基于nRF24L01+与Arduino的超声波测距系统设计

刘卫国 ， 王红彬

（1.国防科学技术大学 湖南 长沙 410073；2.77606部队 西藏 拉萨 850000）

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[1-2]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10 μs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[3-4]。

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[5]。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[6]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。

图1 Arduino与nRF24L01+的连接图Fig.1 Connection diagram of Arduino and nRF24L01+

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。

图2 发射端和接收端实验电路连接图Fig.2 Connection diagram of transmitting and receiving experimental circuit

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：

图3 nRF24L01+发送程序流程图Fig.3 Flow chart of nRF24L01+sending program

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。

图4 nRF24L01+接收程序流程图Fig.4 Flow chart of nRF24L01+receiving program

接收程序中的主要函数如下：

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。

图5 测距系统实物图Fig.5 Entity diagram of ranging system

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。

[1]蔡睿妍.Arduino的原理及应用[J].电子设计工程，2012，20（16）:155-157.

[2]王欣，马青玉.基于Arduino的LED光立方设计[J].南京师范大学学报，2013，13（4）:24-28.

[3]刘楚红，董镇，钱宇捷，等.基于Arduino的倒车雷达系统设计[J].现代电子技术，2014，37（17）:148-150.

[4]苏琳.基于HC-SR04的超声波测距器的设计 [J].科技信息，2012（9）:125-126.

[5]孙志远.2.4 GHz无线传感器网络节点通信模块的设计与实现[D].长沙:国防科学技术大学，2010.

[6]戈惠梅，徐晓慧，顾志华，等.基于Arduino的智能小车避障系统的设计[J].现代电子技术，2014，37（11）:118-120.