單片機(jī)控制的多傳感器障礙物檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u6193單片機(jī)控制的多傳感器障礙物檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試分析案例 1253491.硬件設(shè)計(jì) 1298881.1總電路圖 132861.2.1單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng) 2125271.2.2電源電路 3171581.2.3時(shí)鐘電路 318681.2.4復(fù)位電路 3106961.2.5蜂鳴器報(bào)警電路 460411.2.6LCD1602液晶顯示電路 594221.2.7按鍵電路 5138001.3障礙物檢測電路 5251791.4語音播報(bào)電路 7245542.校準(zhǔn)調(diào)試分析 7143272.1PCB圖繪制 7290122.2材料焊接組裝 896322.2實(shí)物的測試 10145322.2.1按鍵系統(tǒng)的測試 10152802.2.2障礙物測試 11226782.3測障數(shù)據(jù)計(jì)算 121.硬件設(shè)計(jì)1.1總電路圖本系統(tǒng)的總體硬件電路設(shè)計(jì)如圖3-1。該圖展示了本系統(tǒng)各個(gè)部分，包括電源電路，單片機(jī)主控電路，復(fù)位電路，晶振電路，LCD1602液晶顯示電路，障礙物檢測電路電路，語音播報(bào)電路。圖3-1總電路圖1.2.1單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng),也可以稱作是主控電路,是指用最少的元件組成的可以工作的單片機(jī)系統(tǒng).

對51系列單片機(jī)來說,最小系統(tǒng)包括一下四個(gè)部分:單片機(jī)、電源、晶振電路、復(fù)位電路。再搭配相應(yīng)的程序就能夠獨(dú)立工作，從而達(dá)到既定的功能效果。單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)如圖3-2所示。圖3-2單片機(jī)主控電路1.2.2電源電路單片機(jī)的供能部分，為整個(gè)系統(tǒng)提供能源，單片機(jī)的40引腳接電源+5V，20引腳接地。該電源電路使用了自鎖開關(guān)。自鎖開關(guān)，是一種電源\t"/item/%E8%87%AA%E9%94%81%E5%BC%80%E5%85%B3/_blank"按鈕。在開關(guān)按鈕按下一次，開關(guān)接通通電，當(dāng)開關(guān)按鈕按第二次按動(dòng)上彈時(shí)，開關(guān)斷開，停止通電。圖3-4電源電路1.2.3時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路作為單片機(jī)的重要部分，其提供了一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)鐘脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)各個(gè)功能，為單片機(jī)執(zhí)行各種動(dòng)作和指令提供了基準(zhǔn)脈沖信號(hào)。圖3-5中兩個(gè)瓷片電容c2，c3和晶振Y1與單片機(jī)內(nèi)部電路組成了單片機(jī)的時(shí)鐘電路。在實(shí)際運(yùn)行中，振蕩器和電容放置盡量靠近單片機(jī)芯片，這樣可以降低寄生電容，保證振蕩器的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。圖3-5時(shí)鐘電路1.2.4復(fù)位電路復(fù)位操作就是把單片機(jī)內(nèi)各個(gè)寄存器的值變?yōu)槌跏蓟癄顟B(tài)的。