time为计数器的值，声速的值取为340m/s。6.7 流程逻辑开始单片机初始化超声波模块复位发射超声波启动T0开中断收到回波，中断停止计算测量距离蓝牙传输，显示数据延时6.8 接口负责计算超声波发射点与障碍物之间的距离是INT0的中断程序。根据前面的对超声接收电路的分析，在超声波集成模块接收到超声波回波信号后，超声波接收电路就会产生一个低电平送至单片机的P0.1引脚，使系统中断，则系统转入中断处理程序。进入中断处理后，定时器T0和外部中断0就立即被关闭，同时读取时间值，并给回波接收标志位清零即成功接收到回波信号。另外，P2.1红外热释电传感器，P2.0接蜂鸣器，P3.0接蓝牙传输模块。6.9 存储分配1、静态分配：编译器在处理程序源代码时分配。从静态存储区域分配。内存在程序编译的时候就已经分配好，这块内存在程序的整个 运行期间都存在。程序中定义了全局变量，static变量。2、在栈上创建：在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执 行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高， 但是分配的内存容量有限。6.10 注释设计1、通信波特率：9600MBps2、sbit RX = P10;sbit TX = P11;sbit beer=P21;sbit hongwai=P20;引脚定义：TRIG-1.1、ECHO-1.0、蜂鸣器-2.0、红外传感器-2.13、void zd0() interrupt 1/T0中断用来计数器溢出,超过测距范围flag=1;/中断溢出标志4、StartModule();while(!RX);/当RX为零时等待TR0=1;/开启计数while(RX);/当RX为1计数并等待TR0=0;/关闭计数Conut();/计算delayms(50);/50MS6.11 限制条件整个系统的设计的关键是对距离进行测量的，然后通过单片机来处理测量数据是比较容易实现的，能精确的实现测距。在测距中，各种信号包括温度对声速的影响都将干扰到测距的准确性，其中超声波的余波信号对整个设计中测距的精确度的干扰的影响比较大。超声波接收回路中的超声波信号一共有两种波信号：第一种波信号为余波信号就是当发射探头发射出信号之后，超声波接收探头马上就接收到的超声波信号，实际就是超声波的发射信号；另一种波信号就是有效信号，即经过障碍物表面反射回来的超声波回波信号，也是所需要测量的距离数值。6.12 测试计划给装置外接5V电压，待红外热释电传感器正常启动，通过手机蓝牙与装置的蓝牙模块正常连接，人站在装置的超声波测距仪面前，通过控制人与装置的距离来测得数据。输入数据：50cm、30cm、20cm、10cm、5cm手机显示预期结果：50cm、30cm、20cm、10cm、5cm（报警）分工：1、黄凯负责站在不同位置使超声波其进行测量；2、张天荃、曾雪松负责记录数据；3、叶果丰负责装置硬件调试；4、赵鹏负责蓝牙模块传输；5、王心莹负责红外人体热释电传感器模块、超声波传感器模块调试。6.13 尚未解决的问题1、 不同障碍物表面材料的不同介质引起的误差：因为表面粗糙的障碍物介质要比光滑介质的测量结果要差，如果障碍物的发射面比较粗糙会引起发射信号散射开那么回波信号就会减弱，这样会导致测量结果的误差增大。2、 余波信号的影响：在测量时有一部分的声波是从发射探头直接转收到接收探头的，这部分声波即是余波信号，这种余波对测量的干扰是挺大的。但是这种干扰能够通过别的方法进行处理，比如软件算法的方法去消除直达波的干扰。当芯片收到信号波时自动判定收到的超声波信号是发射的声波衍射而返回来的信号时就会自动忽略掉，继续去等待检测在这个工作周期内是否有有效反射波反射回来，如果有就进行处理，没有就进行新的一次测量。3、 超声波模块的感应角的影响：两个超声波探头即发射探头和接收探头和障碍物之间存在一个几何角度，反射波入射到探头存在一定的角度，当这个角度过大时，这就会造成测量较大的误差，或者说根本接收不到回波信号。特别是在障碍物的距离较小的时候这个误差就成为了距离测量的主要误差的原因，但是这种误差是可以尽量减小的，利用发射能力强、散射小的探头，或者多用几个探头。