精品超声波无线传输系统.docx

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精品超声波无线传输系统

超声波无线传输系统

摘要：

超声波测距器可以应用于汽车的倒车、建筑施工以及一些工业现场的位置监控,也可用于

如液位，井深、管道长度、物体厚度等的测量。

其范围为0.10~7.0m,精度为1cm。

测量时与被测物体无接触，能够清新、稳定地显示测量结果。

本系统采用STC89C52的为核心，采用C语言对系统进行编程控制。

在本系统中，我们通过超声波模块对室内进行测量，通过语音播报及报警和无限传输的形式获取数据给监测台，而且可以全方位准确移动调控测量,同时附加有时间及温度的查看。

1.关键词：

测量、语音报警、全方位准确移动调控测量、无线传输

2.原创性声明*＊＊*＊**＊＊＊＊＊＊*＊*＊＊＊***＊*＊＊＊****＊＊＊*******＊**＊*＊*＊＊＊*＊＊＊＊＊＊＊

2系统概述*******＊＊＊＊**＊*＊＊＊＊*****＊*＊**＊*＊*＊＊＊*＊**＊***＊＊＊＊＊＊***＊＊***＊*＊**

3.系统方案*＊＊＊*＊****＊*＊*＊＊＊*＊******＊**＊＊＊****＊＊＊＊＊*****＊*******＊＊＊＊＊*＊＊

3。

1系统方案论证***＊*＊＊＊＊＊*＊*****＊＊***＊＊＊＊＊***＊＊***＊**＊**＊＊＊＊*＊*＊＊****

3。

2功能与指标＊＊**＊*＊＊*＊＊*＊*＊***＊**＊*＊＊***＊*＊*＊*＊*＊**＊*＊＊**＊＊**＊＊*＊**＊

3.2.1开机画面**＊＊＊＊**＊*****＊**＊＊＊＊******＊*＊＊**＊＊＊＊＊＊＊***＊＊*******

3。

2.2功能菜单**＊*＊＊＊＊***＊*＊*＊*＊*＊**＊****＊**＊**＊*＊*＊*＊**＊＊＊***＊*＊*

3.3实现原理****＊＊＊＊＊＊****＊*＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊**＊*****＊*＊*＊*＊＊＊＊＊***＊＊＊*＊＊*＊＊＊

