基于nRF24L01+与Arduino的超声波测距系统设计

 距离是描述建筑物平面结构的重要内容，建筑物尺寸的传统测量手段都需要人员借助工具现地进行，但面对比较危险的建筑物时，传统的测量手段势必增加人员的伤亡几率。随着科学技术的发展，测距技术和无线传输技术日趋成熟，无人距离测量在特殊领域中将得到广泛应用。利用超声波测距成本低、精度高、速度快等技术特点，结合单片机、无线通信技术可对建筑物内部平面尺寸进行测量，并将数据无线传至终端设备实时显示。

1 系统结构

超声波测距系统由发射端和接收端两部分组成。发射端由Arduino开发板、无线射频发射模块、天线、超声波模块及电源模块组成。接收端由Arduino开发板、无线射频接收模块、天线和终端设备等组成。

在系统发射端，超声波模块HC—SR04对距离信号进行实时采集，在Arduino的控制下通过无线射频发射模块将距离数字信号发送至接收端;在系统接收端，在Arduino开发板的作用下，通过无线射频接收模块接收发射端发送过来的距离数字信号，通过串口通信模块与PC机进行通信，在PC机中利用软件读取数据并绘制曲线。

2 系统硬件电路设计

2.1 Arduino控制板

本系统中所采用的Arduino UNO是一块采用USB接口的核心电路板，处理器核心是ATmega328，包括14个数字输入输出IO(其中6个可提供PWM输出)，6个模拟输入IO，一个16 MHz晶体振荡器，一个USB口(便于在线进行程序调试)，一个电源插座和一个复位按键。

2.2 测距传感器

HC—SR04超声波测距模块可提供2～400 cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达到3 mm，模块包括超声波发射器、接收器和控制电路。模块采用IO口TRIG触发测距，给至少10μs的高电平信号，之后模块自动发送8个40 kHz的方波，自动检测是否有信号返回，如有信号返回.通过IO口ECH0输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。

2.3 nRF24L01+无线传输模块

nRF24L01是一款新型单片射频收发一体器件，工作于2.4～2.5 GHz ISM频段。其内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、低噪声放大器等功能模块，并融合了增强型ShocKBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01具有极低的电流消耗，当工作在发射模式下发射功率为0 dBm时电流消耗为11.3 mA，接收模式时为13.5 mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。本文采用nRF24L01+模块，在原模块的基础上增加了PA和LNA。在发射端通过PA电路将nRF24L01的输出功率放大，同时在接收端通过LNA电路增加接收信号的强度。

2.4 SPI连接

Arduino与nRF24L01+无线收发模块之间利用同步串口SPI进行通信。nRF24L01+的SPI总线有GND(接地)、VCC(1.9～3.6 V电源)、CE(使能发射或接收)、CSN(片选信号)、SCK(时钟信号)、MOSI(数据输入)、MISO(数据输出)、IRQ(中断标志位)。Arduino与nRF24L01+的连接图如图1所示。

2.5 实验电路连接图

发射端(HC—SR04、nRF24L01+和Arduino连接)和接收端(nRF24L01+和Arduino连接)实验电路连接如图2所示。

3 系统的软件设计

3.1 无线发送模式流程

对nRF24L01+的相关寄存器进行配置，设置为增强型ShockBurstTM发送模式，通信速率为1 Mbit/s，晶振16 MHz，发射功率设置为0 dBm，MCU通过MOSI写入数据，通过MISO读出数据，设置通过nRF24L01+的数据输入，保存到TX FIFO寄存器中，开始发送数据。在数据发送之后，读取状态寄存器的值并做出判断，确定是否接收到应答信号，判断自动重发次数是否达到最大值(10次)。如果在设定的应答时间内接收到应答信号，则认为数据成功发送到了接收端。如果在设定的时间范围内没有接收到应答信号，则重新发送数据，并且自动重发计数器自动加1。若自动重发次数达到最大值，则表明数据没有发送成功，需要清除MAX_RT位让数据继续重发。发送程序流程图如3所示。

发射程序中的主要函数如下：

void TX_Mode (void) //初始化nRF24L01+设备进入发送模式

void Send_Data(int a) //发射数据“a”

unsigned char SPI_Read_Buf(unsigned char reg，unsigned

char*pBuf，unsigned char bytes) //从寄存器“reg”读无符号字符型变量

3.2 无线接收模式流程

设置nRF24L01+为接收模式，与发射端相同的CRC配置、地址宽度、频道和传输速率，拉高CE启动接收，通过读取状态寄存器的值判断是否有数据接收，若有数据，接收端通过自身通道地址与接收到的数据包中的地址进行匹配，若相同就接收该数据，若不同就放弃该数据，继续等待接收。接收程序流程图如图4所示。

接收程序中的主要函数如下：

void RX_Mode (void) //初始化nRF24L01+设备进入接收模式

void Recive Data() //接收数据

unsigned char SPI_Write_Buf(unsigned char reg，unsigned

char*pBuf，unsigned char bytes) //将nRF24L01+的内容写入缓冲区“*PBUF”

4 实验结果

按照本方案设计的超声波测距系统(实物如图5所示)经过建筑物现地测试，测量最大宽度8 m，最大高度4 m，超声波模块工作稳定，无线传输模块传输距离符合要求，完全可以达到实际应用的目的。由于该系统目前还是初具功能的试验品，测距平台上功能模块不够丰富，应搭配更多的传感器模块，提升系统功能。

5 结束语

本文着重介绍了基于nRF24L01+与Arduino的超声波测距系统的设计，通过较低的成本实现了超声波测距、数据无线传输、PC机实时接收显示并绘制曲线等功能，可搭载不同的移动平台，完成建筑物测距任务，具有一定的实用价值。