基于nRF24L01的超聲波無線測距系統(tǒng)

張雨露 中國地質(zhì)大學(北京)信息工程學院

基于nRF24L01的超聲波無線測距系統(tǒng)

張雨露 中國地質(zhì)大學(北京)信息工程學院

本文介紹基于nRF24L01的超聲波無線測距系統(tǒng)，通過nRF24L01無線傳輸模塊將采集端的距離數(shù)據(jù)實時發(fā)送給主機，實現(xiàn)遠距離的遙測。系統(tǒng)分為從機檢測部分和主機接收顯示報警部分。從機主要負責超聲波的數(shù)據(jù)測量和處理，通過nRF24L01無線模塊發(fā)送給主機。主機負責接收超聲波檢測的距離并在LCD液晶屏上顯示，報警距離的參數(shù)設(shè)置可通過按鍵完成。當測量距離小于設(shè)置距離時，蜂鳴器和發(fā)光二極管發(fā)出聲光報警。整體設(shè)計具有成本低、功耗低、傳輸速率高、軟件設(shè)計簡單以及通信穩(wěn)定可靠等特點。

nRF24L01 STC89C52 無線測距

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，而無線測距的研究正是如今科技發(fā)展的一個新方向，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到生活的方方面面。在一個無線電儀器上通過對準測量目標發(fā)射無線電信號，當信號碰到被測量物體時會發(fā)生反射，通過計算信號傳播延遲、頻率、相位差來達到測定兩點間直線距離的方法稱為無線測距。

超聲波波長短，繞射現(xiàn)象小，方向性好，穿透能力強，且碰到雜質(zhì)或分界面會有顯著的反射現(xiàn)象。這一特性被廣泛用于超聲波探傷、測厚、測距、遙控和超聲成像等技術(shù)。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而常被用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可通過超聲波來實現(xiàn)。但限于目前技術(shù)水平，人們可以具體利用的測距技術(shù)還十分有限。因此，這是一個正在蓬勃發(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，超聲波測距儀作為一種新型實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，未來的超聲波測距儀將與自動化、智能化接軌，與其他測距儀集成和融合，形成多功能測距儀以滿足日益發(fā)展的社會需求。

2 設(shè)計方案

本系統(tǒng)的設(shè)計采用了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STC89C52控制實現(xiàn)短距離無線數(shù)據(jù)通信。該接口設(shè)計具有成本低、功耗低、傳輸速率高、軟件設(shè)計簡單以及通信穩(wěn)定可靠等特點。

基于nRF24L01超聲波無線測距系統(tǒng)以單片機STC89C52為核心，由主機和從機部分組成。主機主要負責數(shù)據(jù)接收、處理、顯示以及報警，從機主要是距離數(shù)據(jù)的采集和傳輸。超聲波無線測距系統(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100m。nRF24L01具有自動重發(fā)、數(shù)據(jù)包識別及CRC校驗功能，增強型ShockBurstTM模式可同時控制應(yīng)答及重發(fā)功能而無需增加MCU的工作量。超聲波檢測的數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機分析和處理后，通過nRF24L01無線模塊發(fā)送給主機。主機接收到通過nRF24L01無線模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，經(jīng)過單片機處理后在LCD1602液晶屏上顯示。本設(shè)計中的報警距離通過主機的三個按鍵進行設(shè)置：參數(shù)設(shè)置鍵，參數(shù)加鍵，參數(shù)減鍵。長按按鍵可以實現(xiàn)連加和連減功能，更快的完成設(shè)置功能。當超聲波的檢測距離小于設(shè)置距離時，蜂鳴器和發(fā)光二極管發(fā)出聲光報警。

按照系統(tǒng)設(shè)計功能的要求，確定系統(tǒng)由6個模塊組成：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：

超聲波無線測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 特色與創(chuàng)新點

本設(shè)計基于nRF24l01芯片的超聲波測距儀，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，包括單片機系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、單片機復(fù)位電路、LED顯示電路。在智能控制方面，采用了單片機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)計中，既體現(xiàn)了單片機最小系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性，又實現(xiàn)功能多樣的智能控制。設(shè)計的最終結(jié)果是使超聲波測距儀能夠產(chǎn)生超聲波，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實現(xiàn)利用超聲波測量物體間的距離，并以數(shù)字的形式顯示測量距離。本系統(tǒng)不僅適用于距離的測量，還適用于水文液位測量和汽車間間距的測量，應(yīng)用范圍較廣。

本文所設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、抗干擾性能好，由于采用了單片機技術(shù)為主導的智能化管理，可實現(xiàn)對電表的動態(tài)監(jiān)控，運行穩(wěn)定可靠，靈敏度高，具有非常高的市場應(yīng)用價值。在某些特殊場合的應(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。

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