CN109814107A - 一种基于开源硬件和虚拟仪器的远程超声波测距系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于开源硬件和虚拟仪器的远程超声波测距系统，包括：下位机系统和上位机系统两部分；通过无线通信方式连接；所述下位机系统包括：电源模块、微控制器模块、温度传感器模块、超声波传感器模块和无线串口模块；本发明采用性价比极高的开源硬件Arduino UNO作为虚拟仪器LabVIEW的下位机采集设备，整套系统具有结构简单、低成本、易维护的特点；减少了硬件开销和硬件电磁干扰，有力的提高了系统测量精度；可靠的实现了被测数据的远程传输与处理；本发明上位机系统的人机界面友好，环境温度与测量距离值采用表盘指针式显示和数字文本显示两种方式，布局合理，清晰易读。
Description
技术领域
本发明涉及超声波测距技术领域，特别是一种基于开源硬件和虚拟仪器的远程超声波测距系统。
背景技术
超声波是频率大于20KHz的声波，声能集中，传播的方向性好，可用于焊接、测速、测距等，在医疗、军工、工农业上应用广泛。由于超声波有很好的指向性，在介质中传播能量消耗较慢，因此，超声波常用于测量距离；
传统的超声波测距系统只是在本地由人工读取数据，人工进行数据测量时易产生误差影响测量精度，此外本地单机测量时不能将测量的数据进行远距离、实时传输，故无法实现远程、实时监控；
考虑到温度对超声波传输速度的影响，现有技术中，超声波测距系统大多采用硬件电路对其进行温度主动补偿，此举虽然克服了温度对传输速度的影响，但却增加了超声波测距系统的整体开销，且硬件温度补偿电路在维护以及后期升级时，存在更换元器件的不便；
现有技术中，传统LabVIEW虚拟仪器测量系统的采集端多为NI公司的采集卡，其价格非常昂贵，此举也在一定范围内制约了虚拟仪器在小型测量系统中的普及应用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于开源硬件和虚拟仪器的远程超声波测距系统，该系统基于开源硬件Arduino和虚拟仪器LabVIEW的远程超声波测距系统，价格低廉，维护方便，且开源的Arduino下位机根据接收的指令帧提取测量命令后，分别测量环境温度和超声波往返时间值，再经无线串口发送至上位机LabVIEW，LabVIEW后台根据环境温度及测量的往返时间对距离值进行实时修正并在人机界面可靠显示，从而实现了快速稳定的实时、远程数据传递；
为实现上述目的，本发明提供一种基于开源硬件和虚拟仪器的远程超声波测距系统，包括：
下位机系统和上位机系统两部分；所述上位机系统和下位机系统通过无线通信方式连接；
进一步的，所述下位机系统包括：电源模块、微控制器模块、温度传感器模块、超声波传感器模块和无线串口模块；所述电源模块与所述微控制器模块的一端电连接，所述微控制器模块的另一端与所述无线串口模块电连接，所述微控制器模块的又一端分别与所述超声波传感器模块和温度传感器模块电连接；
所述电源模块：可提供稳定、纯净的直流电压，用于对所述微控制器模块的供电；
作为一种优选举例说明，所述电源模块采用可重复充电的12V蓄电池，并配装9V稳压模块；
所述微控制器模块：用于接收所述上位机系统指令，并实时测量环境温度和超声波往返时间数据，并将数据经串口发送；
作为一种优选举例说明，所述微控制器模块采用开源硬件Arduino UNO；
所述温度传感器模块：用于实时采集环境温度；
作为一种应用举例说明，所述温度传感器模块采用数字温度传感器模块；
作为一种优选举例说明，所述数字温度传感器模块采用单总线数字温度传感器DS18B20；
所述超声波传感器模块具备发射端和接收端，当超声波传感器模块被触发启动后，所述发射端自动发送超声信号，所述接收端自动检测遇障碍物后返回的信号，并在ECHO引脚输出与超声波往返时间相等的持续高电平脉冲信号；
作为一种优选举例说明，所述超声波传感器模块采用HC-SR04超声波测距模块；
