外贸站群,推荐常州网站建设公司,飞机选做网站,天津网站优化公司电话摘 要
如今社会持续深化转型#xff0c;在人工智能领域#xff0c;传感器采集外部数据#xff0c;经过处理器对数 据运算和处理#xff0c;从而实现相应的功能。比如自动驾驶技术中#xff0c;超声波传感器应用广泛#xff0c; 超声波是一种频率在 20khz 以上的声波在人工智能领域传感器采集外部数据经过处理器对数 据运算和处理从而实现相应的功能。比如自动驾驶技术中超声波传感器应用广泛 超声波是一种频率在 20khz 以上的声波具有声波传输的物理基本特性反射、折射、干 涉、衍射和散射。 本次选题经过对超声波技术的深入了解旨在设计一个超声波测距仪进行无接触 式空间距离测量通过优化硬件以及升级软件算法使超声波技术在人们的生活中得 到广泛应用。该超声波测距仪器基于 stm32 单片机利用超声波发射接收头实现短距 离的数字信号传输运用温湿度传感器采集所处环境的温度和湿度集中处理数据对 测量数据进行校准保障数据的准确性使得测距仪在严苛的条件下仍然可以稳定运 行。最终在液晶显示屏呈现测量数据能够达到便捷、快速、准确的距离测量。同时 能够在手机客户端操作利用蓝牙传输信息更加便捷测距。但是由于系统硬件的限 制仪器存在一定程度上数据误差。
关键词超声波stm32手机客户端 Design of ultrasonic rangefinder based on single chip computer
Abstract
Todays society continues to deepen the transformation, in the field of artificial intelligence, sensors collect external data, through the processor to calculate and process the data, so as to achieve the corresponding function. For example, in automatic driving technology, ultrasonic sensors are widely used. Ultrasonic wave is a kind of sound wave with a frequency above 20khz, which has the physical basic characteristics of sound wave transmission: reflection, refraction, interference, diffraction and scattering. After in-depth understanding of ultrasonic technology, this topic aims to design an ultrasonic rangefinder for non-contact space distance measurement, through optimizing the hardware, as well as upgrading the software algorithm, so that ultrasonic technology is widely used in peoples life. The ultrasonic ranging instrument is based on stm32 microcontroller, using ultrasonic transmitting and receiving head, to achieve short distance digital signal transmission, the use of temperature and humidity sensors to collect the temperature and humidity of the environment, centralized data processing, calibration of the measured data, ensure the accuracy of the data, so that the rangefinder in harsh conditions, still can run stably. Finally, the measurement data is presented on the LCD screen, which can achieve convenient, fast and accurate distance measurement. At the same time, can operate in the mobile client, using Bluetooth transmission information, more convenient ranging. However, due to the limitation of system hardware, the instrument has a certain degree of data error.
