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LabVIEW控制Arduino实现红外测距（进阶篇—6）

2022-06-11 21:23:00 【InfoQ】

1、项目概述

红外测距是一种非直接接触的测量方式，由于其结构简单、抗干扰性强、成本低等优点，在测量测绘上得到广泛的运用。

红外线在通过云雾等充满悬浮离子的物质时不易发生散射，有较强的穿透能力，还具有抗干扰能力强、易于产生、对环境影响小、不会干扰临近的无线电设备的特点，同时，红外光具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，因而被广泛应用。

本篇博文将介绍使用夏普公司的GP2D12红外传感器、Arduino Uno和LabVIEW组成红外测距系统，可用于机器人避障等场合的距离测量。

2、项目架构

红外测距系统框图如下图所示：

在整个系统中，Arduino Uno作为下位机，负责读取GP2D12红外传感器的输出值以及上传数据，LabVIEW软件作为上位机，负责将测量的电压转换为距离值并显示出来，上下位机利用USB-TTL接口实现通信。

项目资源请参见：

LabVIEW控制Arduino实现红外测距-单片机文档类资源

3、硬件环境

将GP2D12红外传感器的VCC、GND、Vo分别接至Arduino Uno控制板上的+5V、GND、模拟端口A0。最好在VCC与GND之间并联100uF的电解电容，以稳定GP2D12的供电电压，从而使输出电压更加稳定。红外测距系统硬件连接如下图所示：

4、Arduino功能设计

在基于Arduino与LabVIEW的上下位机红外测距系统中，Arduino Uno控制板需要完成以下功能:接收和判断命令、采集和传输GP2D12传感器输出的电压。ArduinoUno控制板通过串口接收上位机发来的命令，分析得到有效命令，多次采集GP2D12传感器的电压输出值，并将GP2D12电压输出的平均值上传至LabVIEW软件。

Arduino Uno控制器负责读取LabVIEW上位机发来的距离测量命令，并通过GP2D12红外传感器获取距离数据，通过串口发送回上位机LabVIEW软件。Arduino Uno控制器的程序代码如下所示：

#define Infrared_COMMAND 0x10 //采集命令字

byte comdata[3]={0}; //定义数组数据，存放串口接收数据
 
void receive_data(void); //接受串口数据
void test_do_data(void); //测试串口数据是否正确，并更新数据

float SensorSum = 0; 
int SensorPin = A0; // select the input pin for the potentiometer

void setup()
{
 Serial.begin(9600); 

}
void loop()
{
 while (Serial.available() > 0) //不断检测串口是否有数据
 {
 receive_data(); //接受串口数据
 test_do_data(); //测试数据是否正确并更新标志位
 }
}
void receive_data(void) 
{
 int i ;
 for(i=0;i<3;i++)
 {
 comdata[i] =Serial.read();
 //延时一会，让串口缓存准备好下一个字节，不延时可能会导致数据丢失，
 delay(2);
 }
}
 
void test_do_data(void)
{
 if(comdata[0] == 0x55) //0x55和0xAA均为判断是否为有效命令
 {
 if(comdata[1] == 0xAA)
 {
 if(comdata[2] == Infrared_COMMAND)
 { 
 for (int i = 0; i < 10; i++){
 SensorSum += analogRead(SensorPin); 
 delay(5);
 }
 Serial.println(SensorSum*5.00/1023/10,2);
 SensorSum=0;
 }
 }
 }
}

5、LabVIEW功能设计

LabVIEW上位机部分需要完成以下功能：

1、向下位机Arduino控制器发送红外数据采集命令，Arduino控制器通过串口接收上位机命令，完成红外数据采集之后并将采集的红外数据回传，LabVIEW软件将回传的红外数据转换为距离值并显示在前面板上。

2、通过红外传感器的电压与距离特性关系，拟合出电压与测量距离的拟合曲线，用于将电压更好地转换为测量距离值，而且由于LabVIEW的运算能力远远强于Arduino控制器的计算能力，将电压与距离的换算放在LabVIEW软件可以提高测量精度，并可以扩展其他的红外测距传感器，只需要其电压与距离的数值关系。

5.1、前面板设计

LabVIEW上位机前面板分为拟合和测量两个部分，拟合部分提供8个电压-距离的拟合点，以通过广义多项式拟合出最佳的曲线方程，提高系统的测量精度;测量部分提供多次测量显示，并通过多次测量计算平均值，以尽可能准确地获取距离数据。红外测距系统的LabVIEW上位机前面板，如下图所示：

5.2、程序框图设计

为了LabVIEW上位机程序结构更加清晰明了，更方便地进行程序设计，此处将LabVIEW与Arduino串口通信的LabVIEW上位机部分设计成测量子程序，在主程序中进行调用，其主要是向Arduino Uno控制器发送命令码，并获取Arduino Uno控制器返回的测量数据，实现测量功能。

测量子程序的前面板和程序框图，如下图所示：

LabVIEW上位机主程序的结构为顺序结构+While循环+事件结构。首先，在顺序结构中的第一帧中，对所使用的数组、中间变量和显示控件进行初始化，在顺序结构的第2帧中，通过设置的串口号来初始化串口通信。然后，程序进入While循环和事件结构，不断地检测是否有事件得到响应并执行，事件结构有“测距_测量”、“测距_计算平均值”、和"曲线拟合”。最后，关闭串口通信。初始化程序框图如下图所示：