王美玉 许鹏 朱友华 申贺林
【摘要】本设计的无线超声波测距器,包括发射模块和接收模块。发射模块以STC89C52单片机为核心,控制超声波传感器发射和接收高频超声波,并根据持续时间计算距离;再通过传感器DS18B20获取环境温度来修正距离值,以提高精度;最后单片机通过NRF24L01发送该数据。接收模块以S3C2440A ARM处理器为核心,通过NRF24L01接收数据,处理并显示测量结果且具备数值存储与实时报警的功能。
【关键词】超声波;测距仪;STC89C52;ARM9
1.绪论
随着自动化技术和测距系统的不断发展,测温与测距电子化程度不断提高。传感器在现代信息技中,变得更加重要。比如光电传感器、压力传感器、超声波传感器、霍尔传感器等,其中超声波传感器在测距方面应用十分广泛。利用微处理器控制超声波测距不但迅速、快捷、测量误差小,并且抗干扰能力强。
超声测距系統可用来识别障碍物如汽车倒车雷达。同时超声测距系统还可以用来测量各种水文液位如潜艇声纳、油库以及水箱的表面和建筑施工工地等领域如管道长度的测量。此外在机械制造,电子冶金,宇航,石油化工,交通等工业领域超声测距系统也被广泛地应用。
2.系统的整体设计
本课题设计的电子测距仪测量范围在0.10~5.00m,测量精度1cm,且误差低于5%,具有无线传输、实时显示、声光报警提示、存储以及回显等功能。
本系统分为两个部分组成,一部分是以STC89C52单片机为核心的发射模块,另一部分是以S3C2440A ARM处理器为核心的接收模块。发射模块功能为超声波传感器发射高频超声波,超声波传感器收到回波,温度传感器测量温度,单片机根据温度计算距离,并通过NRF24L01发送数据。接收模块通过NRF24L01接收数据,ARM系统处理接收的数据,并在液晶屏幕上显示测量结果,并判断数据是否超出设定值,超出则报警。系统整体框图如图1所示。
图1 硬件系统整体框图
系统中使用的超声波测距模块型号为US-100,采用的是回波探测法,为一发一收双探头方式。模块在某方向上发射高频声波,同时开始计时,声波在介质中传输,传输过程中遇到阻拦物被反射回来,超声接收仪接收到反射波,将立即停止计时器[1]。超声波在空气中(20℃)的传播速度为340m/s,然后可以根据计时器记录的时间计算出发射点距障碍物的距离[2]。因为超声波传播的速度易受到空气中温度、湿度、压强等因素的影响,且其中温度的影响最大。一般温度每升高1℃,声速增加约为0.6m/s。因此需要通过温度补偿的方法加以校正。
3.系统的软件设计
本系统程序由发射部分和接收部分组成,发射部分要计算超声波测量的距离和处理温度传感器的温度值,然后通过NRF24L01发射,接收部分把接收来的数据显示到液晶屏上。图2为系统软件设计流程图。
图2 系统软件设计流程图
发射端软件流程图中启动超声波模块是指给US-100模块一个10ms以上的信号。并通过DS18B20模块读取温度,并用温度对速度进行校正。51单片机把计算好的距离通过NRF24L01模块发送出去[3]。接收端软件设计流程图中接收数据是指ARM9通过NRF24L01模块接收数据,通过LED和蜂鸣器以实现声光告警,判断按键以执行相应的操作。
4.系统的组装与功能的测试
整套系统包括发送部分和接收部分,其中发送部分用万用板搭建而成,而接收部分在FL2440开发板上直接用杜邦线连接无线模块来实现。系统实物图如图3所示,图中右侧为接收端部分,左侧部分为发送端。
图3 整套系统实物图
假定温度不变的情况下,以10CM为标准,进行10次距离测量。测量结果见表1所示。
表1 测量数据表
实际距离 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
由上表测试数据进行计算,可知10次平均值为10.02CM,平均值误差为0.2%,平均误差1.4%,低于工业要求的5%,符合设计要求。
当温度高于或距离大于(小于)指定值时,系统就点亮LED灯和开启蜂鸣器以进行声光告警。测试中,当测得距离为2.67m大于指定值(2m),此时开启蜂鸣器和点亮LED1进行告警[4]。当按下存储键时,会将温度值与距离值存放在缓存区。当按下显示键时,就将存储区的数据显示出来并支持自动翻页功能。
5.结论
经过多次现场测试与数据分析,其结果符合实际需求。系统采用软硬件相结合的方法来快速采集数据,实现了实时数据检测和数据处理(包括距离值的计算、存储、显示和报警),具备一定的可靠性和稳定性。加之采用无线传输方式,数据采集更加灵活,如对本系统的功能进一步完善,将具有良好的应用前景。
参考文献
[1]董迪晶.超声波液位传感器的开发[D].天津:天津大学,2008.
[2]周凯,赵望达,赵迪.高精度超声波测距系统[J].电子质量,2007,02:13-15.
[3]卢晶晶.基于单片机的测控系统的设计与实现[J].知识经济,2011,04:134-134.
[4]杨荣.基于SoC纺织物灰度系数测试仪的设计[J].咸宁学院学报,2007,27(6):28-32.
南通大学引进人才科研基金项目(编号:03080666);江苏省“六大人才高峰”高层次人才基金项目(编号:XCL-013)。
作者简介:王美玉(1973—),女,江苏南通人,实验师,研究方向:生物电子学等。