朱志強，張瀟宇，王林童，虞楠

基于Arduino+LabVIEW的高精度超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計*

朱志強，張瀟宇，王林童，虞楠

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江陰214400）

針對現(xiàn)場遠程高精度測距的要求，提出了采用開源硬件Arduino和虛擬儀器Lab VIEW通過無線通信測距的方法。下位機通過Arduino控制器對溫度及距離進行測量并發(fā)送數(shù)據(jù)，上位機對無線接收的數(shù)據(jù)進行溫度補償算法處理以提高測量精度。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度下測量時能準確修正數(shù)據(jù)，提高了測量精度，有一定實用推廣價值。

虛擬儀器；Arduino；超聲波測距；溫度補償

引 言

在工業(yè)控制、工礦測量、車輛定位方面，測距有著深入應(yīng)用，當(dāng)測量距離較短時，超聲波測距與微波、紅外線、激光測距相比更具有優(yōu)勢，其對外界電磁場、光線及色彩敏感度低，更適于電磁干擾強、有毒、黑暗、煙霧或灰塵的惡劣環(huán)境［1］。由于超聲波傳播速度受溫度影響最大［2］，要提高測量精度，必須對溫度引起的測量誤差進行修正處理。采用數(shù)字手段進行測量，可以在算法中對測量值進行修正，從而提高測量精度，傳統(tǒng)的超聲波測距依賴于單片機對超聲波傳感信號處理，應(yīng)用較為單一，可擴展性不強，本文介紹一種以Arduino為下位機控制并通過無線串口連接至Lab VIEW上位機的低成本、高精度測距系統(tǒng)設(shè)計。

1　超聲波測距系統(tǒng)的原理

超聲波是頻率大于20 k Hz的聲波，聲能集中，傳播的方向性好，可用于測距。超聲波測距方法有多種，如時間*基金項目：江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院大學(xué)實踐創(chuàng)新訓(xùn)練項目（201513137002）；

無錫市職業(yè)教育創(chuàng)新發(fā)展專項研究課題（WXZJCX2015 02）。渡越法、相位檢測法和聲波幅值檢測法［3］。聲波幅值檢測法易受反射波的影響，造成的誤差較大，相位檢測法雖然檢測檢測精度高，但實現(xiàn)相對復(fù)雜［4］。與上述兩種方法相比，時間渡越法工作方式最為簡單，軟硬件都易于實現(xiàn)，本設(shè)計采用時間渡越法。

時間渡越法的原理是超聲波模塊得到觸發(fā)信號后立即發(fā)射超聲波，只要障礙物尺寸大于超聲波波長，遇到障礙物后超聲波返回，探頭收到反射信號后只要測出時間差即可根據(jù)公式（1）計算出障礙物距離。

式中，S是超聲波發(fā)射頭與障礙物間的距離，v是超聲波在空氣中傳播的速度，t為測得的超聲波發(fā)生到反射接收的時間差。

由于超聲波是屬于機械波，其傳播速度v依賴于傳播介質(zhì)，受環(huán)境溫度影響。胡延蘇［5］等對超聲波的溫度特性研究后得出環(huán)境溫度與實際超聲波傳播速度的關(guān)系為：

式（2）表明，溫度每升高1℃，傳播速度約提高0.6 m/s。表1給出了幾種溫度下的聲速，當(dāng)環(huán)境溫度在0～40℃變化時，聲速誤差達6.8%，因此要提高測量精度，必須采用溫度補償措施對實際測得數(shù)據(jù)進行修正。

表1　聲速與溫度關(guān)系表

采用開源硬件Arduino作為下位控制，可以非常方便地采集到環(huán)境溫度和超聲波返回時間差，通過無線串口模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機Lab VIEW，并在虛擬儀器后臺進行溫度補償，將補償后的測量值實時顯示、存儲。本測距系統(tǒng)設(shè)計總體框圖如圖1所示。

