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信息工程学院实验报告
成 绩： 指导老师(签名)： 课程名称： 传感器原理及应用
实验项目名称： 实验二 红外测距传感器实验 实验时间：2016.10.8 班级： 姓名： 学号：
一、实 验 目 的
1. 学习 CC2530 单片机 ADC 模块的使用。 2. 学习红外测距传感器的使用。 二、实 验 原 理
1. CC2530 节点与红外测距传感器的硬件接口
红外线测距传感器模块GP2Y0A21YK0F
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(1). 红外测距传感器模块(GP2Y0A21YK0F)引脚
OUT：模拟量输出接口(AD 模块) GND：外接 GND
VCC：数字量输出接口(0 和 1) 外接 5V 电源
(2). 传感器模块与 CC2530 模块之间的连接
2. ADC (1). 简介
CC2530单片机的ADC支持多达14位的模拟数字转换，具有多达12位的ENOB（有效数字位）。它包括一个模拟多路转换器，具有多达8个各自可配置的通道；以及一个参考电压发生器。转换结果通过DMA写入存储器。还具有若干运行模式。ADC模块的方框图如下所示：
ADC的主要特性如下：
● 可选的抽取率，这也设置了分辨率（7到12位）
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● 8个的输入通道，可接受单端或差分信号
● 参考电压可选为内部单端、外部单端、外部差分或AVDD5 ● 产生中断请求
● 转换结束时的DMA触发 ● 温度传感器输入 ● 电池测量功能 (2). 寄存器简介
本次实验中主要涉及到ADC模块的寄存器：
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数据的换算：
例如：在 CC2530 中配置 ADC 的参考电压为 AVDD5(3.3V)，抽取率为 512(12 位有效数据)，由于在实验中采用单端转换方式，所以实际数据只有 11 位。这时，ADC 采集到的数据记为 x,则
ADC采集数据转换为电压(单位：V)：V = x * 3.3 / 2048
3. GP2Y0A21YK0F 红外测距传感器 (1). 概述
夏普 GP2Y0A21YK0F 测距传感器是基于 PSD 的微距传感器，其有效的测量距离在 80cm 内，有效的测量角度大于 40 度，输出信号为模拟电压，在 0 到 8cm 左右的范围内与距离成正比非线性关系，在 10-80cm 的距离范内成反比非线性关系，平均功耗为 30mA，反应时间约为 5ms，并且对背景光及温度的适应性较强。GP2Y0A21YK0F 传感器的默认的测距分辨率为 1mm。
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由于 GP2Y0A21YK0F 传感器采用的是 PSD 光信号调制法，因此其输出的信号电压并不是标准的直流电压，而是 叠加了波幅约为 0.2V，频率 1KHz 的方波，由于波幅达到 0.2V，这就影响了分辨率。如果不进行信号处理，分辨率的精度仅能达到 1mm。而如果经过有效处理，在正常情况下可以达到 0.1mm以上的精度，完全可以满足一般工程定距等方面的需求。
Sharp 的红外传感器都是基于一个原理，三角测量原理。红外发射器按照一定的角度发射红外光束，当遇到物体以后，光束会反射回来，反射回来的红外光线被 CCD 检测器检测到以后，会获得一个偏移值L，利用三角关系，在知道了发射角度 a，偏移距 L，中心矩 X，以及滤镜的焦距 f 以后，传感器到物体的距离 D 就可以通过几何关系计算出来了。
传感器特点：
● 基本不受背景光及温度的影响，能满足大部分工程应用的性能要求，有很高的性价比，具有很好的工程应用价值。
(2). 使用方法
本实验利用 CC2530 的 ADC 模块采集红外测距传感器输出的模拟电压数据，然后换算成电压值，在根据数据手册上的特性曲线，如下图所示：
将特性曲线通过 MATLAB 可以拟合出计算公式，直接根据电压值计算出距离，假设测量出的电压为 voltage(V)，待测距离为 distance(cm)，则 distance = 26.757 * voltage^-1.236。
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三、实 验 内 容 与 步 骤
1. 将仿真器的一端 JTAG 接口与一个 CC2530 模块相连，并打开CC2530节点的电源，再将仿真器的另一端用 USB 接口与 PC 计算机相连。
2. 用 MiniUSB 线将 CC2530 节点与计算机的 USB 口连接起来后，打开串口调试器软件，设置波特率 57600，校验位 None，数据位 8，停止位 1，然后点击打开串口按钮，如下图所示：
说明：串口号可以在设备管理器看到，具体方法如下图所示：
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3. 用 IAR Embedded Workbench for 8051 8.10 打开配套传感器实中的“SerialPort.Edition\\18.IRDMS\\Main.eww”工程文件。
4. 点击 IAR 功能菜单上的绿色下载按钮
，进入程序下载页面，如下图所示：
5. 程序下载完成后，点击 IAR 开发环境中的运行程序按钮运行程序，如下图所示：
此外，也可以通过点击其它按钮实现对当前程序的调试(单步、断点、暂停、步入等功能)。 6. 扩展实验
为了能够更加直观地观察到传感器工作的状况，在实验过程中可以利用光盘中配套的上位机软件 CurveDisplay 来观察传感器的数据曲线。
操作步骤
