一種無線測距器的設計與實現

王美玉 許鵬 朱友華 申賀林

【摘要】本設計的無線超聲波測距器，包括發射模塊和接收模塊。發射模塊以STC89C52單片機為核心，控制超聲波傳感器發射和接收高頻超聲波，并根據持續時間計算距離;再通過傳感器DS18B20獲取環境溫度來修正距離值，以提高精度;最后單片機通過NRF24L01發送該數據。接收模塊以S3C2440A ARM處理器為核心，通過NRF24L01接收數據，處理并顯示測量結果且具備數值存儲與實時報警的功能。

【關鍵詞】超聲波;測距儀;STC89C52;ARM9

1.緒論

隨著自動化技術和測距系統的不斷發展，測溫與測距電子化程度不斷提高。傳感器在現代信息技中，變得更加重要。比如光電傳感器、壓力傳感器、超聲波傳感器、霍爾傳感器等，其中超聲波傳感器在測距方面應用十分廣泛。利用微處理器控制超聲波測距不但迅速、快捷、測量誤差小，并且抗干擾能力強。

超聲測距系統可用來識別障礙物如汽車倒車雷達。同時超聲測距系統還可以用來測量各種水文液位如潛艇聲納、油庫以及水箱的表面和建筑施工工地等領域如管道長度的測量。此外在機械制造，電子冶金，宇航，石油化工，交通等工業領域超聲測距系統也被廣泛地應用。

2.系統的整體設計

本課題設計的電子測距儀測量范圍在0.10～5.00m，測量精度1cm，且誤差低于5%，具有無線傳輸、實時顯示、聲光報警提示、存儲以及回顯等功能。

本系統分為兩個部分組成，一部分是以STC89C52單片機為核心的發射模塊，另一部分是以S3C2440A ARM處理器為核心的接收模塊。發射模塊功能為超聲波傳感器發射高頻超聲波，超聲波傳感器收到回波，溫度傳感器測量溫度，單片機根據溫度計算距離，并通過NRF24L01發送數據。接收模塊通過NRF24L01接收數據，ARM系統處理接收的數據，并在液晶屏幕上顯示測量結果，并判斷數據是否超出設定值，超出則報警。系統整體框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統整體框圖

系統中使用的超聲波測距模塊型號為US-100，采用的是回波探測法，為一發一收雙探頭方式。模塊在某方向上發射高頻聲波，同時開始計時，聲波在介質中傳輸，傳輸過程中遇到阻攔物被反射回來，超聲接收儀接收到反射波，將立即停止計時器[1]。超聲波在空氣中（20℃）的傳播速度為340m/s，然后可以根據計時器記錄的時間計算出發射點距障礙物的距離[2]。因為超聲波傳播的速度易受到空氣中溫度、濕度、壓強等因素的影響，且其中溫度的影響最大。一般溫度每升高1℃，聲速增加約為0.6m/s。因此需要通過溫度補償的方法加以校正。

3.系統的軟件設計

本系統程序由發射部分和接收部分組成，發射部分要計算超聲波測量的距離和處理溫度傳感器的溫度值，然后通過NRF24L01發射，接收部分把接收來的數據顯示到液晶屏上。圖2為系統軟件設計流程圖。

圖2 系統軟件設計流程圖

發射端軟件流程圖中啟動超聲波模塊是指給US-100模塊一個10ms以上的信號。并通過DS18B20模塊讀取溫度，并用溫度對速度進行校正。51單片機把計算好的距離通過NRF24L01模塊發送出去[3]。接收端軟件設計流程圖中接收數據是指ARM9通過NRF24L01模塊接收數據，通過LED和蜂鳴器以實現聲光告警，判斷按鍵以執行相應的操作。

4.系統的組裝與功能的測試

整套系統包括發送部分和接收部分，其中發送部分用萬用板搭建而成，而接收部分在FL2440開發板上直接用杜邦線連接無線模塊來實現。系統實物圖如圖3所示，圖中右側為接收端部分，左側部分為發送端。

圖3 整套系統實物圖

假定溫度不變的情況下，以10CM為標準，進行10次距離測量。測量結果見表1所示。

表1 測量數據表

實際距離 第1次 第2次 第3次 第4次 第5次 第6次 第7次 第8次 第9次 第10次

10（CM） 10.3 10.2 10.0 9.9 9.8 10.0 10.1 10.2 9.9 9.8

由上表測試數據進行計算，可知10次平均值為10.02CM，平均值誤差為0.2%，平均誤差1.4%，低于工業要求的5%，符合設計要求。

當溫度高于或距離大于（小于）指定值時，系統就點亮LED燈和開啟蜂鳴器以進行聲光告警。測試中，當測得距離為2.67m大于指定值（2m），此時開啟蜂鳴器和點亮LED1進行告警[4]。當按下存儲鍵時，會將溫度值與距離值存放在緩存區。當按下顯示鍵時，就將存儲區的數據顯示出來并支持自動翻頁功能。

5.結論

經過多次現場測試與數據分析，其結果符合實際需求。系統采用軟硬件相結合的方法來快速采集數據，實現了實時數據檢測和數據處理（包括距離值的計算、存儲、顯示和報警），具備一定的可靠性和穩定性。加之采用無線傳輸方式，數據采集更加靈活，如對本系統的功能進一步完善，將具有良好的應用前景。

參考文獻

[1]董迪晶.超聲波液位傳感器的開發[D].天津：天津大學，2008.

[2]周凱，趙望達，趙迪.高精度超聲波測距系統[J].電子質量，2007，02：13-15.

[3]盧晶晶.基于單片機的測控系統的設計與實現[J].知識經濟，2011，04：134-134.

[4]楊榮.基于SoC紡織物灰度系數測試儀的設計[J].咸寧學院學報，2007，27（6）：28-32.

南通大學引進人才科研基金項目（編號：03080666）;江蘇省“六大人才高峰”高層次人才基金項目（編號：XCL-013）。

作者簡介：王美玉（1973—），女，江蘇南通人，實驗師，研究方向：生物電子學等。