圖4-5中的開關(guān)S1即復(fù)位按鈕，按下此按鈕，單片機(jī)將清空所有值，重新從程序的第一條指令運(yùn)行，這樣避免了單片機(jī)的宕機(jī)造成的混亂。當(dāng)程序運(yùn)行出錯(cuò)，操作失誤，或者出現(xiàn)“當(dāng)機(jī)”等情況時(shí)，會(huì)給單片機(jī)一個(gè)復(fù)位信號(hào)，使程序從頭開始執(zhí)行。復(fù)位電路由一個(gè)電阻，一個(gè)電容以及一個(gè)開關(guān)按鈕組成。單片機(jī)的復(fù)位實(shí)現(xiàn)：當(dāng)RST（pin9）出現(xiàn)高電平并保持兩個(gè)以上的機(jī)械周期時(shí)，單片機(jī)執(zhí)行復(fù)位。圖3-6復(fù)位電路1.2.5蜂鳴器報(bào)警電路該電路采用三極管，蜂鳴器和2K電阻構(gòu)成，連接到單片機(jī)的5號(hào)引腳構(gòu)成危險(xiǎn)報(bào)警電路。如圖3-7所示。圖3-7報(bào)警電路當(dāng)任意一個(gè)方向的測距小于預(yù)定距離時(shí)，單片機(jī)發(fā)出指令使蜂鳴器發(fā)出危險(xiǎn)警報(bào)。當(dāng)蜂鳴器通電報(bào)警時(shí)，對應(yīng)方向的二極管發(fā)光，作為一種視覺上的提示，如圖3-8所示。3-8發(fā)光二極管電路1.2.6LCD1602液晶顯示電路顯示模塊采用LCD1602液晶顯示接口電路如圖3-9所示圖3-9顯示電路該液晶顯示能實(shí)時(shí)顯示測得的四個(gè)方位的距離數(shù)值，分別是前后左右的四個(gè)方向與被測障礙物的距離。同時(shí)顯示屏還能用來顯示調(diào)整危險(xiǎn)報(bào)警距離，在調(diào)整距離的時(shí)候能清楚的看到屏幕上預(yù)設(shè)報(bào)警距離的增減。1.2.7按鍵電路按鍵電路用于更改預(yù)先設(shè)定的危險(xiǎn)警報(bào)距離如圖3-10所示，三個(gè)按鍵S2,S3,S4分別是減鍵，加鍵，設(shè)置鍵。若需要更改報(bào)警距離，按下設(shè)置鍵S4后再按加減鍵可以調(diào)整危險(xiǎn)距離，設(shè)置完成后再次按下設(shè)置鍵S4可調(diào)整下一個(gè)方向的預(yù)警距離，當(dāng)四個(gè)方向都設(shè)置完畢，再次按下S4可是顯示屏恢復(fù)到顯示測距頁面。圖3-10按鍵電路1.3障礙物檢測電路本設(shè)計(jì)中障礙物檢測電路采用激光測距模塊TOF10120。TOF10120激光測距模塊使用的是雙向二線制同步串行總線，其串行時(shí)鐘線SCL，另一根線串行數(shù)據(jù)線SDA，如圖3-11所示。圖3-11TOF10120引腳圖當(dāng)SCL是高電平時(shí)SDA線由低電平向高電平切換表示停止，在SCL線是高電平時(shí)，SDA線從高電平向低電平切換表示起始條件。圖3-12TOF10120工作時(shí)序圖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，SDA線上的數(shù)據(jù)必須在時(shí)鐘的高電平周期保持穩(wěn)定。數(shù)據(jù)線的高或低電平狀態(tài)只有在SCL線的時(shí)鐘信號(hào)是低電平時(shí)才能改變。圖3-13輸出應(yīng)答圖通過激光測距模塊來檢測出既定方向預(yù)定距離內(nèi)是否有障礙物，并且可以測得與被測物之間的直線距離。障礙物檢測電路如圖3-14所示。圖3-14障礙物檢測電路串行口擴(kuò)充的主要方法軟件模擬法：軟件模擬法可以根據(jù)串行通信的傳送方式，使用主機(jī)的I/O口和定時(shí)器來模擬串行通信的時(shí)序，達(dá)到串口拓展的要求，在接受的過程中需要檢測起始位，可以通過查詢的方式。接受和發(fā)射的過程中對定時(shí)器的處理可以確保數(shù)據(jù)的正確性好，在接收過程中可以在檢測一步傳輸?shù)钠鹗夹盘?hào)。