3.4硬件部分＊**＊＊＊*＊*＊＊＊＊＊＊*＊＊＊＊＊**＊*****＊＊**＊＊＊*****＊*＊*＊＊＊***＊*＊**＊＊

3.4。

1硬件框图*＊＊＊**＊＊＊**＊*＊＊***＊*＊＊＊＊＊**＊＊＊＊**＊**＊＊＊*＊＊＊＊＊＊**＊***＊

3。

4.2外围电路硬件介绍＊**＊＊＊＊***＊***＊＊＊*＊＊＊***＊＊＊＊＊＊＊＊*＊＊＊*＊******＊

3。

4.2。

1温度传感器＊＊**＊**＊＊＊＊*＊＊*＊**＊*＊*＊＊**＊＊*＊*＊＊＊＊**＊**＊**

3.4。

2。

2超声波传感器*＊＊**＊*＊＊*＊***＊*＊＊＊＊*＊****＊**＊*＊＊＊*＊**＊＊＊

3.4.2.3语音ISD1700＊*＊＊＊*＊＊*＊＊＊＊****＊＊*＊＊＊**＊＊*＊＊*＊**＊***＊＊*＊*

3。

4.2.4NRF24L01无限模块*＊＊＊＊*＊**＊******＊＊＊＊**＊*＊**＊**＊＊*＊**＊*＊＊**

3。

5软件流程＊＊＊*＊＊*＊*＊*＊＊**＊**＊＊＊***＊＊*＊*＊*＊***＊**＊*＊＊****＊*****＊＊*＊＊＊

4.系统测试方案及分析**＊*＊***＊**＊＊＊**＊＊***＊*＊**＊＊＊＊＊＊*＊＊＊***＊*＊＊**＊****

4.1系统测试方案＊**＊*********＊＊*＊*＊＊**＊＊**＊*＊＊＊**＊＊**＊**＊＊***＊＊＊*＊＊*＊

4。

1。

1气体传感器调试＊*＊＊*＊＊**＊＊＊＊＊*＊＊*＊＊＊＊**＊＊*＊＊******＊＊＊＊***＊*＊＊

4。

1。

1.1调试过程＊＊＊*＊*＊＊*＊＊＊＊＊＊＊＊*＊＊＊＊＊*＊＊＊*＊****＊＊＊***＊＊**＊＊＊*

4。

1。

1。

2调试数据＊*＊****＊＊＊＊***＊***＊*＊***＊＊＊＊＊*＊***＊＊**＊＊＊＊＊**＊*

4。

1.1.3数据分析**＊*＊***＊＊＊***＊＊＊****＊＊*＊*＊*＊＊*＊******＊＊**＊＊＊＊*

4。

1。

1。

4调试结论*＊＊＊**＊＊*＊*＊＊*＊*＊＊*＊*＊＊*＊＊*＊＊＊***＊*＊*＊**＊**

4。

1。

2温湿度传感器调试＊＊＊*＊*＊＊****＊****＊***＊＊＊*＊＊**＊****＊＊**＊＊*＊*＊

4.1.2.1调试过程*＊＊＊*＊**＊＊**＊＊＊**＊＊*＊＊***＊＊**＊*＊***＊*＊**＊＊＊**＊

4。

1。

2。

2调试数据＊*＊**＊＊**＊＊＊＊＊***＊＊＊*＊**＊＊*＊＊**＊*＊**＊**＊*＊*＊*＊*

4.1。

2。

3数据分析＊*＊**＊***＊＊＊*＊**＊*＊*＊*＊**＊＊*＊*******＊＊＊＊＊＊＊**＊*

4.1.2。

4调试结论＊**＊**＊＊＊＊＊*＊＊*＊＊＊******＊＊＊*＊＊**＊＊*＊*＊*＊*＊＊

5.1.1GPRS短信模块调试＊****＊＊＊*＊＊*＊＊*********＊＊＊＊＊*＊＊*＊*＊＊＊*＊＊＊＊

5.1。

3.1调试过程＊＊＊***＊**＊＊＊*＊＊＊**＊*＊***＊＊**＊＊*＊**＊******＊***＊

5。

1。

3。

2数据分析**＊＊*＊*＊*＊＊＊＊**＊＊**＊＊＊*＊＊**＊***＊＊＊***＊＊*******

5.1.3。

3调试结论＊＊****＊＊＊＊*＊*＊＊*＊**＊＊＊*****＊*＊*＊****＊*＊**＊*

4.2测试设备*＊*＊*＊＊*＊＊＊＊***＊******＊***＊＊**＊*****＊*＊＊***＊＊＊*＊＊****＊＊＊

5.总体功能与特色＊＊＊＊＊＊＊*＊*＊＊**＊*＊＊*＊**＊*＊＊***＊**＊＊***＊**＊＊*＊＊*＊＊*＊*＊＊

6.结论及尚存问题＊**＊***＊＊*＊**＊＊*＊*＊＊**＊＊＊＊*＊＊＊＊*＊*＊＊＊＊＊***＊＊*****＊＊＊*

7.致谢*＊*＊*＊**＊＊*＊＊*******＊**＊＊＊＊＊*＊＊＊＊＊***＊*＊*＊＊＊**＊*＊＊＊*＊＊**＊*＊＊＊**

8.参考文献＊*＊＊＊＊*＊*＊＊*＊＊＊＊＊*＊*＊＊*＊*＊＊**＊****＊＊**＊***＊******＊*＊＊**＊＊**

9.附录*＊＊＊*＊***＊****＊＊*****＊***＊**＊＊***＊＊***＊＊****＊*＊＊＊＊**＊＊**＊＊＊*＊＊＊

1原创性声明

3.系统概述

超声波是指频率高于20KHz的机械波。

为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。

超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。

超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化,即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波;而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。

超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（timeofflight）。

首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离

测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量。

因为超声波在标准空气中的传播速度为340米/秒,由单片机负责计时，单片机使用12。

0M晶振,所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级.

