【《单片机控制的多传感器障碍物检测系统的硬件设计和调试分析案例》4000字】

单片机控制的多传感器障碍物检测系统的硬件设计和调试分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u6193单片机控制的多传感器障碍物检测系统的硬件设计和调试分析案例 1253491.硬件设计 1298881.1总电路图 132861.2.1单片机最小应用系统 2125271.2.2电源电路 3171581.2.3时钟电路 318681.2.4复位电路 3106961.2.5蜂鸣器报警电路 460411.2.6LCD1602液晶显示电路 594221.2.7按键电路 5138001.3障碍物检测电路 5251791.4语音播报电路 7245542.校准调试分析 7143272.1PCB图绘制 7290122.2材料焊接组装 896322.2实物的测试 10145322.2.1按键系统的测试 10152802.2.2障碍物测试 11226782.3测障数据计算 121.硬件设计1.1总电路图本系统的总体硬件电路设计如图3-1。该图展示了本系统各个部分，包括电源电路，单片机主控电路，复位电路，晶振电路，LCD1602液晶显示电路，障碍物检测电路电路，语音播报电路。图3-1总电路图1.2.1单片机最小应用系统单片机最小系统,也可以称作是主控电路,是指用最少的元件组成的可以工作的单片机系统.

对51系列单片机来说,最小系统包括一下四个部分:单片机、电源、晶振电路、复位电路。再搭配相应的程序就能够独立工作，从而达到既定的功能效果。单片机最小应用系统如图3-2所示。图3-2单片机主控电路1.2.2电源电路单片机的供能部分，为整个系统提供能源，单片机的40引脚接电源+5V，20引脚接地。该电源电路使用了自锁开关。自锁开关，是一种电源\t"/item/%E8%87%AA%E9%94%81%E5%BC%80%E5%85%B3/_blank"按钮。在开关按钮按下一次，开关接通通电，当开关按钮按第二次按动上弹时，开关断开，停止通电。图3-4电源电路1.2.3时钟电路时钟电路作为单片机的重要部分，其提供了一个稳定的时钟脉冲信号实现单片机各个功能，为单片机执行各种动作和指令提供了基准脉冲信号。图3-5中两个瓷片电容c2，c3和晶振Y1与单片机内部电路组成了单片机的时钟电路。在实际运行中，振荡器和电容放置尽量靠近单片机芯片，这样可以降低寄生电容，保证振荡器的稳定可靠运行。图3-5时钟电路1.2.4复位电路复位操作就是把单片机内各个寄存器的值变为初始化状态的。图4-5中的开关S1即复位按钮，按下此按钮，单片机将清空所有值，重新从程序的第一条指令运行，这样避免了单片机的宕机造成的混乱。当程序运行出错，操作失误，或者出现“当机”等情况时，会给单片机一个复位信号，使程序从头开始执行。复位电路由一个电阻，一个电容以及一个开关按钮组成。单片机的复位实现：当RST（pin9）出现高电平并保持两个以上的机械周期时，单片机执行复位。图3-6复位电路1.2.5蜂鸣器报警电路该电路采用三极管，蜂鸣器和2K电阻构成，连接到单片机的5号引脚构成危险报警电路。如图3-7所示。图3-7报警电路当任意一个方向的测距小于预定距离时，单片机发出指令使蜂鸣器发出危险警报。当蜂鸣器通电报警时，对应方向的二极管发光，作为一种视觉上的提示，如图3-8所示。3-8发光二极管电路1.2.6LCD1602液晶显示电路显示模块采用LCD1602液晶显示接口电路如图3-9所示图3-9显示电路该液晶显示能实时显示测得的四个方位的距离数值，分别是前后左右的四个方向与被测障碍物的距离。同时显示屏还能用来显示调整危险报警距离，在调整距离的时候能清楚的看到屏幕上预设报警距离的增减。1.2.7按键电路按键电路用于更改预先设定的危险警报距离如图3-10所示，三个按键S2,S3,S4分别是减键，加键，设置键。若需要更改报警距离，按下设置键S4后再按加减键可以调整危险距离，设置完成后再次按下设置键S4可调整下一个方向的预警距离，当四个方向都设置完毕，再次按下S4可是显示屏恢复到显示测距页面。图3-10按键电路1.3障碍物检测电路本设计中障碍物检测电路采用激光测距模块TOF10120。TOF10120激光测距模块使用的是双向二线制同步串行总线，其串行时钟线SCL，另一根线串行数据线SDA，如图3-11所示。图3-11TOF10120引脚图当SCL是高电平时SDA线由低电平向高电平切换表示停止，在SCL线是高电平时，SDA线从高电平向低电平切换表示起始条件。图3-12TOF10120工作时序图进行数据传输时，SDA线上的数据必须在时钟的高电平周期保持稳定。数据线的高或低电平状态只有在SCL线的时钟信号是低电平时才能改变。图3-13输出应答图通过激光测距模块来检测出既定方向预定距离内是否有障碍物，并且可以测得与被测物之间的直线距离。障碍物检测电路如图3-14所示。图3-14障碍物检测电路串行口扩充的主要方法软件模拟法：软件模拟法可以根据串行通信的传送方式，使用主机的I/O口和定时器来模拟串行通信的时序，达到串口拓展的要求，在接受的过程中需要检测起始位，可以通过查询的方式。接受和发射的过程中对定时器的处理可以确保数据的正确性好，在接收过程中可以在检测一步传输的起始信号。1.4语音播报电路图3-15语音播报电路图语音播报模块使用的是WT588D语音芯片，该芯片也是由单片机作为核心，是一款集单片机和语音电路为一体的可编辑语音芯片。