基於nRF24L01+與Arduino的超聲波測距系統設計

距離是描述建築物平面結構的重要內容，建築物尺寸的傳統測量手段都需要人員藉助工具現地進行，但面對比較危險的建築物時，傳統的測量手段勢必增加人員的傷亡機率。隨著科學技術的發展，測距技術和無線傳輸技術日趨成熟，無人距離測量在特殊領域中將得到廣泛應用。利用超聲波測距成本低、精度高、速度快等技術特點，結合單片機、無線通信技術可對建築物內部平面尺寸進行測量，並將數據無線傳至終端設備實時顯示。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201610/308661.htm

1 系統結構

超聲波測距系統由發射端和接收端兩部分組成。發射端由Arduino開發板、無線射頻發射模塊、天線、超聲波模塊及電源模塊組成。接收端由Arduino開發板、無線射頻接收模塊、天線和終端設備等組成。

在系統發射端，超聲波模塊HC—SR04對距離信號進行實時採集，在Arduino的控制下通過無線射頻發射模塊將距離數位訊號發送至接收端;在系統接收端，在Arduino開發板的作用下，通過無線射頻接收模塊接收發射端發送過來的距離數位訊號，通過串口通信模塊與PC機進行通信，在PC機中利用軟體讀取數據並繪製曲線。

2 系統硬體電路設計

2.1 Arduino控制板

本系統中所採用的Arduino UNO是一塊採用USB接口的核心電路板，處理器核心是ATmega328，包括14個數字輸入輸出IO(其中6個可提供PWM輸出)，6個模擬輸入IO，一個16 MHz晶體振蕩器，一個USB口(便於在線進行程序調試)，一個電源插座和一個復位按鍵。

2.2 測距傳感器

HC—SR04超聲波測距模塊可提供2～400 cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達到3 mm，模塊包括超聲波發射器、接收器和控制電路。模塊採用IO口TRIG觸發測距，給至少10μs的高電平信號，之後模塊自動發送8個40 kHz的方波，自動檢測是否有信號返回，如有信號返回.通過IO口ECH0輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間。

2.3 nRF24L01+無線傳輸模塊

nRF24L01是一款新型單片射頻收發一體器件，工作於2.4～2.5 GHz ISM頻段。其內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調製器、低噪聲放大器等功能模塊，並融合了增強型ShocKBurst技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。nRF24L01具有極低的電流消耗，當工作在發射模式下發射功率為0 dBm時電流消耗為11.3 mA，接收模式時為13.5 mA，掉電模式和待機模式下電流消耗更低。本文採用nRF24L01+模塊，在原模塊的基礎上增加了PA和LNA。在發射端通過PA電路將nRF24L01的輸出功率放大，同時在接收端通過LNA電路增加接收信號的強度。

2.4 SPI連接

Arduino與nRF24L01+無線收發模塊之間利用同步串口SPI進行通信。nRF24L01+的SPI總線有GND(接地)、VCC(1.9～3.6 V電源)、CE(使能發射或接收)、CSN(片選信號)、SCK(時鐘信號)、MOSI(數據輸入)、MISO(數據輸出)、IRQ(中斷標誌位)。Arduino與nRF24L01+的連接圖如圖1所示。

2.5 實驗電路連接圖

發射端(HC—SR04、nRF24L01+和Arduino連接)和接收端(nRF24L01+和Arduino連接)實驗電路連接如圖2所示。

3 系統的軟體設計

3.1 無線發送模式流程

對nRF24L01+的相關寄存器進行配置，設置為增強型ShockBurstTM發送模式，通信速率為1 Mbit/s，晶振16 MHz，發射功率設置為0 dBm，MCU通過MOSI寫入數據，通過MISO讀出數據，設置通過nRF24L01+的數據輸入，保存到TX FIFO寄存器中，開始發送數據。在數據發送之後，讀取狀態寄存器的值並做出判斷，確定是否接收到應答信號，判斷自動重發次數是否達到最大值(10次)。如果在設定的應答時間內接收到應答信號，則認為數據成功發送到了接收端。如果在設定的時間範圍內沒有接收到應答信號，則重新發送數據，並且自動重發計數器自動加1。若自動重發次數達到最大值，則表明數據沒有發送成功，需要清除MAX_RT位讓數據繼續重發。發送程序流程圖如3所示。

發射程序中的主要函數如下：

void TX_Mode (void) //初始化nRF24L01+設備進入發送模式

void Send_Data(int a) //發射數據「a」

unsigned char SPI_Read_Buf(unsigned char reg，unsigned

char*pBuf，unsigned char bytes) //從寄存器「reg」讀無符號字符型變量

3.2 無線接收模式流程

設置nRF24L01+為接收模式，與發射端相同的CRC配置、地址寬度、頻道和傳輸速率，拉高CE啟動接收，通過讀取狀態寄存器的值判斷是否有數據接收，若有數據，接收端通過自身通道地址與接收到的數據包中的地址進行匹配，若相同就接收該數據，若不同就放棄該數據，繼續等待接收。接收程序流程圖如圖4所示。

接收程序中的主要函數如下：

void RX_Mode (void) //初始化nRF24L01+設備進入接收模式

void Recive Data() //接收數據

unsigned char SPI_Write_Buf(unsigned char reg，unsigned

char*pBuf，unsigned char bytes) //將nRF24L01+的內容寫入緩衝區「*PBUF」

4 實驗結果

按照本方案設計的超聲波測距系統(實物如圖5所示)經過建築物現地測試，測量最大寬度8 m，最大高度4 m，超聲波模塊工作穩定，無線傳輸模塊傳輸距離符合要求，完全可以達到實際應用的目的。由於該系統目前還是初具功能的試驗品，測距平臺上功能模塊不夠豐富，應搭配更多的傳感器模塊，提升系統功能。

5 結束語

本文著重介紹了基於nRF24L01+與Arduino的超聲波測距系統的設計，通過較低的成本實現了超聲波測距、數據無線傳輸、PC機實時接收顯示並繪製曲線等功能，可搭載不同的移動平臺，完成建築物測距任務，具有一定的實用價值。