单片机应用技术-基于51单片机的智能小车设计与开发 课件 项目15：智能小车超声测距

单片机应用技术APPLICATIONTECHNIQUESFORMICROCONTROLLER《微控制器应用技术》课程团队模块五：模拟输入输出技术应用项目15：智能小车超声测距项目15：智能小车超声测距聚焦“连续信号处理”，通过模拟量采集、量化编码及输出调控让小车从“感知有无”升级为“精准测量”，实现从只能判断“前方有障碍”，到能精确知道“障碍在何处处”，这是智能设备从基础控制到精准测控的关键一跃模拟量采集的典型应用智能小车超声测距，通过超声波传感器采集模拟电压信号，经单片机ADC转换为数字量，最终实现厘米级精度的距离测量。项目15：智能小车超声测距（a）激光测距传感器

（b）毫米波雷达传感器

（c）超声波测距传感器

（d）光电测距传感器

（e）触碰式测距传感器激光测距传感器通过激光束照射目标物体并测量反射回来的光的时间来计算距离，通常用于长距离的检测，具有精度高和稳定性好的优点。毫米波雷达传感器利用毫米波进行测量，适用于长距离、高速目标的测量，并且在恶劣环境下有良好的性能。超声波测距传感器利用超声波在空气中的传播速度进行测量，适用于中距离测距，并且可以穿透一定程度的障碍物。光电测距传感器通过发送红外、红光或激光束，测量光束被目标物体反射回来的时间来计算距离，适用于近距离的测量。触碰式测距传感器通过物体接触传感器的触碰开关来实现距离测量，适用于近距离或有限空间的测量。这些传感器各具特点，有的适用于近距离测量，有的适用于长距离高速目标的测量。它们在工业、自动化、机器人、安防等各个领域应用广泛，可以实现精确的距离测量和控制。在智能小车项目中，由于障碍物距离通常在1米~5米之间，不是太近也没有太远，属于中距离测量，障碍物通常不会高速移动，所以在测距传感器选型时常选用超声波测距传感器。项目15：智能小车超声测距超声测距原理项目15：智能小车超声测距模拟量采集原理模数转换器（Analog-DigitalConverter）：实现模拟量到数字量转换的器件。很多非电量如温度、压力、流量、速度等，先经传感器变换成连续变化的模拟信号（电压或电流），然后将模拟电信号转换成数字量，最后在单片机中进行处理。这就是常说的数据采集系统电路。项目15：智能小车超声测距模拟量采集原理转换过程量化误差是指采样值x(nTs)在经过量化变为只有有限个有效数字的数的过程中所产生的误差。采样——利用采样脉冲序列，从信号中抽取一系列离散值，使之成为采样信号x(nTs)的过程；量化——把采样信号经过舍入变为只有有限个有效数字的数，这一过程称为量化；编码——将经过量化的值变为二进制数字的过程。对于任一ADC输入模拟电压与转换输出结果数字量关系如下项目15：智能小车超声测距模拟量采集原理输入模拟量与输出数字量之间的关系

项目15：智能小车超声测距ADC主要技术指标123转换时间或转换速率转换时间是指ADC完成一次模数转换所需要的时间；转换速率是转换时间的倒数，单位是次/秒（sps）。分辨率

转换精度实际A/D与理想A/D在量化值上的差值，常用数字量最低有效位LSB的几分之几表示。项目15：智能小车超声测距ADC主要技术指标分类工作原理特点逐次比较型采用“逐位试探逼近”逻辑，内部DAC从最高位到最低位依次生成参考电压，通过比较器与输入模拟电压逐位对比，判断每位“留1”或“置0”，最终组合所有位得到与模拟量逼近的数字量，类似用不同规格砝码逐步称重的过程。精度、转换速度、价格适中，最常用的转换器类型双积分型基于“两次积分转换”机制，先对输入模拟电压进行固定时间的正向积分，再反向接入参考电压进行反向积分，同时启动计数器，当积分输出回到零点时计数器停止，计数结果与输入模拟电压成正比，通过时间量化实现电压到数字量的转换。精度高、抗干扰性好、价格低廉，转换速度慢Σ-Δ型以“高频率过采样+数字滤波”为核心，先以远超信号带宽的频率采样模拟电压，再通过1位或少数几位量化器输出增量信号，最后经数字低通滤波器积分、抽取，滤除高频噪声，用低精度量化器实现高精度数字量输出。精度高、抗干扰能力强、转换速率高于双积分型，但价格和功耗偏高ADC按照接口类型，可以分为并行和串行两种类型；按照工作原理，可以分为逐次比较型、双积分型和Σ-Δ型等。项目15：智能小车超声测距超声测距硬件电路设计STC单片机内置的A/D转换器，性能指标满足项目设计需求，无需外扩参数指标类型逐次比较分辨率10bit采样率250kSps通道数8模拟量输入范围0~VccSTC单片机内置ADC性能指标项目15：智能小车超声测距超声测距硬件电路设计超声波测距模块（US-016）引脚定义序号接口定义说明1Vcc供电电源DC5V2Range量程设置引脚，模块上电时：此引脚为高电平时，量程为3m；此引脚为低电平时，量程为1m。3Out模拟电压输出引脚，模拟电压与测量距离成正比，输出范围为0~Vcc。4Gnd地1m量程时S

