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(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(fā)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(yè)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(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,單片機根據溫度計算距離,并通過NRF24L01發(fā)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(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(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的方法加以校正。
3.系統的軟件設計
本系統程序由發(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(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(zhí)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(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。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(fā)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(yè)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(qū)。當按下顯示鍵時,就將存儲區(qū)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(wěn)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
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[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。