1.4語音播報(bào)電路圖3-15語音播報(bào)電路圖語音播報(bào)模塊使用的是WT588D語音芯片，該芯片也是由單片機(jī)作為核心，是一款集單片機(jī)和語音電路為一體的可編輯語音芯片。本設(shè)計(jì)的語音播報(bào)是3秒一次，在測得四個(gè)方位的距離后，屏幕顯示測得數(shù)值固定，揚(yáng)聲器開始依次播報(bào)距離，若只需要部分距離數(shù)據(jù)，不需要后面的，可以手動(dòng)控制復(fù)位按鍵使程序復(fù)位。三線串口控制模式由片選CS，時(shí)鐘SCK和數(shù)據(jù)DATA組成，時(shí)序按照SPI通信方式。選擇三線串口控制，語音模塊的P01定義為DATA數(shù)據(jù)口，P02作為CS片選口，P03作為時(shí)鐘口，51單片機(jī)通過這三個(gè)控制口對WT588D模塊進(jìn)行控制，P15BUSY是忙信號(hào)輸出端。2.校準(zhǔn)調(diào)試分析2.1PCB圖繪制首先打開文件-新建-project-PCBproject工程。然后畫原理圖，新建schDOC文件。按需求畫原理圖分配好元件的封裝然后保存到當(dāng)前工程，確保在當(dāng)前工程下。再次右擊當(dāng)前工程選擇AddNewProjet創(chuàng)建一個(gè)新的PCB文件并保存,切換到原理圖，點(diǎn)擊“Design”菜單項(xiàng)，在彈出的列表中選擇“UpdatePCBDocumentPCB.PcbDoc”，準(zhǔn)備生成網(wǎng)絡(luò)表。如圖4-9所示。圖4-9生成網(wǎng)絡(luò)表若封裝無誤，點(diǎn)擊“執(zhí)行更改”然后關(guān)閉此頁面，切換到PCB文件，在KeepOutLayer層繪制好板框，將元件布局好，然后點(diǎn)擊自動(dòng)布線得到圖4-10。圖4-10繪制完成的pcb板完成原理圖和PCB板繪制，實(shí)現(xiàn)硬件部分的設(shè)計(jì)。2.2材料焊接組裝本設(shè)計(jì)的硬件部分材料通過查詢資料定好型號(hào)，在網(wǎng)上購買萬用板和各個(gè)電子元件以及傳感器。在組裝的時(shí)候有兩個(gè)注意點(diǎn)：1.檢查元件的好壞根據(jù)電路圖購買元器件后，首先檢查所購元器件的質(zhì)量，并按每種元器件檢測方法進(jìn)行測試，仔細(xì)測試幾次，另外要仔細(xì)檢查原理圖是否一致。只有經(jīng)過檢查，零件才能上板開始焊接，否則容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致一整塊的電路板報(bào)廢。2.放置、焊接各元件按原理圖的位置放置各元件，放好元件后把其焊牢，待正面的元件布置好，焊腳完成準(zhǔn)備焊接背面的布線。特別是容易損壞的元件要使用易便更換的焊接方式，像溫度傳感器我使用了母排插座，方便更換，在焊接單片機(jī)插排時(shí)要十分注意每個(gè)引腳的位置不能搞混淆，芯片的正負(fù)要記住如何安放，別放反了導(dǎo)致單片機(jī)的燒毀。初步焊接完成電路板背面如圖4-3所示圖4-3實(shí)物背面圖正面底座，及單片機(jī)，二極管等元器件布局如圖4-4所示圖4-4正面圖焊接完成把單片機(jī)芯片，測距傳感器，LCD1602液晶顯示屏，語音芯片和揚(yáng)聲器接入對應(yīng)的底座。組裝完成的硬件系統(tǒng)如圖4-5所示。圖4-5最終實(shí)物圖硬件組裝完成后嘗試完成程序的燒錄，準(zhǔn)備了普中的開發(fā)板，把單片機(jī)的芯片插入開發(fā)板，打開燒錄軟件keil5，連接開發(fā)板嘗試燒錄程序，燒錄完成后把單片機(jī)芯片再安裝到實(shí)物系統(tǒng)中，嘗試是否能正常運(yùn)行。2.2實(shí)物的測試硬件和軟件組合在一起后開始嘗試測試和調(diào)整，本系統(tǒng)由5v直流電源供電，可使用充電寶或者電池盒充當(dāng)移動(dòng)電源。