(1). 将仿真器的一端 JTAG 接口与一个 CC2530 模块相连，并打开 CC2530 节点的电源，再将仿真器的另一端用 USB 接口与 PC 计算机相连。
(2). 用 MiniUSB 线将 CC2530 节点与计算机的 USB 口连接起来后，打开配套传感器实验中的“CurveDisplay\\CurveDisplay.exe”上位机软件，选择正确的串口号后，再设置波特率 57600，校验位 None，数据位 8，停止位 1，最后点击打开连接按钮，如下所示：
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(3). 用 IAR Embedded Workbench for 8051 8.10 打开配套传感器实验中的“Curve.Edition\\18.IRDMS\\Main.eww”工程文件，然后通过 IAR 将程序下载到 CC2530 模块中。程序下载完成后，点击 IAR 开发环境中的运行程序按钮运行程序。 四、实 验 结 果 及 分 析：
1. 程序正常运行后，每采集一次传感器数据，红色 LED 闪烁一下，与此同时串口调试器显示信息（功能扩展，实现按键按一下传感器采样一次）
如下图所示：
2. 在实验过程中，将传感器水平正对着墙壁或障碍物远离移动，可以在串口调试软件上看到相应ADC 采集到的电压数据也发生相应的变化，其数值越小说明两者之间的距离越大。
3. 扩展实验现象
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(1). 程序正常运行后，在 CurveDisplay 软件中可以观察到传感器的数据曲线，如下图所示：
(2). 在实验过程中，将传感器水平正对着墙壁或障碍物远离移动，可以在 CurveDisplay 软件上的传感器数据曲线也发生相应的变化，如下图所示：
五、实 验 总 结：
通过这次学习和操作,我学到了对CC2530 单片机 ADC 模块的使用，并懂的了红外测距传感器的使用。以及通过自己对其功能扩展，实现按键控制传感器的采样。这次的实验操作让我受益匪浅。
六、源 程 序 清 单 （加上必要的注释） 主要代码如下：
#include #include //GPIO_LED定义(1:点亮,0:熄灭) #define GPIO_GLED P1_0 #define GPIO_RLED P1_1
//GPIO_KEY定义(0:被按下,1:未按下)
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#define GPIO_SW1 P1_2 #define GPIO_SW2 P1_3
void InitClock(void) //初始化时钟 {
unsigned int i;
//turn on 16MHz RC and 32MHz XOSC SLEEPCMD &= ~0x04;
//wait for 32MHz XOSC stable while(!(SLEEPSTA & 0x40)); //chip bug workaround asm(\"nop\"); //延时63us
for(i = 0; i < 504; i++) {
asm(\"nop\"); }
//Select 32MHz XOSC and the source for 32K clock CLKCONCMD = 0x00;
//Wait for the change to be effective while(CLKCONSTA != 0x00); //turn off 16MHz RC SLEEPCMD = 0x80; }
void InitGPIO(void) //初始化GPIO {
//GPIO_RLED引脚(P1_0,通用IO,输出) P1SEL &= ~0x01; P1DIR |= 0x01;
//GPIO_GLED引脚(P1_1,通用IO,输出) P1SEL &= ~0x02; P1DIR |= 0x02;
//GPIO_SW1引脚(P1_2,通用IO,输入) P1SEL &= ~0x04; P1DIR &= ~0x04;
//GPIO_SW2引脚(P1_3,通用IO,输入) P1SEL &= ~0x08; P1DIR &= ~0x08; }
void InitUART(void) //初始化串口USART0 {
//P0[5..2]配置为外设IO P0SEL |= 0x3C;
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//USART 0 I/O location: Alternative 2 location PERCFG &= ~0x01; //UART mode U0CSR |= 0x80;
//无流控制,无校验,1位停止位,8位数据位,起始位为低电平,停止位为高电平 U0UCR = 0x02; //波特率57600 U0GCR |= 0x0A; U0BAUD = 216; //使能串口接收器 U0CSR |= 0x40; }
void UART_SendStr(const unsigned char *str) //通过串口发送字符串 {
while(*str) {
//发送一个字符 U0DBUF = *str++; //等待发送完毕 while(!UTX0IF); //清除发送中断标志 UTX0IF = 0; } }
void Float2Str(void *str, float Num, unsigned char FractLen) //将float型数据转换为字符串(FractLen:小数位数1-6) {
unsigned char *ptr = ((unsigned char *)str); unsigned char FractCache[6] = {'\\0'}; unsigned char i = FractLen, j; unsigned char tmp;