由于超声波指向性强,能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。

利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。

2系统方案

3.1系统方案论证

3。

1。

1显示部分

方案1：

用数码管可以显示简单数字数据，而且价格比液晶便宜得多，但数码不能显示汉字而且显示少。

方案2：

用LCD1602液晶显示：

LCD1602液晶是最常用的液晶显示屏，能够实现汉字及一些字符的显示,价格便宜，操作简单，但其不能实现图形的显示，并且只能同时显示两行内容。

方案3:

用LCD12864液晶显示:

LCD12864液晶可显示汉字及图形，当然还可以显示字符。

LCD12864内有中文字形库，方便实现汉字的输入，并且其支持图形的输入及显示，能同时显示四行内容.本系统中，我们设置了开机画面，并且要求显示的内容较多，LCD12864能够满足我们的需求。

但价格相对较贵.

为满足不同用户选取不同的显示效果，本系统通过精心制作，可以供用户自由选取不同的显示。

3.1。

2语音播报

方案1：

用ISD1420语音芯片:

ISD1420语音芯片可实现20秒录放音功能，所需要的外围元件少,电路简单,操作方便。

但其稳定性不太好，音质一般。

方案2:

用ISD1700语音芯片：

ISD1700语音芯片可实现60秒的录放音功能，另外还有快进、擦除、音量控制等功能。

电路简单，功能强大.最主要的是，其播报音质好，稳定性好.

综上所述，我们采用方案2做为我们的语音播报芯片。

用其实现温湿度，气体浓度,及报警提示等功能。

3。

1.3无限传输的实现

方案1：

利用GSM的SMS功能，对采集点定时采集数据和确定当时的信息情况，采用ARM2440核心来处理，该处理器处理速度高,但是价格较贵，而且焊接困难。

方案2：

利用NRF24L01无限传输功能，NRF24L01比GSM模块价格也便宜，对采集点定时采集数据和确定当时的信息情况,采用51单片机来处理发送的数据，由于处理的数据不多，并且不需要多任务处理，所以当数据量少时采用51单片机有优势。

综上所述：

我们采用方案2中的51单片机来处理检测点数据，通过NRF24L01模块发送到监测台中。

3。

2功能与指标

3。

2。

1开机画面

本系统设置了开机画面，当我们开启系统时，首先在LCD12864液晶屏上显示的是我们的开机画面，开机画面如下:

开机画面的设置中标注我们三位组员名字的简写，在一定程序上起到了保护知识产权的作用，更重要的是，开机画面能够增加系统的美观性，给人一种舒适的感觉，另外，开机画面在一定程度上体现了系统的完整性.

3。

2.2菜单功能

3。

3实现原理

3.4外围电路硬件介绍

3。

4.1硬件框图

4。

2外围电路硬件介绍

3。

4.2.2、超声波模块性能稳定,测度距离精确：

1、能和国外的SRF05,SRF02等超声波测距模块相媲美。

模块高精度，盲区（2cm）超近，稳定的测距是此产品成功走向市场的有力根据！

2、主要技术参数：

1）使用电压:

DC5V

2）静态电流：

小于2mA

3）电平输出:

高5V

4）电平输出：

底0V

5）感应角度：

不大于15度

6）探测距离：

2cm-450cm

7）高精度:

可达0.3cm

3。

接线方式:

VCC、trig（控制端）、echo（接收端）、GND

4.使用方法：

一个控制口发一个10US以上的高电平，就可以在接收口等待高电平输出.一有输出就可以开定时器计时，当此口变为低电平时就可以读定时器的值,此时就为此次测距的时间,方可算出距离。

如此不断的周期测，就可以达到你移动测量的值了～～

5.模块工作原理：

（1）采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号；

（2）模块自动发送8个40khz的方波,自动检测是否有信号返回；

（3）有信号返回,通过IO输出一高电平,高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间．测试距离=（高电平时间＊声速（340M/S））/2；