Key WordsUltrasonic WaveStm32Mobile Client 目 录 摘 要 Abstract 1 绪论 1.1 选题背景及意义 1.2 选题的目的 1.3 课题主要内容 2 方案设计 2.1 超声波原理 2.2 整体方案 3 硬件电路设计 3.1 核心模块 3.1.1 STM32 处理器 3.1.2 HC-SR04 超声波传感器 3.2 辅助模块 3.2.1 蜂鸣器 3.2.2 温湿度传感器 3.2.3 显示屏 3.2.4 蓝牙串口通信 3.3 硬件电路 4 软件开发 4.1 微处理器程序设计 4.1.1 超声波测距仪的算法设计 4.1.2 主程序 4.1.3 超声波发射和收集中断子程序 4.1.4 辅助模块子程序 4.2 客户端应用软件设计 4.2.1 功能需求 4.2.2 软件设计 5 系统测试 5.1 功能实现 5.1.1 超声波测距仪实物 5.1.2 客户端应用软件功能 5.2 注意事项 结 论 参 考 文 献 致 谢
1 绪论
1.1 选题背景及意义 传统的测距方法在实际使用中存在局限性当空间环境状况不明晰的情况下传统 测距无法准确计量距离数据。在自然界蝙蝠依靠自身特殊结构发出高频声波能够在黑 夜中判断飞行轨迹进行捕猎觅食不过这种频段的声波人耳无法听到。人们通过自然 界研究出超声波用于无接触式空间测距并不断改进技术超声波技术的应用也越来 越普及。 目前国内外的研究现状主要是对硬件性能优化以及数据算法改良等方面。王楠 等通过设计新型硬件板块提高性能。熊春山等使用波头技术与零交叉点检测的方式[1] 胡跃辉等对测距数值采取加权算术平均处理的方法都是进一步改善超声波测距的精 度。随着研究的深入超声波技术在机械制造、石油化工、航海交通等领域此外在医 学、生物科学等领域中也占据重要地位。 超声波测距仪能够在空间环境复杂比如当前区域可见度低或者具有腐蚀性化学物 质在地面上那么超声波测距能够完全达到测量标准并且保证人员相对安全因为超 声波探头发射和接收都在整体模块上它是一种非接触式测量距离的技术这些优势是 传统测距所达不到的也使得该项技术广泛应用。 1.2 选题的目的 超声波测距仪相较于传统测距具有便捷、无接触式等测量优势。本测距仪基于 stm32 单片机通过超声波发射接收头实现对短路径精准测量。 1本设计使用 stm32 系列单片机为主控板其它传感器为辅助模块制作实物 2将超声波测距仪输出的的数据进行短距离传输并在显示终端进行结果显示 3利用温湿传感器收集环境温湿度数据对距离数值进行校准降低误差值 4使用 APP Inventor 工具设计手机客户端应用软件,采用蓝牙通信传输数据 5通过在客户端应用软件设置参数使蜂鸣器对安全距离做出相应的提醒。 1.3 课题主要内容 本文主要包括方案设计、硬件电路组装优化、软件开发、系统测试及总结。通过分 析研究和方案规划设计出满足实际应用需求的超声波测距仪实物。 1了解技术本质原理收集资料 2根据需求分析模块功能结构 3确定仪器硬件整体方案选购各项模块并组装仪器 4分析功能需求设计程序框架编写主控板和手机客户端程序 5对系统进行测试以及展现手机客户端调用主控板并进行距离测量。 2 方案设计
2.1 超声波原理 超声波属于特殊的声波[2] 声波属于机械波的范畴。机械波是由物体振动引起的 必须依靠介质传输具有基本的物理特性。超声波具有机械波的特性并广泛应用于清 洗、消毒、碎石等广泛应用于行业。超声波发射模块内部构造如图 2.1 所示。 图 2.1 超声波发射模块内部构造
超声波模块的设计原理是电磁感应。通过磁场作用拨片并产生震动发射出去。 同时反射回来之后再把振动频率转化为电信号。 2.2 整体方案 超声波测距仪选用 STM32 系列单片机为主控板以及其他模块为辅助模块。通过分 析各项模块的电路接入需求设计组装连接图以面包板为基础电路板使用镊子、美 工刀、电路表等工具将各个模块连接起来局部到整体逐步将个模块之间连接起来 构建仪器模型。并采用电流表和电压检测接处判断电流和电压稳定情况判断是否有 虚接问题同时要保障相关电路连接准确。 实际组合过程中由于 LCD10602 屏幕分辨率较低引脚过多不适用实际设计。 所以进行综合分析选择 0.96 寸液晶显示屏其性能好引脚仅有四个利用 IIC 协议通信极大提高引脚端口利用率。 在完成硬件后使用 KEIL 工程软件进行程序模块化编程能够有效对单项区域 程序功能进行测试而主程序主要负责调用和整合子程序使得整体架构稳定合理。在 算法设计上采用准确数学公式理论利用硬件设备提供的算力能够使得计算数据快 速精准为实际应用保障测量数据的准确性。对于手机客户端登录谷歌插件 Inventor 官网设计界面排版和逻辑设计。整体系统架构如图 2.2 所示。 图 2.2 整体系统架构
对系统进行调试优化稳定性实现超声波测距仪无接触式空间测距同时提供手 机客户端对仪器进行短距离无线操作。手机客户端通讯简图如图 2.3 所示。 图 2.3 手机客户端通讯简图 3 硬件电路设计
3.1 核心模块
