超聲測距模塊HC－SR04的超聲波測距儀設計

李軍，申俊澤

（東北石油大學 計算機與信息技術學院 嵌入式實驗室，大慶 163318）

引 言

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，超聲波在機械制造、石油化工、航空航天等領域發(fā)揮著越來越重要的作用。

超聲波測距作為一種非接觸式距離測量方法，具有不受外界光及電磁場等因素影響的優(yōu)點，實現(xiàn)電路簡單，成本低；同時，還具有易于定向發(fā)射、方向性好、對人體傷害小等特點。上述優(yōu)勢使得與超聲波測距領域相關的儀器設備在數(shù)據(jù)處理、檢測性能和工程設計系統(tǒng)化等方面有了更大的發(fā)展空間。

1 總體設計

本系統(tǒng)利用三星公司的S3C2410及超聲波測距模塊HC－SR04構造了一個嵌入式系統(tǒng)平臺。整個系統(tǒng)由3部分組成：底層硬件平臺、系統(tǒng)軟件層和應用軟件層。系統(tǒng)硬件結(jié)構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構圖

超聲波測距儀的軟件層由驅(qū)動及應用程序組成。其中，應用程序包括數(shù)據(jù)采集程序及圖形用戶界面；而驅(qū)動程序的設計是本系統(tǒng)的重點。

2 硬件設計

2.1 S3C2410處理器

S3C2410處理器是三星公司的一款基于ARM920T內(nèi)核的16／32位RISC嵌入式微處理器。ARM920T由ARM9TDMI、存儲管理單元（MMU）和高速緩存3部分組成，主頻可達200MHz；外圍硬件資源包括64MB SDRAM、64MB NAND Flash、2個五線異步串行口、1個10M網(wǎng)口及用戶擴展口等。本系統(tǒng)利用開發(fā)板提供的GPIO擴展資源，實現(xiàn)對超聲波測距模塊HC－SR04的數(shù)據(jù)采集及控制，同時在LCD屏上顯示精確的距離數(shù)值。

2.2 超聲波測距模塊

超聲波測距是借助于超聲脈沖回波渡越時間法來實現(xiàn)的。設超聲波脈沖由傳感器發(fā)出到接收所經(jīng)歷的時間為t，超聲波在空氣中的傳播速度為c，則從傳感器到目標物體的距離D可用下式求出：

超聲波測距模塊HC－SR04可提供2～400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可高達3mm。模塊包括超聲波發(fā)器、接收器與控制電路。圖2為HC－SR04的引腳圖。

各引腳功能如下：

①VCC是5V電源，GND為地。

②TRIG是觸發(fā)測距引腳，給至少10μs的高電平信號。

③ECHO是信號接收引腳。有信號返回時，通過I／O口ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。

圖2 HC－SR04引腳圖

3 軟件設計

在軟件開發(fā)之前，首先要完成軟件開發(fā)環(huán)境的搭建，接下來最重要的工作就是設備驅(qū)動程序的開發(fā)。當軟件系統(tǒng)底層的程序完成之后，就可以著手上層的與設備無關的應用程序。最后就是系統(tǒng)的圖形界面的設計，并將應用程序燒寫到S3C2410開發(fā)板上。

3.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的建立

（1）交叉編譯環(huán)境的建立

交叉編譯是嵌入式開發(fā)過程中的一項重要技術，是編譯技術發(fā)展過程中的一個重要分支。本系統(tǒng)采用的交叉編譯器是cross－3.3.2.tar.bz2。安裝此編譯器只需要在／usr／local目錄下建一個arm的目錄，將cross－3.3.2.tar.bz2拷貝到arm目錄下，然后進入該目錄進行解壓，并設置相應的環(huán)境變量。

（2）Qt／Embedded和Qtopia開發(fā)環(huán)境的建立

建立Qt／Embedded和Qtopia開發(fā)環(huán)境的具體步驟如下：首先，下載tmake、Qt／Embedded、Qtopia的源碼包，注意版本之間的向后兼容性；其次，把這3個源碼包分別解壓到不同的目錄下；最后，編輯／etc／bashrc文件，設置環(huán)境變量，并利用交叉編譯器編譯Qt／Embedded。