=

1024×Vout/Vcc（mm）3m量程时S

=

3072×Vout/Vcc（mm）项目15：智能小车超声测距超声测距软件程序编写1234第一步配置ADC：通过P1ASF寄存器将P1.0设为模拟输入，ADC_CONTR寄存器开启ADC电源、设置转换速度、选择通道0第二步中断转换：分别开启总中断和ADC中断（EA=1、EADC=1）第三步数据处理：ADC转换结果存于ADC_RES（高8位）和ADC_RESL（低2位），拼接后根据公式换算为距离值第四步同步显示：将距离值通过数码管动态扫描显示，确保实时性。项目15：智能小车超声测距超声测距软件程序编写内置A/D的使用对STC单片机内置的A/D转换器操作都是通过读写寄存器进行的。内置A/D转换寄存器如下项目15：智能小车超声测距超声测距软件程序编写P1口模拟功能控制寄存器P1ASF

STC系列单片机的A/D转换通道与P1口复用，需作为A/D输入使用的口需先将P1ASF特殊功能寄存对应的位置“1”。BX=1A/D模拟输入BX=0通用I/O(X=0~7)项目15：智能小车超声测距超声测距软件程序编写ADC控制寄存器ADC控制寄存器(ADC_CONTR)的格式如下：ADC_POWERADC电源控制位“0”—关电源“1”—开电源初次打开内部A/D转换的电源，需适当延时，等内部模拟电源稳定后，再启动A/D转换。项目15：智能小车超声测距超声测距软件程序编写ADC控制寄存器SPEE_1，SPEE_0：模数转换器转换速度控制位项目15：智能小车超声测距超声测距软件程序编写ADC控制寄存器ADC_FLAGADC_START模数转换结束标志位，A/D转换完毕后ADC_FLAG置1。无论是中断或查询，A/D转换结束后该标志位需要软件清零。模数转换启动标志位，ADC_START置1启动转换。A/D转换结束后为0项目15：智能小车超声测距超声测距软件程序编写ADC控制寄存器CHS2,CHS1,CHS0模拟输入通道选择项目15：智能小车超声测距超声测距软件程序编写ADC转换结果寄存器ADC_RES、ADC_RESL特殊功能寄存器ADC_RES和ADC_RESL寄存器用于保存A/D转换结果AUXR1寄存器的ADRJ位是A/D转换结果寄存器(ADC_RES,ADC_RESL)的数据格式调整控制位项目15：智能小车超声测距超声测距软件程序编写A/D转换结果寄存器ADC_RES、ADC_RESL项目15：智能小车超声测距超声测距软件程序编写IE中断允许寄存器EAEADCCPU中断允许标志EA=1，CPU开中断EA=0，CPU屏蔽中断请求A/D的中断允许标志EADC=1，允许A/D中断EADC=0，禁止A/D中断项目15：智能小车超声测距超声测距软件程序编写中断优先级寄存器IP、IPHADCH=0PADC=0A/D转换优先级最低（优先级0）ADCH=0PADC=1A/D转换优先级较低（优先级1）ADCH=1PADC=0A/D转换优先级较高（优先级2）ADCH=1PADC=1A/D转换优先级最高（优先级3）1234项目15：智能小车超声测距超声测距软件程序编写超声测距数据波动处理方法超声波测距数据可能会产生波动，需要对其滤波处理123限幅值滤波法这种方法通过设置两次采样允许的最大偏差值来处理数据。如果采样值与上一次的差值在允许范围内，则采用该值；否则，放弃该值，使用上一次值。中值滤波法这种方法通