unsigned char sign = (unsigned char)(Num < 0); unsigned long trunc; //整数部分
unsigned long fract; //小数部分(4位)
if (sign) {
Num *= -1; }
trunc = (unsigned long)Num;
fract = (unsigned long)((Num-(unsigned long)Num)*1000000); //处理小数部分 if (fract == 0) {
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ptr[i++] = '0'; } else {
for(j=0; j<6; j++) {
FractCache[j] = (unsigned char)((fract % 10) + '0'); fract /= 10; } }
//调整小数位数
for(j=0; jptr[FractLen - 1 - j] = FractCache[6 - 1 - j]; }//添加小数点 ptr[i++] = '.'; //处理整数部分 if (trunc == 0) {
ptr[i++] = '0'; }
while (trunc > 0) {
ptr[i++] = (unsigned char)((trunc % 10) + '0'); trunc /= 10; }
//添加符号位 if (sign) {
ptr[i++] = '-'; }
//字符串逆序输出 for(j=0; j<(i/2); j++) {
tmp = ptr[j];
ptr[j] = ptr[(i-j)-1]; ptr[(i-j)-1] = tmp; }
//添加字符串结束符 ptr[i] = '\\0'; }
void DelayXus(unsigned int Xus) //延时Xus {
while(Xus--)
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{
asm(\"nop\"); asm(\"nop\"); asm(\"nop\"); } }
void DelayXms(unsigned int X) //延时Xms {
while (X--) {
//延时1ms
DelayXus(1000); } }
void InitADC(void) //初始化ADC {
//P0.1配置为外设IO P0SEL |= 0x02;
//P0.1配置为模拟IO APCFG |= 0x02; }
unsigned int ADC_ReadVal(void) //通过ADC读取P0.1的电压数据 {
int val;
//ADC参考电压: AVDD5 Pin ADCCON3 |= 0x80;
//512 decimation rate (12 bits ENOB) ADCCON3 |= 0x30; //Single channel: AIN1 ADCCON3 &= ~0x0F; ADCCON3 |= 0x01;
//Wait for the conversion to be done while(!(ADCCON1 & 0x80));
//Read the result(最高位为符号位) val = (unsigned int)ADCL;
val |= (unsigned int)(ADCH << 8); //Treat small negative as 0 val = val < 0 ? 0 : val;
//12位有效数据(由于单端转换,所以实际数据11位) val = val >> 4; return val; }
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void main(void) {
unsigned char cache[16]; unsigned int val; float voltage;
//初始化时钟 InitClock(); //初始化IO InitGPIO();
//初始化串口USART0 InitUART(); //初始化ADC InitADC();
//关闭GPIO_RLED和GPIO_GLED GPIO_RLED = 0; GPIO_GLED = 0;
//发送串口初始化成功消息
UART_SendStr(\"\\nUSART0 Init Successfully!\\n\"); while(1) {
//点亮GPIO_RLED GPIO_RLED = 1;
//通过ADC读取P0.1的电压数据 if(GPIO_SW1)
{GPIO_RLED = 0;} else {
val = ADC_ReadVal(); //换算为电压值
voltage = val * 3.3 / 2048; //发送ADC采集到的数据 UART_SendStr(\"Voltage(V): \"); //最多保留三位小数
Float2Str(cache, voltage, 3); UART_SendStr(cache);
UART_SendStr(\
//换算成距离值(cm)并最多保留两位小数
//6cm~80cm之间拟合公式:distance = 26.757 * voltage^-1.236 Float2Str(cache, 26.757 * pow(voltage, -1.236), 2); UART_SendStr(cache); UART_SendStr(\"\\n\"); //关闭GPIO_RLED // GPIO_RLED = 0; }
//延时350ms
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DelayXms(350); } }
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