一種無線測距器的設(shè)計與實現(xiàn)

王美玉 許鵬 朱友華 申賀林

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

【關(guān)鍵詞】超聲波;測距儀;STC89C52;ARM9

1.緒論

隨著自動化技術(shù)和測距系統(tǒng)的不斷發(fā)展，測溫與測距電子化程度不斷提高。傳感器在現(xiàn)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(yīng)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(tǒng)可用來識別障礙物如汽車倒車?yán)走_(dá)。同時超聲測距系統(tǒng)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(lǐng)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(yè)領(lǐng)域超聲測距系統(tǒng)也被廣泛地應(yīng)用。

2.系統(tǒng)的整體設(shè)計

本課題設(shè)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(tǒng)分為兩個部分組成，一部分是以STC89C52單片機為核心的發(fā)射模塊，另一部分是以S3C2440A ARM處理器為核心的接收模塊。發(fā)射模塊功能為超聲波傳感器發(fā)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(jù)溫度計算距離，并通過NRF24L01發(fā)送數(shù)據(jù)。接收模塊通過NRF24L01接收數(shù)據(jù)，ARM系統(tǒng)處理接收的數(shù)據(jù)，并在液晶屏幕上顯示測量結(jié)果，并判斷數(shù)據(jù)是否超出設(shè)定值，超出則報警。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)整體框圖

系統(tǒng)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(fā)一收雙探頭方式。模塊在某方向上發(fā)射高頻聲波，同時開始計時，聲波在介質(zhì)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(jù)計時器記錄的時間計算出發(fā)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?shù)姆椒右孕Ｕ?/p>

3.系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)程序由發(fā)射部分和接收部分組成，發(fā)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(fā)射，接收部分把接收來的數(shù)據(jù)顯示到液晶屏上。圖2為系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖。

圖2 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

發(fā)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(jìn)行校正。51單片機把計算好的距離通過NRF24L01模塊發(fā)送出去[3]。接收端軟件設(shè)計流程圖中接收數(shù)據(jù)是指ARM9通過NRF24L01模塊接收數(shù)據(jù)，通過LED和蜂鳴器以實現(xiàn)聲光告警，判斷按鍵以執(zhí)行相應(yīng)的操作。

4.系統(tǒng)的組裝與功能的測試

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

圖3 整套系統(tǒng)實物圖

假定溫度不變的情況下，以10CM為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行10次距離測量。測量結(jié)果見表1所示。

表1 測量數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進(jìn)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(yè)要求的5%，符合設(shè)計要求。

當(dāng)溫度高于或距離大于（小于）指定值時，系統(tǒng)就點亮LED燈和開啟蜂鳴器以進(jìn)行聲光告警。測試中，當(dāng)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(jìn)行告警[4]。當(dāng)按下存儲鍵時，會將溫度值與距離值存放在緩存區(qū)。當(dāng)按下顯示鍵時，就將存儲區(qū)的數(shù)據(jù)顯示出來并支持自動翻頁功能。

5.結(jié)論

經(jīng)過多次現(xiàn)場測試與數(shù)據(jù)分析，其結(jié)果符合實際需求。系統(tǒng)采用軟硬件相結(jié)合的方法來快速采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)檢測和數(shù)據(jù)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(wěn)定性。加之采用無線傳輸方式，數(shù)據(jù)采集更加靈活，如對本系統(tǒng)的功能進(jìn)一步完善，將具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]董迪晶.超聲波液位傳感器的開發(fā)[D].天津：天津大學(xué)，2008.

[2]周凱，趙望達(dá)，趙迪.高精度超聲波測距系統(tǒng)[J].電子質(zhì)量，2007，02：13-15.

[3]盧晶晶.基于單片機的測控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].知識經(jīng)濟，2011，04：134-134.

[4]楊榮.基于SoC紡織物灰度系數(shù)測試儀的設(shè)計[J].咸寧學(xué)院學(xué)報，2007，27（6）：28-32.

南通大學(xué)引進(jìn)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(xué)等。