7 硬件设计说明7.1 模块1（标识符）超声波测距时需要测的是从发射开始到接收到回波信号的这段时间里的声波往返的时间差，由于需要对接收到的回波信号进行检测，而检测的有效信号为反射的回波信号，所以应该要尽量避免检测到余波信号而超声波检测中最小测量盲区存在的主要原因也是因为余波干扰的缘故。因为超声波测距所能测的距离的大小与传感器的驱动功率、测量方法有很大关系，而从理论上来讲，本设计系统采用的超声波模块测距时存在的盲区大约为1cm左右，而且本设计理论上的测量距离范围为1cm5m，测量的误差比较小，测量显示值稳定，能满足设计要求。7.2 模块2（标识符）目前市场上主流的蓝牙为2.0的蓝牙模块，同时市场上基于安卓系统的蓝牙手机也均采用蓝牙2.0作为蓝牙通信设备，目前只有苹果操作系统的手机和个别的高端手机上面采用蓝牙4.0的蓝牙接口，考虑到通用性和兼容性，系统采用标准的蓝牙2.0模块作为系统蓝牙的设计方案。采用HC-05蓝牙模块，HC-05蓝牙模块是一款高性能的蓝牙主从一体串口通信模块，它可以和多种带蓝牙功能的电脑、手机、PAD等智能终端进行配对，该模块支持非常宽的波特率范围：4800-1382400，并且可兼容5V和3.3V单片机系统，使用方便连接灵活具有较高的性价比，同时HC-05为工业级产品，性能稳定、可靠性较高。8 系统出错处理设计8.1 出错信息和补救措施一、电路板实物做完以后，接下来的工作就是调试。这是理论指导实践最重要的一步。调试工作需要很好的耐心。所以在调试过程中必须保持冷静的头脑，较强的电路分析能力。一个系统的调试需要软硬件结合调试。在软硬件结合调试的过程中应注意以下问题：1、首先先不要插芯片，要先测量一下各点的电压，尤其是单片机工作电压，蓝牙模块电路工作电压，在保证模块工作电压正常的前提下再安插主要先芯片，不然会烧坏芯片或者模块造成不可挽回的损失；2、在手工焊接调试时还出现了P0口忘记接上拉电阻造成系统显示器工作不正常。3、系统工作之前首先要对蓝牙模块进行测试，保证蓝牙模块能够实现正常的指令收发功能。二、元件在安装时，注意事项如下：1、为避免因元器件发热而减弱铜箔对基板的附着力，并防止元器件的裸露铜盘与导线短路，安装时元器件之间间距要保持12mm。2、装配时，应该先安装那些需要机械固定元器件，在此装置中如稳压管、中心芯片插座。3、各种元器件的安装,应该使它们的标记(用色码或字符标注的数值,精度等)朝上面或易于是辨认的方向，并注意标记的读书方向一致 (从左到右或从上到下)。三、元件在焊接时，应注意以下几个方面：在元器件焊接之前应该先用纱布将元器件的引脚打磨一遍，这样可以将元件引脚氧化的部分去除掉，以便于焊接；在焊接过程中还要注意焊锡的量要得当，过多可能造成电路短路，过少有可能造成虚焊；元器件焊完后，给发热量大的元器件装上散热片，这用有利于散热增加系统的稳定；最后可以在板子的四个角上安装四个铜柱，一方面可以增加整个结构的美观，另一方面也可以使避免电路板放在导电体上发生短路的危险。通过以上步骤，一个完整的电路硬件部分就制作完成了，这时可以再检查一下是否有元器件漏焊、焊错的情况，以确保电路的正确。8.2 系统维护设计由于本设计使用的是安卓手机，首先安装蓝牙传输软件。手机与蓝牙芯片连接上的使用条件是：1、支持硬件版本的蓝牙为2.0的。2、安卓的手机则需要将系统升级至4.3以上。3、给HC-05模块供电的时候，串口TX、RX和GND需要与电脑的COM1口相连接（需转换）。手机部分的详细操作：1、 打开蓝牙后，搜索设备名称，点击连接。2、当单片机芯片下载好程序后，上电等待。