3。

4。

2.3语音ISD1700

ISD1700系列录放芯片是一种高集成度，高性能的芯片。

它可以多段录音，采样率可在4K至12K间调节,供电范围可以在2.4V至5。

5V之间.ISD1700系列录放芯片可工作于独立按键模式和SPI控制模式。

芯片内有存储管理系统来管理多段语音，这样在独立按键模式下也能进行多段语音录放。

此芯片内有振荡器，可通过外部电阻来调节其振荡频率；还有

带自动增益控制（AGC）的话筒运放，模拟线路输入，抗锯齿滤波器，多级存储阵列,平滑滤波器，音量控制，直接驱动喇叭的PWM输出与接外部功放的电流/电压输出。

其应用电路如下：

在本系统中,我们使用ISD1700语音芯片报警及实时播报当前室内温湿度及气体的浓度值.ISD语音芯片具有实时录音功能，当发现录音的效果不太好的时候,我们可以按下擦除键，擦除当前的录音，直到满意为止，ISD语音芯片为录音准备了存储地址,当要播报某一录音的时候，我们只要让指针指向该录音的首地址即可.其中，芯片的存储地址从第一个提示间地址0X0000开始计算,但是0X0000—0X000F地址平均留给了4个提示音，从0X0010开始，才是录音区的真正的存储地址,即真正的录音区。

其中，每10秒钟的录音长度占用了80个存储地址，即每一秒钟占用8个存储地址，在调节其录音地址时，我们可以采用先粗调，再微调的方法，即先确定某一录音的录音长度,大概确定其首地址的位置，再通过微调首地址，让语音芯片能完整播报整个录音为止。

3。

4。

2。

4无线检测模块

在本设计系统中,我们使用无线多点检测模块配合主控模块实现对室内污染气体的全方位检测,各检测点信号通过无线传送到放置在控制中心的控制器，形成一个气体监测网络，控制器可以显示每个监测点的数据，报警和联动控制，并通过外接报警器，增加告警范围；控制器通过双向通信可对各监测点探测器进行设置。

这大大提高了系统的工作效率，更重要的是,通过多点检测室内污染气体，最大程度上满足了用户的需求,让用户的健康得到更全面的保障。

我们使用NRF24L01作为我们的无线通信芯片。

NRF24L01是NORDIC公司最近生产的一款无线通信通信芯片，采用FSK调制，内部集成NORDIC自己的EnhancedShortBurst协议.可以实现点对点或是1对6的无线通信。

无线通信速度可以达到2M（bps）。

下图是NRF24L01的功能框图.

我们通过单片机控制CSN，SCK,MISO，MOSI，IRQ,CE这六个控制和数据信号端，从而达到实现多点检测的发送和接收的功能。

其接口电路如下图所示.

其中，VCC脚接电压范围为2.0V-3。

5V之间，不能在这个区间之外,超过3.5V将会烧坏芯片,在本系统中，我们使用3。

3V电源为为其提供供电电源。

下面是这六个控制和数据信号端的用法：

CSN：

芯片的片选线，CSN为低电平芯片工作；

SCK:

芯片控制的时钟线（SPI时钟）

MISO：

芯片控制数据线（Masterinputslaveoutput）

MOSI：

芯片控制数据线（Masteroutputslaveinput）

IRQ:

中断信号.无线通信过程中MCU主要是通过IRQ与NRF24L01进行通信。

CE：

芯片的模式控制线。

在CSN为低的情况下，CE协同NRF24L01的CONFIG寄存器共同决定NRF24L01的状态

NRF24L01有四种工作模式,即收发模式，配置模式，空闲模式和关机模式.其工作模式由PWR_UPregister,PRIM_RXregister和CE所决定.

3.5软件流程

4。

系统测试方案及分析

4.1系统测试方案

4.1。

1气体传感器调试

4。

1。

1。

1调试过程

本系统使用MQ—9，MQ-138,MQ—137,MQ-5等气体质量传感器,他们的测试方法大同小异，现以MQ-5为例，详细介绍我们的调试方法：

在进行调试之前，为了使调试的结果更加准确,我们有必要对调试元件有比较全面的了解,以MQ-5为例，我们查阅了该元件的资料,对其标准工作条件，工作环境条件及灵敏度特性进行了全面的了解.其规格如下表所示：

我们按元件资料的要求，在进行正式的调试之前,首先预热了30个小时，调试时，我们使用51单片机为其提供工作电压,51单片机提供的工作电压为5V,满足了其回路电压不大于15V并且加热电压为5.0V的技术条件，另外,在调试时，我们确保了室内环境条件符合该元件工作的环境条件。

调试电路如下图所示：

其中，RL为可调电阻.我们把Vout端经AD0832AD转换芯片与单片机管脚连接,经数值转换后在数码管上显示当前环境甲烷的浓度值，之后，我们改变RL/Rs的比值,记录下此时的甲烷的值，然后，绘制成表格，与灵敏度特性曲线进行比较。