所述无线串口模块：用于将测量后的温度及超声波往返时间数据，经循环交织纠检错编码后，进行无线远程传输，传输至所述上位机系统的串口，所述无线串口模块还用于接收来自上位机的测量命令；
作为一种优选举例说明，所述无线串口模块采用APC220无线传输模块；
进一步的，所述上位机系统采用虚拟仪器开发，用于向下位机发送采集命令，并能根据回传的温度及超声波往返时间值，计算得出对测定距离进行温度补偿的修定，并在上位机界面显示实测的温度和距离值；包括：无线串口单元和虚拟仪器LabVIEW，所述无线串口单元与所述虚拟仪器LabVIEW电连接；
作为一种优选举例说明，所述上位机系统的显示及通信控制采用虚拟仪器LabVIEW完成；
本发明的有益效果：
1、本发明采用性价比极高的开源硬件Arduino UNO作为虚拟仪器LabVIEW的下位机采集设备，整套系统具有结构简单、低成本、易维护的特点；
2、本发明采用上位机软件算法对由环境温度变化造成的测距误差进行温度补偿，减少了硬件开销和硬件电磁干扰，有力的提高了系统测量精度；
3、本发明采用抗突发干扰能力强，灵敏度高的无线传输模块APC220进行上位机与下位机的通信，并且在传输数据时，双方约定了数据帧格式，可靠的实现了被测数据的远程传输与处理；
4、本发明上位机系统的人机界面友好，环境温度与测量距离值采用表盘指针式显示和数字文本显示两种方式，布局合理，清晰易读。
附图说明
图1是本发明一种基于开源硬件和虚拟仪器的远程超声波测距系统之结构示意图
图2是本发明一种基于开源硬件和虚拟仪器的远程超声波测距系统之下位机系统数据采集硬件连接示意图
图3是本发明一种基于开源硬件和虚拟仪器的远程超声波测距系统之下位机系统的电源电路示意图
图4是本发明一种基于开源硬件和虚拟仪器的远程超声波测距系统之下位机系统微控制器模块的处理流程示意图
图5是本发明一种基于开源硬件和虚拟仪器的远程超声波测距系统之上位机系统LabVIEW前面板人机界面示意图
图6是本发明一种基于开源硬件和虚拟仪器的远程超声波测距系统之上位机系统LabVIEW“测量温度”原理示意图
图7是本发明一种基于开源硬件和虚拟仪器的远程超声波测距系统之上位机系统LabVIEW“测量距离”原理示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
参照图1至图7所示，本发明优选实施例提供一种基于开源硬件和虚拟仪器的远程超声波测距系统，包括：下位机系统和上位机系统两部分；所述上位机系统和下位机系统通过无线通信方式连接；
进一步的，所述下位机系统包括：电源模块101、微控制器模块102、温度传感器模块103、超声波传感器模块104和无线串口模块105；所述电源模块101与所述微控制器模块102的一端电连接，所述微控制器模块102的另一端与所述无线串口模块105电连接，所述微控制器模块102的又一端分别与所述超声波传感器模块104和温度传感器模块103电连接；
所述电源模块101：可提供稳定、纯净的直流电压，用于对所述微控制器模块102的供电；
作为一种优选举例说明，所述电源模块101采用可重复充电的12V蓄电池，并配装9V稳压模块；
所述微控制器模块102：用于接收所述上位机系统指令，并实时测量环境温度和超声波往返时间数据，并将数据经串口发送；
作为一种优选举例说明，所述微控制器模块102采用开源硬件Arduino UNO；
所述温度传感器模块103：用于实时采集环境温度；
作为一种应用举例说明，所述温度传感器模块103采用数字温度传感器模块；
作为一种优选举例说明，所述数字温度传感器模块采用单总线数字温度传感器DS18B20；
所述超声波传感器模块104具备发射端和接收端，当超声波传感器模块104被触发启动后，所述发射端自动发送超声信号，所述接收端自动检测遇障碍物后返回的信号，并在ECHO引脚输出与超声波往返时间相等的持续高电平脉冲信号；
作为一种优选举例说明，所述超声波传感器模块104采用HC-SR04超声波测距模块；