2.2.1按鍵系統(tǒng)的測試本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)目的是通過各個(gè)方位傳感器檢測障礙物和障礙物之間的距離，并且當(dāng)障礙物和檢測系統(tǒng)的距離小于設(shè)定的危險(xiǎn)距離就會(huì)發(fā)出警報(bào)。由此先展開檢測障礙物的測試，當(dāng)系統(tǒng)接上電源，按下自鎖開關(guān)后LCD1602液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)，屏幕上的數(shù)據(jù)有四個(gè)方位的實(shí)時(shí)距離，如圖4-6所示，第一排的G表示前方與障礙物的距離，B表示后面與障礙物的距離，第二排的L表示左邊和障礙物的距離，R表示右邊與障礙物的距離。圖4-6實(shí)物演示圖根據(jù)硬件設(shè)計(jì)危險(xiǎn)距離可以自行設(shè)置，控制按鍵有3個(gè)分別是S2（減鍵），S3（加鍵），S4（設(shè)置鍵），是下圖4-7中從左到右依次排列，實(shí)際操作：按下S4（設(shè)置鍵）開始設(shè)置前方報(bào)警距離，按S2可以減小距離，按S3可以增加距離，再按S4開始設(shè)置后方報(bào)警距離，依次設(shè)置四個(gè)方位的報(bào)警距離，設(shè)置完成后再次按S4完成設(shè)置，回到初始四個(gè)方位距離顯示界面。圖4-7按鍵位置圖2.2.2障礙物測試在設(shè)置好四個(gè)方位的報(bào)警距離后開始實(shí)際測試，在多傳感器障礙物檢測系統(tǒng)的四周放置障礙物，并且四個(gè)方向預(yù)定報(bào)警距離200mm，實(shí)際情況如圖4-8所示。圖4-8四方向障礙物檢測圖由于四周的障礙物和檢測系統(tǒng)的距離都小于危險(xiǎn)距離，屏幕上顯示實(shí)時(shí)距離，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，對應(yīng)的發(fā)光二極管通電發(fā)光，便于人們感知對應(yīng)方位的距離已經(jīng)小于預(yù)設(shè)的危險(xiǎn)距離。移動(dòng)左側(cè)的障礙物遠(yuǎn)離被測系統(tǒng)，左側(cè)的二極管熄滅，對應(yīng)的檢測距離增大，超出了預(yù)定報(bào)警的距離，但其他三個(gè)方位依舊有障礙物，蜂鳴器依舊發(fā)出警報(bào)。如圖4-9所示。圖4-9左側(cè)障礙物遠(yuǎn)離系統(tǒng)圖當(dāng)四個(gè)方向的障礙物都遠(yuǎn)離測量系統(tǒng)，實(shí)機(jī)演示圖4-10，可以從圖中得知，四個(gè)方位的障礙物都能檢測到，由于其各個(gè)距離都大于設(shè)定的危險(xiǎn)報(bào)警距離，所以四個(gè)方位的發(fā)光二極管都沒有亮，此時(shí)障礙物檢測系統(tǒng)是安全的，不會(huì)因?yàn)樘^接近障礙物發(fā)生碰撞導(dǎo)致一系列的損壞。圖4-10四方向障礙物都遠(yuǎn)離測量系統(tǒng)圖2.3測障數(shù)據(jù)計(jì)算第一次數(shù)據(jù)測量，環(huán)境室內(nèi)白天。測得數(shù)據(jù)如表4-1.表4-1白天室內(nèi)方向前后左右實(shí)際距離（mm）103257507739實(shí)測距離（mm）100250500750誤差率%3%2.8%1.4%1.4%第二次測得數(shù)據(jù)，環(huán)境室內(nèi)夜晚。測得數(shù)據(jù)如表4-2.表4-2夜晚室內(nèi)方向前后左右實(shí)際距離（mm）108261512731實(shí)測距離（mm）100250500750誤差率%8%2.4%2.4%2.5%測試在同一個(gè)室內(nèi)，測試障礙物用的同樣紙板，經(jīng)過兩組數(shù)據(jù)對比可以得到白天室內(nèi)測量的精確度更加準(zhǔn)確，夜晚的稍微差了一些。所以得出結(jié)論白天室內(nèi)的激光測距精度更高。為了對比測試，又測試了兩組室外的數(shù)據(jù)，分別是白天