基于nRF24L01+與Arduino的超聲波測距系統設計

劉衛國 ， 王紅彬

（1.國防科學技術大學 湖南 長沙 410073；2.77606部隊 西藏 拉薩 850000）

距離是描述建筑物平面結構的重要內容，建筑物尺寸的傳統測量手段都需要人員借助工具現地進行，但面對比較危險的建筑物時，傳統的測量手段勢必增加人員的傷亡幾率。隨著科學技術的發展，測距技術和無線傳輸技術日趨成熟，無人距離測量在特殊領域中將得到廣泛應用。利用超聲波測距成本低、精度高、速度快等技術特點，結合單片機、無線通信技術可對建筑物內部平面尺寸進行測量，并將數據無線傳至終端設備實時顯示。

1 系統結構

超聲波測距系統由發射端和接收端兩部分組成。發射端由Arduino開發板、無線射頻發射模塊、天線、超聲波模塊及電源模塊組成。接收端由Arduino開發板、無線射頻接收模塊、天線和終端設備等組成。

在系統發射端，超聲波模塊HC-SR04對距離信號進行實時采集，在Arduino的控制下通過無線射頻發射模塊將距離數字信號發送至接收端；在系統接收端，在Arduino開發板的作用下，通過無線射頻接收模塊接收發射端發送過來的距離數字信號，通過串口通信模塊與PC機進行通信，在PC機中利用軟件讀取數據并繪制曲線。

2 系統硬件電路設計

2.1 Arduino控制板

本系統中所采用的Arduino UNO[1-2]是一塊采用USB接口的核心電路板，處理器核心是ATmega328，包括14個數字輸入輸出IO（其中6個可提供PWM輸出），6個模擬輸入IO，一個16 MHz晶體振蕩器，一個USB口（便于在線進行程序調試），一個電源插座和一個復位按鍵。

2.2 測距傳感器

HC-SR04超聲波測距模塊可提供2～400 cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達到3 mm，模塊包括超聲波發射器、接收器和控制電路。模塊采用IO口TRIG觸發測距，給至少10 μs的高電平信號，之后模塊自動發送8個40 kHz的方波，自動檢測是否有信號返回，如有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間[3-4]。

2.3 nRF24L01+無線傳輸模塊

nRF24L01是一款新型單片射頻收發一體器件，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段[5]。其內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器、低噪聲放大器等功能模塊，并融合了增強型ShockBurst技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。nRF24L01具有極低的電流消耗，當工作在發射模式下發射功率為0 dBm時電流消耗為11.3 mA，接收模式時為13.5 mA，掉電模式和待機模式下電流消耗更低。本文采用nRF24L01+模塊，在原模塊的基礎上增加了PA和LNA。在發射端通過PA電路將nRF24L01的輸出功率放大，同時在接收端通過LNA電路增加接收信號的強度。

2.4 SPI連接

Arduino與nRF24L01+無線收發模塊之間利用同步串口SPI[6]進行通信。nRF24L01+的 SPI總線有 GND（接地）、VCC（1.9～3.6 V電源）、CE （使能發射或接收）、CSN （片選信號）、SCK（時鐘信號）、MOSI（數據輸入）、MISO（數據輸出）、IRQ（中斷標志位）。Arduino與nRF24L01+的連接圖如圖1所示。

圖1 Arduino與nRF24L01+的連接圖Fig.1 Connection diagram of Arduino and nRF24L01+

2.5 實驗電路連接圖

發射端（HC-SR04、nRF24L01+和 Arduino 連接）和接收端（nRF24L01+和Arduino連接）實驗電路連接如圖2所示。

圖2 發射端和接收端實驗電路連接圖Fig.2 Connection diagram of transmitting and receiving experimental circuit

3 系統的軟件設計

3.1 無線發送模式流程

對nRF24L01+的相關寄存器進行配置，設置為增強型ShockBurstTM發送模式，通信速率為 1 Mbit/s，晶振16 MHz，發射功率設置為0 dBm，MCU通過MOSI寫入數據，通過MISO讀出數據，設置通過nRF24L01+的數據輸入，保存到TX FIFO寄存器中，開始發送數據。在數據發送之后，讀取狀態寄存器的值并做出判斷，確定是否接收到應答信號，判斷自動重發次數是否達到最大值（10次）。如果在設定的應答時間內接收到應答信號，則認為數據成功發送到了接收端。如果在設定的時間范圍內沒有接收到應答信號，則重新發送數據，并且自動重發計數器自動加1。若自動重發次數達到最大值，則表明數據沒有發送成功，需要清除MAX_RT位讓數據繼續重發。發送程序流程圖如3所示。

發射程序中的主要函數如下：

圖3 nRF24L01+發送程序流程圖Fig.3 Flow chart of nRF24L01+sending program

unsigned char SPI_Read_Buf（unsigned char reg， unsigned char*pBuf， unsigned char bytes）//從寄存器"reg"讀無符號字符型變量

3.2 無線接收模式流程

設置nRF24L01+為接收模式，與發射端相同的CRC配置、地址寬度、頻道和傳輸速率，拉高CE啟動接收，通過讀取狀態寄存器的值判斷是否有數據接收，若有數據，接收端通過自身通道地址與接收到的數據包中的地址進行匹配，若相同就接收該數據，若不同就放棄該數據，繼續等待接收。接收程序流程圖如圖4所示。

圖4 nRF24L01+接收程序流程圖Fig.4 Flow chart of nRF24L01+receiving program

接收程序中的主要函數如下：

unsigned char SPI_Write_Buf（unsigned char reg， unsigned char*pBuf，unsigned char bytes）//將 nRF24L01+的內容寫入緩沖區"*PBUF"

4 實驗結果

按照本方案設計的超聲波測距系統 （實物如圖5所示）經過建筑物現地測試，測量最大寬度8 m，最大高度4 m，超聲波模塊工作穩定，無線傳輸模塊傳輸距離符合要求，完全可以達到實際應用的目的。由于該系統目前還是初具功能的試驗品，測距平臺上功能模塊不夠豐富，應搭配更多的傳感器模塊，提升系統功能。

圖5 測距系統實物圖Fig.5 Entity diagram of ranging system

5 結束語

本文著重介紹了基于nRF24L01+與Arduino的超聲波測距系統的設計，通過較低的成本實現了超聲波測距、數據無線傳輸、PC機實時接收顯示并繪制曲線等功能，可搭載不同的移動平臺，完成建筑物測距任務，具有一定的實用價值。

[1]蔡睿妍.Arduino的原理及應用[J].電子設計工程，2012，20（16）:155-157.

[2]王欣，馬青玉.基于Arduino的LED光立方設計[J].南京師范大學學報，2013，13（4）:24-28.

[3]劉楚紅，董鎮，錢宇捷，等.基于Arduino的倒車雷達系統設計[J].現代電子技術，2014，37（17）:148-150.

[4]蘇琳.基于HC-SR04的超聲波測距器的設計 [J].科技信息，2012（9）:125-126.

[5]孫志遠.2.4 GHz無線傳感器網絡節點通信模塊的設計與實現[D].長沙:國防科學技術大學，2010.

[6]戈惠梅，徐曉慧，顧志華，等.基于Arduino的智能小車避障系統的設計[J].現代電子技術，2014，37（11）:118-120.