所述无线串口模块105：用于将测量后的温度及超声波往返时间数据，经循环交织纠检错编码后，进行无线远程传输，传输至所述上位机系统的串口，所述无线串口模块105还用于接收来自上位机的测量命令；
作为一种优选举例说明，所述无线串口模块105采用APC220无线传输模块；
进一步的，所述上位机系统采用虚拟仪器开发，用于向下位机发送采集命令，并能根据回传的温度及超声波往返时间值，计算得出对测定距离进行温度补偿的修定，并在上位机界面显示实测的温度和距离值；包括：无线串口单元106和虚拟仪器LabVIEW107，所述无线串口单元106与所述虚拟仪器LabVIEW107电连接；
作为一种优选举例说明，所述上位机系统的显示及通信控制采用虚拟仪器LabVIEW107完成；
为了更好的说明本发明的设计原理，现分别结合附图，详细说明，该发明的工作步骤如下：
步骤一、参照图1所示，所述上位机系统与下位机系统经无线串口传输模块105和无线串口单元106进行远程通信；
步骤二、参照图2所示，微控制器模块102(以下简称Arduino)含数字I/O口D0～D13脚，模拟输入口A0～A5脚，板载电源接口提供5V、3.3V输出，外接电源使用DC9V直流电源供电；超声波传感模块104采用HC-SR04传感器，HC-SR04引脚1为VCC脚，接Arduino微控制器的电源口5V引脚，HC-SR04引脚2为Trig脚，接Arduino微控制器数字I/O口的2脚，HC-SR04引脚3为Echo脚，接Arduino微控制器数字I/O口的3脚，HC-SR04引脚4为GND脚，接Arduino微控制器的电源口GND引脚；温度检测模块103采用DS18B20数字温度传感器，DS18B20的1脚为GND脚，接Arduino微控制器的电源口GND引脚，DS18B20的2脚为DQ脚，经4.7K电阻上拉后接Arduino微控制器的数字I/O口的4脚，DS18B20的3脚为电源脚，接Arduino微控制器的电源口3.3V引脚；无线串口模块105采用APC220模块，下位机系统端与Arduino连接方式为，APC220的VCC脚接Arduino电源口的5V引脚，APC220的GND脚接Arduino的电源口GND引脚，APC220的RXD引脚接Arduino的TXD引脚，APC220的XD引脚接Arduino的XD引脚，上位机系统端APC220须经USB-TTL转换器与PC端USB口相连；
步骤三、如图3所示，为保障下位机系统稳定供电，采用三端稳压器LM7809与12V可充电蓄电池配合为Arrduino提供9V外接电源，LM7809的2脚和3脚各接一个0.33uF滤波电容以提供更纯净的直流电源；
步骤四、如图4所示，下位机Arduino对各个传感器及外围模块进行初始化后，读取LabVIEW上位机系统发来的指令，接收到串口数据并确认无误后，判断指令是测量温度还是测量距离，并通过串口将对应的测量值返送回上位机系统；
步骤五、如图5所示，上位机系统(以下简称LabVIEW)设计分为前面板设计和程序框图设计，LabVIEW前面板设计包括系统名称、当前温度值和测量距离值，测量值显示采用表盘指针和文本同时显示样式；
步骤六、如图6所示，LabVIEW程序设定好串口号后，进入内嵌事件结构的while循环，当测量温度时，向Arduino发送温度测量指令码，等待1秒后从串口读取当前温度值并显示；当测量距离时，向Arduino发送距离测量指令码，等待1秒后从串口读取往返的超声波时间，再根据温度与超声波速度函数u＝331.3+(0.606×T)，对当前距离值进行温度补偿后并显示与面板上，该表达式中，T为当前环境温度(℃)，u为当前环境下的声速(m/s)；
步骤七、为提高无线串口通信的高效及抗干扰性，LabVIEW基于事件结构设计，将不同事件改变而发送给下位机的指令前添加两个字节的协议字段0x55、0xAA，再与实际测量指令封装成长度为三个字节的数据帧；当Arduino接收到串口数据并确认包含0x55、0xAA字段后，表示该接收数据有效，再去掉这两个字节的命令帧头，根据第三个字节测温0x10和测距0x11不同指令向LabVIEW发送对应的测量值；
