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LabVIEW控制Arduino实现超声波测距（进阶篇—5）

2022-06-11 21:11:00 【InfoQ】

1、项目概述

超声波测距是一种传统而实用的非接触测量方法，与激光、涡流和无线电测距方法相比，具有不受外界光及电磁场等因素影响的优点，在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，且结构简单、成本低，因此在工业控制、建筑测量、机器人定位方面有广泛的应用。

本节将介绍使用HC-SR04超声波传感器、DS18B20数字温度传感器、ArduinoUno和LabVIEW组成带有温度补偿的超声波测距系统，可用于机器人避障等场合的距离测量。

超声波测距的原理：从超声波发射器发出的超声波（假设传播介质为气体），经气体介质的传播，遇到障碍物之后反射的超声波被超声波接收器所接收。将超声波发射与接收之间的时间与气体介质中的声速相乘，就是声波传输的距离，声波传输距离的一半便是所测距离。

拓展学习：

LabVIEW控制Arduino采集多路DS18B20温度数值（进阶篇—3）

2、项目架构

超声波测距系统总体框图如下图所示：

在整个系统中，Arduino Uno作为下位机，负责读写HC-SR04超声波传感器、读取DS18B20温度传感器以及上传数据，LabVIEW软件作为上位机，负责接收超声波时间、空气温度和计算超声波所测量的距离值并显示，上下位机利用USB-TTL接口实现通信。

项目详情请参见：

LabVIEW控制Arduino实现超声波测距-单片机文档类资源

3、硬件环境

本项目将HC-SR04超声波模块的VCC、GND、Trig、Echo分别连接到ACCrduinoUno控制板的+5V、GND、数字端口D2和D3上。然后，将DS18B20温度传感器VCC、GND、DQ分别连接至Arduino Uno控制板的3.3V、GND和数字端口D4上，且在DQ与3.3V之间连接一个1KΩ的上拉电阻。超声波测距系统硬件连接示意图如下图所示：

4、Arduino功能设计 

在基于Arduino与LabVIEW的上下位机超声波测距系统中，Arduino Uno控制板需要完成以下功能:接收和判断命令、采集和传输温度与超声波往返时间。Arduino Uno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，读取DS18B20数字温度传感器，将气温数据上传给LabVIEW软件或控制超声波传感器发射超声波，并测量出超声波往返的时间，将超声波往返的时间上传至LabVIEW软件。

Arduino Uno控制器负责读取LabVIEW上位机发来的距离测量和温度采集命令，并通过HC-SR04超声波传感器和DS18B20传感器获取超声波往返时间和温度数据，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：

#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>

 
 
// Data wire is plugged into port 2 on the Arduino
#define ONE_WIRE_BUS 2

 

// Setup a oneWire instance to communicate with any OneWire devices (not just Maxim/Dallas temperature ICs)
OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);

// Pass our oneWire reference to Dallas Temperature. 
DallasTemperature sensors(&oneWire);
byte comdata[3]={0}; //定义数组数据，存放串口命令数据

int LED = 13; //定义LED连接的管脚
const int TrigPin = 2;
const int EchoPin = 3;
float distance;

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


void setup()
{
 Serial.begin(9600); 
 pinMode(LED, OUTPUT);
 // Start up the library
 sensors.begin();
 
}
 
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数据
 }
}
void distance_time(void)
{
 digitalWrite(TrigPin, LOW);
 delayMicroseconds(2);
 digitalWrite(TrigPin, HIGH);//发送10μS的高电平触发信号
 delayMicroseconds(10);
 digitalWrite(TrigPin, LOW);
 distance = pulseIn(EchoPin, HIGH); // 检测脉冲宽度，即为超声波往返时间
}

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)
 {
 switch (comdata[2])
 {
 case 0x01: 
 sensors.requestTemperatures(); // Send the command to get temperatures
 Serial.print(sensors.getTempCByIndex(0)); 
 break;
 case 0x02: 
 distance_time();
 Serial.print(distance) ; 
 break ;
 }
 }
 }
}