漫談無(wú)線非接觸式測(cè)距系統(tǒng)

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一、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)

按功能可分為四部分：超聲波測(cè)距模塊、MCU控制模塊、UART轉(zhuǎn)WIFI模塊、供電模塊。超聲波測(cè)距模塊測(cè)量超聲波往返時(shí)間，MCU控制處理信息得到距離數(shù)據(jù)，UART轉(zhuǎn)WIFI模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)送，電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供能量。

1.期電平并檢測(cè)回波，一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)，回響信號(hào)是通過(guò)IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間，然后通過(guò)時(shí)間與距離的計(jì)算公式距離=高電平時(shí)間*聲速（340m/s）/2，計(jì)算出測(cè)量的距離。

2.MCU主控模塊C8051F020采用高速、流水線結(jié)構(gòu)CIP-51內(nèi)核，峰值速度可達(dá)25MIPS，內(nèi)部有硬件實(shí)現(xiàn)的增強(qiáng)型全雙工UART串行接口，工作溫度范圍-45℃～85℃。主控芯片C8051F020通過(guò)P1.0引腳輸出超聲波脈沖觸發(fā)信號(hào)，控制超聲波測(cè)距模塊發(fā)送超聲波測(cè)量距離，由/INT0引腳檢測(cè)回響信號(hào)，高電平來(lái)時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器測(cè)量高電平時(shí)間，計(jì)算目標(biāo)距離，通過(guò)多次測(cè)量求取平均值減少測(cè)量誤差。主控芯片C8051F020通過(guò)串口UART0與嵌入式模組USR-WIFI232-A通信，TX0發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)，RX0接收測(cè)量控制命令，通過(guò)無(wú)線模塊獲取PC機(jī)發(fā)送的控制指令，并傳輸距離測(cè)量結(jié)果。

3.UART轉(zhuǎn)WIFI模塊USR-WIFI232-A模塊支持8011b/g/n無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)、TCP/IP/UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和UART/GPIO/以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊接口，有STA/AP/AP+STA三種無(wú)線工作模式，可選用內(nèi)置板載或外置天線，提供友好的Web配置頁(yè)面，3V單電源供電。USR-WIFI232-A模塊的UART口支持自由組幀和自動(dòng)成幀兩種模式，由于測(cè)量的距離數(shù)據(jù)都是定長(zhǎng)的數(shù)據(jù)幀，UART串口設(shè)置成UART自動(dòng)成幀模式，以達(dá)到最高的轉(zhuǎn)發(fā)效率，通過(guò)設(shè)置打開自動(dòng)成幀功能，并設(shè)置自動(dòng)成幀觸發(fā)時(shí)間和觸發(fā)幀長(zhǎng)，模塊即可將從串口上收到的數(shù)據(jù)自動(dòng)組成幀，轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)上去。USR-WIFI232-A的無(wú)線模塊即可以配置成一個(gè)無(wú)線STA，也可以配置成AP，因此利用USR-WIFI1232-X可以提供十分靈活的組網(wǎng)方式和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。本設(shè)計(jì)中將無(wú)線模塊配置成STA無(wú)線終端，其可以連接到其它AP上，STA之間的相互通信通過(guò)AP轉(zhuǎn)發(fā)完成，模塊可以通過(guò)AP轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的無(wú)線通信。

4.供電模塊供電模塊要為超聲波測(cè)距模塊、單片機(jī)和UART轉(zhuǎn)WIFI模塊供電。超聲波測(cè)距模塊工作電壓為5V，因此外部提供5V電源，直接給超聲波模塊供電，5V電源經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓芯片AMS1117得到3V電壓，為單片機(jī)和UART轉(zhuǎn)WIFI模塊提供電源。

二、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)

主程序流程，在測(cè)距系統(tǒng)中，系統(tǒng)上電處于等待狀態(tài)，PC機(jī)發(fā)送測(cè)量命令，系統(tǒng)測(cè)量目標(biāo)距離，并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，將最終結(jié)果通過(guò)串口轉(zhuǎn)WIFI模塊發(fā)送給PC機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理和操作。

1.測(cè)距程序設(shè)計(jì)單片機(jī)觸發(fā)超聲波測(cè)距模塊獲取回響信號(hào)，通過(guò)測(cè)量回響信號(hào)的高電平持續(xù)時(shí)間計(jì)算距離。測(cè)距子程序流程，單片機(jī)通過(guò)P1.0口發(fā)送大于10us的脈沖觸發(fā)信號(hào)，回響信號(hào)連接到/INT0引腳上，將單片機(jī)的定時(shí)器0控制位GATE0設(shè)置為1，允許定時(shí)器0受外部輸入信號(hào)/INT0的控制，/INT0控制定時(shí)器0得到超聲波往返時(shí)間，系統(tǒng)中為了提高測(cè)量精度，測(cè)量數(shù)據(jù)取連續(xù)6次測(cè)量的平均值。

2.串口通信程序設(shè)計(jì)UART轉(zhuǎn)WIFI模塊通過(guò)串口UART0與單片機(jī)通信，UART0是一個(gè)具有幀錯(cuò)誤檢測(cè)和地址識(shí)別硬件的增強(qiáng)型串行口，通信有查詢和中斷兩種方式，本系統(tǒng)中通信采用中斷方式。設(shè)置串口通信工作方式和波特率，開串行中斷，單片機(jī)由串口接收到PC機(jī)通過(guò)WIFI發(fā)送的測(cè)量命令后，測(cè)量距離并將求得的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給UART轉(zhuǎn)WIFI模塊。

三、結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)采用單片機(jī)C8051F020、超聲波測(cè)距模塊和嵌入式模組USR-WIFI232-A，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便的距離測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)利用超聲波測(cè)距實(shí)現(xiàn)距離的非接觸式測(cè)量，UART轉(zhuǎn)WIFI模塊可以通過(guò)AP與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，控制距離測(cè)量和回收數(shù)據(jù)。系統(tǒng)尺寸小、便于安裝攜帶，并且測(cè)量精度高。

作者：嚴(yán)正娟張家田王金成單位：西安石油大學(xué)光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室