本发明采用性价比极高的开源硬件Arduino UNO作为虚拟仪器LabVIEW的下位机采集设备，整套系统具有结构简单、低成本、易维护的特点；采用上位机软件算法对由环境温度变化造成的测距误差进行温度补偿，减少了硬件开销和硬件电磁干扰，有力的提高了系统测量精度；采用抗突发干扰能力强，灵敏度高的无线传输模块APC220进行上位机与下位机的通信，并且在传输数据时，双方约定了数据帧格式，可靠的实现了被测数据的远程传输与处理；本发明上位机系统的人机界面友好，环境温度与测量距离值采用表盘指针式显示和数字文本显示两种方式，布局合理，清晰易读。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所应理解的是，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的思想和原则之内所做的任何修改、等同替换等等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于开源硬件和虚拟仪器的远程超声波测距系统，其特征在于，包括：下位机系统和上位机系统两部分；所述上位机系统和下位机系统通过无线通信方式连接；
所述下位机系统包括：电源模块、微控制器模块、温度传感器模块、超声波传感器模块和无线串口模块；所述电源模块与所述微控制器模块的一端电连接，所述微控制器模块的另一端与所述无线串口模块电连接，所述微控制器模块的又一端分别与所述超声波传感器模块和温度传感器模块电连接；
所述电源模块：可提供稳定、纯净的直流电压，用于对所述微控制器模块的供电；所述微控制器模块：用于接收所述上位机系统指令，并实时测量环境温度和超声波往返时间数据，并将数据经串口发送；所述温度传感器模块：用于实时采集环境温度；所述超声波传感器模块具备发射端和接收端，当超声波传感器模块被触发启动后，所述发射端自动发送超声信号，所述接收端自动检测遇障碍物后返回的信号，并在ECHO引脚输出与超声波往返时间相等的持续高电平脉冲信号；所述无线串口模块：用于将测量后的温度及超声波往返时间数据，经循环交织纠检错编码后，进行无线远程传输，传输至所述上位机系统的串口，所述无线串口模块还用于接收来自上位机的测量命令；
所述上位机系统采用虚拟仪器开发，用于向下位机发送采集命令，并能根据回传的温度及超声波往返时间值，计算得出对测定距离进行温度补偿的修定，并在上位机界面显示实测的温度和距离值；包括：无线串口单元和虚拟仪器LabVIEW，所述无线串口单元与所述虚拟仪器LabVIEW电连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于开源硬件和虚拟仪器的远程超声波测距系统，其特征在于，所述电源模块采用可重复充电的12V蓄电池，并配装9V稳压模块。
3.根据权利要求2所述的一种基于开源硬件和虚拟仪器的远程超声波测距系统，其特征在于，所述微控制器模块采用开源硬件Arduino UNO。
4.根据权利要求3所述的一种基于开源硬件和虚拟仪器的远程超声波测距系统，其特征在于，所述温度传感器模块采用数字温度传感器模块。
5.根据权利要求4所述的一种基于开源硬件和虚拟仪器的远程超声波测距系统，其特征在于，所述数字温度传感器模块采用单总线数字温度传感器DS18B20。
6.根据权利要求5所述的一种基于开源硬件和虚拟仪器的远程超声波测距系统，其特征在于，所述超声波传感器模块采用HC-SR04超声波测距模块。
7.根据权利要求6所述的一种基于开源硬件和虚拟仪器的远程超声波测距系统，其特征在于，所述无线串口模块采用APC220无线传输模块。
8.根据权利要求7所述的一种基于开源硬件和虚拟仪器的远程超声波测距系统，其特征在于，所述上位机系统的显示及通信控制采用虚拟仪器LabVIEW完成。
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