3.1.1 STM32 处理器 STM32 系列单片机具有高性能、低成本的特性基于 Cortex-M3 架构[3] 内置高速 的处理器以及运算内存 能够轻松运行复杂的程序 。本仪器采用芯片型号为 STM32F103RCT6 的系统板作为仪器主控板对传感器采集的数据进行处理和运算并控 制各项模块实现相应功能。同时本设计核心功能程序复杂度中等STM32 系列单片机可 以提供充足的算力支持保障程序稳定的运行。STM32F103RCT6 系统板如图 3.1 所示。 图 3.1 STM32F103RCT6 系统板 图 3.2 STM32F103RCT6 系统板原理图 STM32F103RCT6 系统板原理图如图 3.2 所示。系统板整体电路由单片机、复位电 路、晶振电路构成[4] 外围电路接口包括 SWD 烧录接口和 USB 电源接口。 3.1.2 HC-SR04 超声波传感器 超声波传感器具有特殊结构能够发射出高频的声波经过时间间隔接收反射回 来的声波并通过处理器计算得到当前位置距离目标物的精确数据。 本仪器选用 HC-SR04 型号的超生波传感器其测量最大范围是 4m误差是±1cm 价格便宜能够满足设计基本功能要求 。模块在接入仪器的过程中断电操作带电情 况下会损坏内部电子元器件影响其工作寿命并且需要选择被测物体反射面平整否 则会影响测量数据准确性。超声波时序图如图 3.3 所示。 图 3.3 超声波时序图
主控板向模块 Trig 引脚端口发送大于 10us 的高电平脉冲触发模块发射和接收声 波并通过 Echo 引脚端口反馈与距离等比的脉冲信号进而主控板处理脉宽时间得出 时间间隔计算距离数据。超声波传感器与主控板引脚端口连接Trig 与 B5Echo 与 B6。HC-SR04 超生波传感器如图 3.4 所示。 图 3.4 HC-SR04 超生波传感器 3.2 辅助模块
3.2.1 蜂鸣器 蜂鸣器通过电压振动拨片发出鸣响,对安全距离进行报警。本仪器设计选用型号 是有源高电平蜂鸣器主控板对连接的 I/O 端口拉高电平即可发出鸣响。模块发生孔 不能存在异物同时保证在正常温度下工作超过 40℃或低于 0℃都会影响工作情况。 蜂鸣器与主控板引脚端口连接I/O 与 A11。有源蜂鸣器如图 3.5 所示。 图 3.5 有源蜂鸣器 3.2.2 温湿度传感器 温湿度传感器采用内置特殊材料因温度变化而变化进而转化为数字信号。本 仪器设计选用 DHT11 型号温湿度传感器价格便宜。湿度测量范围:25%--90%(0-50℃) 温度测量范围:-15℃--55℃ , 需要注意使用环境[5]。模块应避免长时间下在太阳光照射 会降低性能使用高质量屏蔽线提高数据传输稳定性。 主控板对连接的 DATA 引脚端口发生送信号模块进入高速模式开始工作。模块 与主控板之间采用单总线数据格式数据格式分为两部分。温湿度传感器与主控板引脚 端口连接DATA 与 A15。DHT11 温湿度传感器如图 3.6 所示。 图 3.6 DHT11 温湿度传感器 3.2.3 显示屏 主控板将计算出的距离数据利用屏幕显示出来方便用户观察使用。本仪器设计 选用型号 0.96 寸显示液晶屏其性能比较高但是价格稍贵一些。模块需要在常温环 境下工作同时避免碰撞造成内部背光灯管微型器件损坏影响成像效果。 模块与主控板之间采用 IIC 通信协议进行数据传输[6] IIC 总线完成交互通讯仅需 两条线一条 SCL 时钟线另外一条双向数据线 SDA。液晶显示屏与主控板引脚端口连 接SCL 与 B12SDA 与 B13。0.96 寸显示液晶屏如图 3.7 所示。 图 3.7 0.96 寸显示液晶屏 3.2.4 蓝牙串口通信 蓝牙技术能够建立临时性的短距离连接可以双向传输数据而且功耗较低便于在 移动设备上运行。从性价比方面考虑采用 JDY-31 类型蓝牙模块。在接入仪器时注 意电源所提供电压要适配模块工作电压否则会对内部元器件造成影响。 模块与主控板之间采用 UART 串口通讯方式开发方便。同时与手机客户端采用 蓝牙通讯协议进行短距离双向数据传输。TXD数据发送端与主控板 A10 相接。RXD 数据接收端与主控板 A9 相接。JDY-31 蓝牙 3.0 模块如图 3.8 所示。 图 3.8 JDY-31 蓝牙 3.0 模块 3.3 硬件电路 本硬件设计采用常规电路实物采用标准化、模块化制作并符合硬件基础构造。 另外充分满足程序功能要求同时要将硬件设计和软件设计共同规划做到最佳匹配。 同时需要确定整体功耗数据优化电路设计能够在适合的驱动下稳定运行。主控板 与各模块的电路连接如表 3.1 表述。
表 3.1 引脚端口对应表
模块名称模块引脚端口STM32 引脚端口 蓝牙串口通讯器RXD TXD GND VCCA9 A10 GND 5v 超声波探头Trig Echo GND VCCB5 B6 GND 5v
液晶显示屏SCL SDA GND VCCB12 B13 GND 3.3v
蜂鸣器I/O GND VCCA11 GND 3.3v
温湿度传感器DATA GND VCCA15 GND 3.3v
仪器整体的组成由主控板和超声波传感器作为核心模块[7] 蜂鸣器、温湿度传感 器、蓝牙模块、显示屏作为辅助模块。同时采用面包板为电路基础板以及各类杜邦线 连接各项模块。仪器可视化电路图仅供参考如图 3.9 所示。
