LabVIEW控制Arduino实现超声波测距（进阶篇—5）

不脱发的程序猿 2024-05-31 原文

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、Arduino Uno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 ;
          }
      }
   }
}

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控制器发送采集温度的命令，Arduino控制器通过串口接收上位机命令，完成温度的采集之后并将数据回传，LabVIEW软件将回传的温度数据显示在前面板上。

2、向下位机Arduino控制器发送测量距离的命令，Arduino控制器通过串口接收上位机命令，完成距离的测量之后并将超声波往返时回传，LabVIEW软件将回传的超声波往返时间、温度与音速公式：u=331.3+(0.606 x t)m/s （t为摄氏温度）计算得到所测量的距离，显示在前面板上。

3、当处于自动测温模式时，且LabVIEW软件超时1秒时，向下位机Arduino控制器发送采集温度的命令，并将回传的温度数据显示在前面板上，实时更新温度，以保证测距尽可能精确。

5.1、前面板设计

LabVIEW上位机前面板主要有当前温度值和测量距离的显示表盘，以及自动测量选框和手动测温的按钮，如下图所示：

5.2、程序框图设计

LabVIEW程序首先通过选择的Arduino Uno控制器的串口号来初始化串口通信，然后进入内嵌事件结构的While循环中，当"温度测量"按钮被按下时，则向Arduino Uno控制器发送温度测量的命令码，等待1秒之后读取Arduino Uno控制器返回的温度数据并显示出来。

当“距离测量"按钮被按下时，则向Arduino Uno控制器发送距离测量的命令码，等待1秒之后读取Arduino Uno控制器返回的超声波往返时间，并通过温度与音速公式u=331.3+(0.606 x t) m/s （t为摄氏温度），计算得到所测量的距离数据显示出来。

当“温度测量"和“距离测量"按钮在1秒内都没被按下时，LabVIEW程序进入“超时”"，且当自动测量选项被使能后，则向Arduino Uno控制器发送温度测量的命令码，等待1秒之后读取Arduino Uno控制器返回的温度数据并显示出来，以实时更新当前的温度。最后关闭串口通信。

LabVIEW上位机软件中的“温度测量”、“距离测量"和“超时"的程序框图如下所示：