圖1　超聲波測距系統(tǒng)框圖

2　下位機硬件設(shè)計

2.1核心控制模塊

當(dāng)前，“創(chuàng)客”一詞深入人心，而Arduino平臺則是電子創(chuàng)客們的首選。本設(shè)計的下位機控制模塊采用Arduino中性價比最高的UNO控制板，該控制器核心是Atmega328單片機。Arduino UNO雖然源自于AVR單片機，但其開發(fā)過程又與傳統(tǒng)單片機不同，Arduino平臺有著更為易用的IDE環(huán)境，通過全球線上穩(wěn)定可靠的多個外圍模塊函數(shù)庫及簡單易懂的語言，極大地簡化了單片機的軟硬件設(shè)計，可以提高系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)效率［6］。UNO控制器硬件接口上主要包括14路數(shù)字I/O接口、6路模擬輸入接口，1路串行通信接口，這為本設(shè)計中外圍模塊的采集及與上位機通信提供了有利條件。

2.2外圍傳感模塊

本設(shè)計超聲波傳感采用HC-SR04超聲波測距模塊，其可提供2～500 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(fā)射器、接收器和控制電路。模塊TRIG觸發(fā)引腳給至少10μs的高電平信號之后，模塊自動發(fā)送8個40 k Hz的方波，自動檢測是否有信號返回，如有信號返回，通過ECHO引腳輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間［7］。

控制電路根據(jù)測得的返回時間差即可計算出測量距離，由前文分析可知，為提高測量精度必須引入溫度補償，本設(shè)計溫度檢測傳感器采用了Dallas公司的數(shù)字溫度傳感器DS18B20。DS18B20是one-wire總線串行數(shù)字傳感器，測量范圍跨度大，測量精度可達0.0675℃，且抗干擾，易擴展。本設(shè)計采用DS18B20傳感器的優(yōu)勢還在于Arduino平臺對其的友好支持，在Arduino的外圍模塊函數(shù)封裝庫中，oneWire.h及DallasTemperature.h為傳感器提供了初始化、溫度數(shù)字信號傳輸?shù)忍幚淼年P(guān)鍵函數(shù)。

超聲波測距外圍傳感檢測硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，易于擴展，且與NI官方提供信號采集模塊（如USB- 6008）相比，大大降低了成本。

2.3無線串口模塊

下位機數(shù)據(jù)采集后如何發(fā)送至上位機Lab VIEW處理是本系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，雖然NI公司針對Arduino開發(fā)了官方的LIAT工具包，但由于不涉及Arduino程序設(shè)計，只能使用有限的官方函數(shù)庫，局限性較大。通過測試，通信模塊采用APC220-43無線串口模塊效果較好。

APC220-43模塊是多通道嵌入式無線數(shù)傳模塊，發(fā)射功率達20m W。在通信方式上，該模塊采用高效的循環(huán)交織糾檢錯編碼，糾錯能力和編碼效率遠高于一般的前向糾錯編碼，能自動濾除錯誤及虛假信息，真正實現(xiàn)了透明連接［8］。本設(shè)計下位機硬件接線如圖2所示。

圖2　超聲波測距外圍硬件連接圖

3　數(shù)據(jù)采集與處理

在本測距系統(tǒng)中，下位機Arduino控制器從Lab-VIEW接收并判斷指令，為了區(qū)分兩種操作指令，設(shè)計時上位機Lab VIEW將不同事件改變而發(fā)送的指令封裝成包含三個字節(jié)的一個數(shù)據(jù)幀，下位機Arduino接收到串口數(shù)據(jù)確認無誤后，去掉兩個字節(jié)的命令幀頭，根據(jù)第三個字節(jié)測溫和測距不同的指令向Lab VIEW發(fā)送溫度值與超聲波往返時間。下位機軟件流程如圖3所示。

