張雨露 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)信息工程學(xué)院

基于nRF24L01的超聲波無線測(cè)距系統(tǒng)

張雨露 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)信息工程學(xué)院

本文介紹基于nRF24L01的超聲波無線測(cè)距系統(tǒng)，通過nRF24L01無線傳輸模塊將采集端的距離數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給主機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的遙測(cè)。系統(tǒng)分為從機(jī)檢測(cè)部分和主機(jī)接收顯示報(bào)警部分。從機(jī)主要負(fù)責(zé)超聲波的數(shù)據(jù)測(cè)量和處理，通過nRF24L01無線模塊發(fā)送給主機(jī)。主機(jī)負(fù)責(zé)接收超聲波檢測(cè)的距離并在LCD液晶屏上顯示，報(bào)警距離的參數(shù)設(shè)置可通過按鍵完成。當(dāng)測(cè)量距離小于設(shè)置距離時(shí)，蜂鳴器和發(fā)光二極管發(fā)出聲光報(bào)警。整體設(shè)計(jì)具有成本低、功耗低、傳輸速率高、軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單以及通信穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。

nRF24L01 STC89C52 無線測(cè)距

1 背景和現(xiàn)狀

隨著科技的迅速發(fā)展，無線電的應(yīng)用越來越白熱化，而無線測(cè)距的研究正是如今科技發(fā)展的一個(gè)新方向，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到生活的方方面面。在一個(gè)無線電儀器上通過對(duì)準(zhǔn)測(cè)量目標(biāo)發(fā)射無線電信號(hào)，當(dāng)信號(hào)碰到被測(cè)量物體時(shí)會(huì)發(fā)生反射，通過計(jì)算信號(hào)傳播延遲、頻率、相位差來達(dá)到測(cè)定兩點(diǎn)間直線距離的方法稱為無線測(cè)距。

超聲波波長(zhǎng)短，繞射現(xiàn)象小，方向性好，穿透能力強(qiáng)，且碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)有顯著的反射現(xiàn)象。這一特性被廣泛用于超聲波探傷、測(cè)厚、測(cè)距、遙控和超聲成像等技術(shù)。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而常被用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。但限于目前技術(shù)水平，人們可以具體利用的測(cè)距技術(shù)還十分有限。因此，這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又具有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來，超聲波測(cè)距儀作為一種新型實(shí)用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展。毋庸置疑，未來的超聲波測(cè)距儀將與自動(dòng)化、智能化接軌，與其他測(cè)距儀集成和融合，形成多功能測(cè)距儀以滿足日益發(fā)展的社會(huì)需求。

2 設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了Nordic公司推出的工作于2.4GHz頻段nRF24L01射頻芯片，并有低功耗單片機(jī)STC89C52控制實(shí)現(xiàn)短距離無線數(shù)據(jù)通信。該接口設(shè)計(jì)具有成本低、功耗低、傳輸速率高、軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單以及通信穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。

基于nRF24L01超聲波無線測(cè)距系統(tǒng)以單片機(jī)STC89C52為核心，由主機(jī)和從機(jī)部分組成。主機(jī)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收、處理、顯示以及報(bào)警，從機(jī)主要是距離數(shù)據(jù)的采集和傳輸。超聲波無線測(cè)距系統(tǒng)以nRF24L01芯片作為無線距離的數(shù)據(jù)傳輸、收發(fā)模塊，發(fā)射與接收電路傳輸距離可達(dá)100m。nRF24L01具有自動(dòng)重發(fā)、數(shù)據(jù)包識(shí)別及CRC校驗(yàn)功能，增強(qiáng)型ShockBurstTM模式可同時(shí)控制應(yīng)答及重發(fā)功能而無需增加MCU的工作量。超聲波檢測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)分析和處理后，通過nRF24L01無線模塊發(fā)送給主機(jī)。主機(jī)接收到通過nRF24L01無線模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，經(jīng)過單片機(jī)處理后在LCD1602液晶屏上顯示。本設(shè)計(jì)中的報(bào)警距離通過主機(jī)的三個(gè)按鍵進(jìn)行設(shè)置：參數(shù)設(shè)置鍵，參數(shù)加鍵，參數(shù)減鍵。長(zhǎng)按按鍵可以實(shí)現(xiàn)連加和連減功能，更快的完成設(shè)置功能。當(dāng)超聲波的檢測(cè)距離小于設(shè)置距離時(shí)，蜂鳴器和發(fā)光二極管發(fā)出聲光報(bào)警。

按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能的要求，確定系統(tǒng)由6個(gè)模塊組成：主控制器、按鍵電路、發(fā)送電路、無線接收電路、LCD1602液晶顯示電路、聲光報(bào)警和電源電路。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖所示：

超聲波無線測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 特色與創(chuàng)新點(diǎn)

本設(shè)計(jì)基于nRF24l01芯片的超聲波測(cè)距儀，由超聲波處理模塊HC-SR04組成的超聲波發(fā)射電路、數(shù)碼管等器件組成，包括單片機(jī)系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、單片機(jī)復(fù)位電路、LED顯示電路。在智能控制方面，采用了單片機(jī)STC89C52作為系統(tǒng)控制核心，最大限度的將其具備的資源應(yīng)用到設(shè)計(jì)中，既體現(xiàn)了單片機(jī)最小系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性，又實(shí)現(xiàn)功能多樣的智能控制。設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是使超聲波測(cè)距儀能夠產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實(shí)現(xiàn)利用超聲波測(cè)量物體間的距離，并以數(shù)字的形式顯示測(cè)量距離。本系統(tǒng)不僅適用于距離的測(cè)量，還適用于水文液位測(cè)量和汽車間間距的測(cè)量，應(yīng)用范圍較廣。

本文所設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、抗干擾性能好，由于采用了單片機(jī)技術(shù)為主導(dǎo)的智能化管理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電表的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，靈敏度高，具有非常高的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。在某些特殊場(chǎng)合的應(yīng)用中，可通過考慮超聲波的入射角、反射角以及超聲波傳播介質(zhì)的密度、表面光滑度等因素以滿足更高的精度要求。

[1]北京教育科學(xué)研究院.無線電技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：人民郵電出版社，2005

[2]李艷紅,李海華.傳感器原理及其應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2010

[3]傅揚(yáng)烈.單片機(jī)原理與應(yīng)用教程[M].北京：電子工業(yè)出版社,2002

[4]吉雷,章優(yōu)仕,齊永龍.Protel99電子電路設(shè)計(jì)[M]成都:電子科技大學(xué)出版社,2000