最后得出调试结论

4。

1.1。

2调试数据

4。

1。

1.3数据分析

4.1.1.4调试结论

4.1.2温湿度传感器调试

4.1.2.1调试过程

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件。

该传感器性能说明

如下表所示:

DHT11的供电电压为3－5。

5V。

在调试过程中，我们使用51单片机为其提供工作电压，51单片机提供的工作电压为5V，满足其供电电压要求.我们的调试电路如下：

DHT11有四个引脚，分别为VDD，DATA，GND端,其中，引脚3为空脚。

DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式

一次通讯时间4ms左右。

用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据，并触发一次信号采集，用户可选择读取部分数据。

从模式下，DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集。

采集数据后转换到低速模式.

4.1。

2。

2调试数据

4。

1。

2。

3数据分析

4.1。

2。

4调试结论

5.1。

1GPRS短信模块调试

5。

1.3.1调试过程

由于GPRS模块是采用串口来控制的，并且采用AT指令，所以要用到串口，且波特率为115200，而单片机51的波特率只可以达到57600,所以采用STC89C52芯片中的T2定时器，

定时器2是一个16位定时/计数器.通过设置特殊功能寄存器T2CON中的C/T2位，可将其作为定时器或计数器（特殊功能寄存器T2CON的描述如表1所列）。

定时器2有3种操作模式：

捕获、自动重新装载（递增或递减计数）和波特率发生器,这3种模式由T2CON中的位进行选择

由于在接收到的字符数据量大，并且以数值为主,为免复制化，本系统采用PDU的短信形式，在发送AT+CMGF=0，返回OK成功时，发送AT+CMGS=数据长度,这个数据长度是发送数据的大小，但是不论是汉字字符还是英文,数值字符，在PDU模式中都是占用两个字符的,所以数据长度为15+字数＊2，但数值不于100时，要在前面加上0，在数据内容发送时，对于你要发送的电话号码，要采用倒序的模式,内容采用Unicode码，当你发送完数据时，会返回OK，表示发送成功,调试过程如下图3-10所示:

PDU模式调试

5。

1.3。

2数据分析

发你好给号码

Unicode码为0011000D91683134454204F6000801044F60597D

0011000D91683134454273F6000801044F60597D

0011000D9168是固定数码

3134454204F6是电话号码头3154509630F4

000801固定格式

04是长度4F60597D是中文信息的UNICODE码

5.1。

3.3调试结论

5。

总体功能与特色：

1.全方位准确移动调控测量并根据用户需要获得不同需要采用不同的选择模式显示，并且该系统可以实时语音播报当前的距离温度和时间。

2。

该系统超声波测距仪的制作和调试，其中超声波发射和接收采用Φ15的超声波换能器TCT40-10F1（T发射）和TCT40—10S1（R接收），中心频率为40kHz，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距4～8cm,其余元件无特殊要求。

若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。

根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。

3．本系统采用了无线多点检测模块配合主控模块异步电机实现对全方位测量,测量

的结果及时传送回主控制器.极大地方便用户对数据采集，这样，用户就可以通过本系统的测量数据做出相应的处理，而且免去了用户拿着主控制器，挨个房间进行检测的劳累，更重要的，避免了用户因为手工产生巨大的方位误差，能够最大程度上达到对个方位测量，这也是我们设计本系统所追求的.

4.在获取数据和报警方面，本系统语音进行报值，并设置上下限进行报警.提醒用户测量距离超标和侧量地点温度超标。

5．本系统有显示时间的功能，并且能提供用户自己调整时间的功能。

6。

结论及尚存问题

本系统完成了以下功能：

1、对室内污染气体进行检测，并且把检测到的数据进行实时发送

2、对每一个检测点的数据进行分析，并且把数据不达标的检测点发送到主控器.

3、系统采用了，语音播报和SMS短信发送相结合的方式，解决了报警方式单一性的难题.

4、采用了多点检测方法，实现了对室内污染气体的全方位检测。

以上指标达到了本次竞赛的要求,但是SMS短信发送方式也存在一些小的问题,如数据

发送量小，实时性不高，费用较高等缺点.这可能是本系统存在的问题.

7。

致谢