超声测距模块HCSR04的超声波测距仪设计

admin · 发表于 2015-5-1 19:09:31

引言
　　随着国民经济的迅速发展，超声波在机械制造、石油化工、航空航天等领域发挥着越来越重要的作用。
　　超声波测距作为一种非接触式距离测量方法，具有不受外界光及电磁场等因素影响的优点，实现电路简单，成本低；同时，还具有易于定向发射、方向性好、对人体伤害小等特点。上述优势使得与超声波测距领域相关的仪器设备在数据处理、检测性能和工程设计系统化等方面有了更大的发展空间。
1　总体设计
　　本系统利用三星公司的S3C2410及超声波测距模块HCSR04构造了一个嵌入式系统平台。整个系统由3部分组成：底层硬件平台、系统软件层和应用软件层。系统硬件结构如图1所示。

图1　系统硬件结构图
　　超声波测距仪的软件层由驱动及应用程序组成。其中，应用程序包括数据采集程序及图形用户界面；而驱动程序的设计是本系统的重点。
2　硬件设计
2.1　S3C2410处理器
　　S3C2410处理器是三星公司的一款基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器。ARM920T由ARM9TDMI、存储管理单元（MMU）和高速缓存3部分组成，主频可达200 MHz；外围硬件资源包括64 MB SDRAM、64 MB NAND Flash、2个五线异步串行口、1个10M网口及用户扩展口等。本系统利用开发板提供的GPIO扩展资源，实现对超声波测距模块HCSR04的数据采集及控制，同时在LCD屏上显示精确的距离数值。
2.2　超声波测距模块
　　超声波测距是借助于超声脉冲回波渡越时间法来实现的。设超声波脉冲由传感器发出到接收所经历的时间为t，超声波在空气中的传播速度为c，则从传感器到目标物体的距离D可用下式求出：
D=c?t/2
　　超声波测距模块HCSR04可提供2～400 cm的非接触式距离感测功能，测距精度可高达3 mm。模块包括超声波发器、接收器与控制电路。图2为HCSR04的引脚图。

图2　HCSR04引脚图
　　各引脚功能如下：
① VCC是5 V电源，GND为地。
② TRIG是触发测距引脚，给至少10 μs的高电平信号。
③ ECHO是信号接收引脚。有信号返回时，通过I/O口ECHO 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。
3　软件设计
　　在软件开发之前，首先要完成软件开发环境的搭建，接下来最重要的工作就是设备驱动程序的开发。当软件系统底层的程序完成之后，就可以着手上层的与设备无关的应用程序。最后就是系统的图形界面的设计，并将应用程序烧写到S3C2410开发板上。
3.1　系统开发环境的建立
（1）交叉编译环境的建立
　　交叉编译是嵌入式开发过程中的一项重要技术，是编译技术发展过程中的一个重要分支。本系统采用的交叉编译器是cross3.3.2.tar.bz2。安装此编译器只需要在/usr/local目录下建一个arm的目录，将cross3.3.2.tar.bz2 拷贝到arm目录下，然后进入该目录进行解压，并设置相应的环境变量。
（2） Qt/Embedded和Qtopia开发环境的建立
　　建立Qt/Embedded和Qtopia开发环境的具体步骤如下：首先，下载tmake、Qt/Embedded、Qtopia的源码包，注意版本之间的向后兼容性；其次，把这3个源码包分别解压到不同的目录下；最后，编辑/etc/bashrc文件，设置环境变量，并利用交叉编译器编译Qt/Embedded。
3.2　超声波测距模块程序设计
　　超声波测距模块程序由驱动及应用程序组成。应用程序传送给超声波测距模块驱动控制参数，具体测距由驱动程序完成。在用户态应用程序中读取超声波设备，可获得所需的信息。
　　Linux 系统访问设备就像访问文件一样。字符设备使用struct file_ operation 结构来定义设备的各种操作集合，结构中的各个函数分别响应同名或类似名称的系统调用。它是操作外设的函数接口，又称设备驱动程序接口。编写字符设备驱动程序，主要实现struct file_operation 结构中的各个函数。当然，驱动程序并不是要实现所有的这些函数，可以根据实际设备需要实现必要的函数。超声波传感器设备驱动中定义的数据结构为：
static struct file_operations gpio_ fops={
　　.owner = THIS_MODULE,
　　.open = gpio_open,
　　.read = gpio_read,
　　.release = gpio_release,
}

图3　测距程序流程
　　函数gpio_init用于初始化GPIO设备。函数gpio_setup_cdev创建并注册字符设备，动态分配设备号。函数gpio_open用于打开并配置为输入口。函数gpio_read用于读取超声波测距模块输出的距离数据。函数gpio_release用于关闭GPIO设备。
　　超声波测距系统的应用程序主要由测距程序、超声波发生子程序、超声波接收程序及显示子程序组成。测距程序流程如图3所示。
3.3　图形界面设计及应用程序烧写
　　图形用户界面（GUI）是系统的一个至关重要的方面，用户通过GUI与系统进行交互，所以GUI应该易于使用并且可靠。本系统图形界面的主要功能有：调用相应驱动程序，显示距离，处理触摸屏点击事件等。
　　将应用程序烧写到S3C2410开发板。首先将驱动程序的可执行文件复制到根文件系统的/usr目录下；其次把Qt\\Embedded二进制库和应用程序的二进制代码复制到某个目录下；然后把这个目录制成某种类型的根文件系统；最后把这个根文件系统烧写到S3C2410 的Flash 存储器上。这个过程可能需要一些制作根文件系统的工具, 如mkcramfs。
4　超声波测距仪数据测量结果
　　在系统设计并实现后，为了验证测距仪的准确性与稳定性，测试了12组数据，并对测距结果与实际距离进行了比较。距离测试结果如表1所列。
表1　距离测试结果cm

　　由实验数据可知，该超声波测距器的盲区(超声波传感器检测到墙壁的最近距离)为2 cm；而最远测量距离为400 cm。电路程序设计时，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，延时约为0.1 ms，所以超声波测距器会有一个最小可测距离。而由于超声波在传播过程中会产生衰减且发射功率有限，导致远距离回波很难检测到, 所以会有一个最远测量距离。另外，通过温度补偿可以提高测量精度。
5　结论
　　利用超声波测距原理，系统在S3C2410+Linux的平台上，实现了自动测距和实时显示功能。该系统所有运算、处理、显示都实现数字化；操作简单，使用方便，测量速度快、准确，结果显示直观；体积小，携带方便，适用于各种水文液位测量、障碍物的识别以及车辆自动导航等领域，具有良好的应用前景。
参考文献
[1] 石秀民.嵌入式系统原理与应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2007.
[2] 王宜怀.嵌入式技术基础与实践［M］.北京:清华大学出版社，2009.
[3] 优龙科技发展公司.YLP2410使用手册,2007.
[4] 宋宝华.Linux设备驱动开发详解［M］.北京：人民邮电出版社，2008.
[5] 欧文盛.ARM嵌入式Linux应用实例开发［M］.北京:中国电力出版社，2008.
[6] Xteam（中国）软件技术有限公司.Qt程序设计［M］.北京:清华大学出版社，2002.

李小路 · 发表于 2020-10-1 22:02:02

谢谢分享！

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