3.2 超聲波測距模塊程序設計

超聲波測距模塊程序由驅(qū)動及應用程序組成。應用程序傳送給超聲波測距模塊驅(qū)動控制參數(shù)，具體測距由驅(qū)動程序完成。在用戶態(tài)應用程序中讀取超聲波設備，可獲得所需的信息。

Linux系統(tǒng)訪問設備就像訪問文件一樣。字符設備使用struct file＿operation結(jié)構來定義設備的各種操作集合，結(jié)構中的各個函數(shù)分別響應同名或類似名稱的系統(tǒng)調(diào)用。它是操作外設的函數(shù)接口，又稱設備驅(qū)動程序接口。編寫字符設備驅(qū)動程序，主要實現(xiàn)struct file＿operation結(jié)構中的各個函數(shù)。當然，驅(qū)動程序并不是要實現(xiàn)所有的這些函數(shù)，可以根據(jù)實際設備需要實現(xiàn)必要的函數(shù)。超聲波傳感器設備驅(qū)動中定義的數(shù)據(jù)結(jié)構為：

函數(shù)gpio＿init用于初始化GPIO設備。函數(shù)gpio＿setup＿cdev創(chuàng)建并注冊字符設備，動態(tài)分配設備號。函數(shù)gpio＿open用于打開并配置為輸入口。函數(shù)gpio＿read用于讀取超聲波測距模塊輸出的距離數(shù)據(jù)。函數(shù)gpio＿release用于關閉GPIO設備。

超聲波測距系統(tǒng)的應用程序主要由測距程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收程序及顯示子程序組成。測距程序流程如圖3所示。

圖3 測距程序流程

3.3 圖形界面設計及應用程序燒寫

圖形用戶界面（GUI）是系統(tǒng)的一個至關重要的方面，用戶通過GUI與系統(tǒng)進行交互，所以GUI應該易于使用并且可靠。本系統(tǒng)圖形界面的主要功能有：調(diào)用相應驅(qū)動程序，顯示距離，處理觸摸屏點擊事件等。

將應用程序燒寫到S3C2410開發(fā)板。首先將驅(qū)動程序的可執(zhí)行文件復制到根文件系統(tǒng)的／usr目錄下；其次把Qt＼Embedded二進制庫和應用程序的二進制代碼復制到某個目錄下；然后把這個目錄制成某種類型的根文件系統(tǒng)；最后把這個根文件系統(tǒng)燒寫到S3C2410的Flash存儲器上。這個過程可能需要一些制作根文件系統(tǒng)的工具，如mkcramfs。

4 超聲波測距儀數(shù)據(jù)測量結(jié)果

在系統(tǒng)設計并實現(xiàn)后，為了驗證測距儀的準確性與穩(wěn)定性，測試了12組數(shù)據(jù)，并對測距結(jié)果與實際距離進行了比較。距離測試結(jié)果如表1所列。

表1 距離測試結(jié)果 cm

由實驗數(shù)據(jù)可知，該超聲波測距器的盲區(qū)（超聲波傳感器檢測到墻壁的最近距離）為2cm；而最遠測量距離為400cm。電路程序設計時，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，延時約為0.1ms，所以超聲波測距器會有一個最小可測距離。而由于超聲波在傳播過程中會產(chǎn)生衰減且發(fā)射功率有限，導致遠距離回波很難檢測到，所以會有一個最遠測量距離。另外，通過溫度補償可以提高測量精度。

5 結(jié) 論

利用超聲波測距原理，系統(tǒng)在S3C2410＋Linux的平臺上，實現(xiàn)了自動測距和實時顯示功能。該系統(tǒng)所有運算、處理、顯示都實現(xiàn)數(shù)字化；操作簡單，使用方便，測量速度快、準確，結(jié)果顯示直觀；體積小，攜帶方便，適用于各種水文液位測量、障礙物的識別以及車輛自動導航等領域，具有良好的應用前景。

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