打开手机蓝牙及软件，输入密码1234，连接成功9材料明细表及整件明细表141序号幅面代 号名 称装 入总数量 备 注更改代 号数量1STC89C52单片机U111210uF电解电容C311310K色环电阻R31141K色环电阻R111527pF瓷片电容C1、C222611.0592Mhz晶振Y1117DIP40单片机插座1187cm*9cm万孔板1192.5mm排针6610自复位按键1111DC5V的电源座1112DC5V的USB电源线1113LED电源指示灯11a14焊接跳线11154.7K排阻9916蓝牙串口模块11175V蜂鸣器1118超声波传感器模块1119红外人体热释电传感器模块1120PNP驱动三极管11与蜂鸣器相连接21导线 媒体总号 旧底图总号a1P2002-002标记数量更改单号签名日期 底图总号拟制张天荃、曾雪松超声波测距仪元器件明细表CBB2.782.101YMX审核叶果丰日期签名等级标记第 1张共 1张标准化B11批准格式(5) 描图幅面:4序号幅面代 号名 称装 入总数量 备 注更改代 号数量1文 件2ZYB/川0068-2002产品标准3CBB2.182.103电原理图42CBB2.782.101装配图54CBB2.782.101TS调试说明书64CBB2.782.101ZX装箱明细表74CBB2.782.101YMX元器件明细表89101112整 件13塑料机箱（机壳上盖、座）1144CBB5.949.1027cm*9cm万孔板（主板）11154蓝牙串口模块11164超声波传感器模块11174红外人体热释电传感器模块11 媒体总号1819 旧底图总号标记数量更改单号签名日期 底图总号拟制张天荃、曾雪松 超声波测距仪 整件明细表CBB2.782.101MX审核叶果丰日期签名等级标记第1 张共1 张标准化批准格式(5) 描图幅面:410组装测试计划10.1系统说明主程序对整个单片机系统进行初始化后，先将超声波的回波接收标志位置位并且使单片机P0.2端口输出一个低电平用来启动超声波发射电路，同时将定时器T0启动，然后调用距离计算的子程序，再根据定时器T0记录的时间计算出所需要测量的距离，然后再调用显示子程序，再将测出的距离送到数码管显示。最后主程序通过对回波信号的接收，完成后续的工作，假如标志位清零则说明接收到了回波信号，那么主程序就返回到初始端重新将回波接收标志位置位并且在单片机的P0.1端口上发送低电平到超声波发射电路，就这样，连续不断地运行，循环不断地工作用来实现测距。10.2测试内容测距仪能测的范围为0.032.15m，测距仪最大误差不超过1cm。系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。由于条件有限，我们忽略温度的影响，不进行温度补偿，声速选取340m/s。在进行超声波测距时，实际上测距就是记录从超声波发射电路发射超声波信号开始到接收到信号的声波的往返时间差，然后通过数据计算出距离，对于回波信号需要进行检测的有效信号是反射物体反射的回波信号，所以要尽量避免在检测时候检测到余波信号。余波就是在发射超声波时超声波信号直接到达接受探头的波信号，同时余波信号也是超声波测量时存在测量盲区的最主要的原因。10.3测试规划10.3.1进度安排发射器发出的超声波以速度在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由接收器接收，其往返时间为t，由s=vt/2即可算出被测物体的距离。由于超声波也是一种声波，其声速v与温度有关，下表列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。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。表1-1超声波波速与温度的关系表温度（）-30-20-100102030100声速（ms）31331932532333834434938610.3.2测试资料系统设计原理图、蓝牙传输模块基础教程、超声波感应设计手册、红外人体热释电传感器设计手册、Java程序设计大全10.4测试设计说明10.4.1控制给装置外接5V电压，待红外热释电传感器正常启动，通过手机蓝牙与装置的蓝牙模块正常连接，人站在装置的超声波测距仪面前，通过控制人与装置的距离来测得数据。10.4.2输入分别控制人与装置的距离来测出数据，装置测量两米之内有效，且10cm之内报警，因此我们令人分别距装置50cm，30cm，20cm，10cm，5cm测出了三组不同数据。10.4.3输出由于外界因素的影响导致了误差的存在，所以三组数据在测试之前我们预测输出的数据分别为95cm，30cm，5cm，其中5cm时装