本设计的语音播报是3秒一次，在测得四个方位的距离后，屏幕显示测得数值固定，扬声器开始依次播报距离，若只需要部分距离数据，不需要后面的，可以手动控制复位按键使程序复位。三线串口控制模式由片选CS，时钟SCK和数据DATA组成，时序按照SPI通信方式。选择三线串口控制，语音模块的P01定义为DATA数据口，P02作为CS片选口，P03作为时钟口，51单片机通过这三个控制口对WT588D模块进行控制，P15BUSY是忙信号输出端。2.校准调试分析2.1PCB图绘制首先打开文件-新建-project-PCBproject工程。然后画原理图，新建schDOC文件。按需求画原理图分配好元件的封装然后保存到当前工程，确保在当前工程下。再次右击当前工程选择AddNewProjet创建一个新的PCB文件并保存,切换到原理图，点击“Design”菜单项，在弹出的列表中选择“UpdatePCBDocumentPCB.PcbDoc”，准备生成网络表。如图4-9所示。图4-9生成网络表若封装无误，点击“执行更改”然后关闭此页面，切换到PCB文件，在KeepOutLayer层绘制好板框，将元件布局好，然后点击自动布线得到图4-10。图4-10绘制完成的pcb板完成原理图和PCB板绘制，实现硬件部分的设计。2.2材料焊接组装本设计的硬件部分材料通过查询资料定好型号，在网上购买万用板和各个电子元件以及传感器。在组装的时候有两个注意点：1.检查元件的好坏根据电路图购买元器件后，首先检查所购元器件的质量，并按每种元器件检测方法进行测试，仔细测试几次，另外要仔细检查原理图是否一致。只有经过检查，零件才能上板开始焊接，否则容易出现错误，导致一整块的电路板报废。2.放置、焊接各元件按原理图的位置放置各元件，放好元件后把其焊牢，待正面的元件布置好，焊脚完成准备焊接背面的布线。特别是容易损坏的元件要使用易便更换的焊接方式，像温度传感器我使用了母排插座，方便更换，在焊接单片机插排时要十分注意每个引脚的位置不能搞混淆，芯片的正负要记住如何安放，别放反了导致单片机的烧毁。初步焊接完成电路板背面如图4-3所示图4-3实物背面图正面底座，及单片机，二极管等元器件布局如图4-4所示图4-4正面图焊接完成把单片机芯片，测距传感器，LCD1602液晶显示屏，语音芯片和扬声器接入对应的底座。组装完成的硬件系统如图4-5所示。图4-5最终实物图硬件组装完成后尝试完成程序的烧录，准备了普中的开发板，把单片机的芯片插入开发板，打开烧录软件keil5，连接开发板尝试烧录程序，烧录完成后把单片机芯片再安装到实物系统中，尝试是否能正常运行。2.2实物的测试硬件和软件组合在一起后开始尝试测试和调整，本系统由5v直流电源供电，可使用充电宝或者电池盒充当移动电源。2.2.1按键系统的测试本系统的硬件设计目的是通过各个方位传感器检测障碍物和障碍物之间的距离，并且当障碍物和检测系统的距离小于设定的危险距离就会发出警报。由此先展开检测障碍物的测试，当系统接上电源，按下自锁开关后LCD1602液晶显示屏显示数据，屏幕上的数据有四个方位的实时距离，如图4-6所示，第一排的G表示前方与障碍物的距离，B表示后面与障碍物的距离，第二排的L表示左边和障碍物的距离，R表示右边与障碍物的距离。图4-6实物演示图根据硬件设计危险距离可以自行设置，控制按键有3个分别是S2（减键），S3（加键），S4（设置键），是下图4-7中从左到右依次排列，实际操作：按下S4（设置键）开始设置前方报警距离，按S2可以减小距离，按S3可以增加距离，再按S4开始设置后方报警距离，依次设置四个方位的报警距离，设置完成后再次按S4完成设置，回到初始四个方位距离显示界面。图4-7按键位置图2.2.2障碍物测试在设置好四个方位的报警距离后开始实际测试，在多传感器障碍物检测系统的四周放置障碍物，并且四个方向预定报警距离200mm，实际情况如图4-8所示。图4-8四方向障碍物检测图由于四周的障碍物和检测系统的距离都小于危险距离，屏幕上显示实时距离，蜂鸣器发出警报，对应的发光二极管通电发光，便于人们感知对应方位的距离已经小于预设的危险距离。移动左侧的障碍物远离被测系统，左侧的二极管熄灭，对应的检测距离增大，超出了预定报警的距离，但其他三个方位依旧有障碍物，蜂鸣器依旧发出警报。如图4-9所示。图4-9左侧障碍物远离系统图当四个方向的障碍物都远离测量系统，实机演示图4-10，可以从图中得知，四个方位的障碍物都能检测到，由于其各个距离都大于设定的危险报警距离，所以四个方位的发光二极管都没有亮，此时障碍物检测系统是安全的，不会因为太过接近障碍物发生碰撞导致一系列的损坏。图4-10四方向障碍物都远离测量系统图2.3测障数据计算第一次数据测量，环境室内白天。测得数据如表4-1.表4-1白天室内方向前后左右实际距离（mm）103257507739实测距离（mm）100250500750误差率%3%2.8%1.4%1.4%第二次测得数据，环境室内夜晚。测得数据如表4-2.表4-2夜晚室内方向前后左右实际距离（mm）108261512731实测距离（mm）100250500750误差率%8%2.4%2.4%2.5%测试在同一个室内，测试障碍物用的同样纸板，经过两组数据对比可以得到白天室内测量的精确度更加准确，夜晚的稍微差了一些。所以得出结论白天室内的激光测距精度更高。为了对比测试，又测试了两组室外的数据，分别是白天