4　上位機管理設(shè)計

LabVIEW是NI公司的一種通用程序開發(fā)系統(tǒng)，分為前面板和程序框圖兩個部分，前面板用于輸入輸出顯示，程序框圖完成相應(yīng)程序連接，有效簡化了程序開發(fā)，增加了程序的直觀性，極大地縮短了開發(fā)周期。［9］LabVIEW上位機部分主要完成向下位機Arduino發(fā)送采集命令，根據(jù)回傳的溫度值經(jīng)式（2）計算后對距離進行修正，并在界面顯示實測的溫度值和實測距離值。LabVIEW軟件設(shè)計是通過內(nèi)嵌事件結(jié)構(gòu)來響應(yīng)“溫度測量”、“距離測量”和“超時”指令，每條指令通過FT232RL電平轉(zhuǎn)換和APC220無線模塊分別向下位機發(fā)送不同數(shù)據(jù)幀，下位機Arduino再通過APC220模塊的讀寫，判斷指令后執(zhí)行相應(yīng)操作。Lab-VIEW上位機面板設(shè)計如圖4所示。

圖3　Arduino控制器數(shù)據(jù)處理流程

圖4　Lab VIEW上位機面板設(shè)計

上位機軟件設(shè)計采用循環(huán)結(jié)構(gòu)，內(nèi)嵌事件采用了事件結(jié)構(gòu)進行選擇。事件結(jié)構(gòu)包括一個或多個子程序框圖或事件分支，結(jié)構(gòu)執(zhí)行時，僅有一個子程序框圖或分支在執(zhí)行，事件結(jié)構(gòu)可等待直至事件發(fā)生，并執(zhí)行相應(yīng)條件分支，處理該事件。以“測量距離”值改變事件為例，Lab VIEW上位機程序設(shè)計如圖5所示，該流程包含了上位機向串口VISA功能模塊［10］寫緩沖、接收來自下位機串口數(shù)據(jù)讀緩沖、距離數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換及溫度修正，最后送界面顯示等一系列操作。

5　測量誤差分析

系統(tǒng)搭建完成后通過實際測量來分析系統(tǒng)測量誤差。測試時用激光測距儀設(shè)定好距離值，測量時分別記錄室內(nèi)室外不同溫度環(huán)境下的實測值，為進一步分析誤差，測量時還分成了短距離和長距離兩組測試，分別記錄了21組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖5　“距離測量”值改變事件Lab VIEW程序設(shè)計

圖6 測距系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)記錄

圖6表明：①測距時誤差主要集中在短距離測量區(qū)域，其主要原因是受被測障礙物表面平整度對超聲波及環(huán)境噪聲反射產(chǎn)生偏差而引起；②在較大溫差環(huán)境下兩組測量數(shù)據(jù)基本吻合，這說明本系統(tǒng)Lab VIEW程序中溫度補償算法提高了測量精度；③本測距系統(tǒng)有效測量距離范圍為0.02～5 m。

結(jié) 語

本設(shè)計提出了將Arduino與虛擬儀器Lab VIEW聯(lián)機進行測距的方法，并在Lab VIEW上位機處理數(shù)據(jù)時加入了溫度補償算法，大大提高了測量精度，實驗表明，該測距系統(tǒng)在近距離測量時精度可達0.1 cm。下位機采集硬件用Arduino控制器替代了NI公司昂貴的采集卡，

High-precision Ultrasonic Ranging System Based on Arduino+LabVlEW

Zhu Zhiqiang，Zhang Xiaoyu，Wang Lintong，Yu Nan
（Jiangyin Polytechnic College，Jiangyin 214400，China）

According to the requirements of high-precision ranging remote site，the ranging method of wireless communication is proposed which is based on the open-source hardware Arduino and Lab VIEW.The lower computer transmits the temperature and distance data by the Arduino controller，the upper computer processes the received data using the temperature compensation algorithm to improve the measurement accuracy.The experiment results show that the measurement data can be accurately corrected at different temperatures，it improves the accuracy and has apply value.

virtual instrument；Arduino；ultrasonic ranging；temperature compensation

TP23

A