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項目概述

超聲波測距是一種傳統而實用的非接觸測量方法，與激光、渦流和無線電測距方法相比，具有不受外界光及電磁場等因素影響的優點，在比較惡劣的環境中也具有一定的適應能力，且結構簡單、成本低，因此在工業控制、建筑測量、機器人定位方面有廣泛的應用。

本節將介紹使用HC-SR04超聲波傳感器、DS18B20數字溫度傳感器、ArduinoUno和LabVIEW組成帶有溫度補償的超聲波測距系統，可用于機器人避障等場合的距離測量。

超聲波測距的原理：從超聲波****發出的超聲波（假設傳播介質為氣體），經氣體介質的傳播，遇到障礙物之后反射的超聲波被超聲波接收器所接收。將超聲波****與接收之間的時間與氣體介質中的聲速相乘，就是聲波傳輸的距離，聲波傳輸距離的一半便是所測距離。

拓展學習：LabVIEW控制Arduino采集多路DS18B20溫度數值（進階篇—3）

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項目架構

超聲波測距系統總體框圖如下圖所示：

在整個系統中，Arduino Uno作為下位機，負責讀寫HC-SR04超聲波傳感器、讀取DS18B20溫度傳感器以及上傳數據，LabVIEW軟件作為上位機，負責接收超聲波時間、空氣溫度和計算超聲波所測量的距離值并顯示，上下位機利用USB-TTL接口實現通信。

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硬件環境

本項目將HC-SR04超聲波模塊的VCC、GND、Trig、Echo分別連接到ACCrduinoUno控制板的+5V、GND、數字端口D2和D3上。然后，將DS18B20溫度傳感器VCC、GND、DQ分別連接至Arduino Uno控制板的3.3V、GND和數字端口D4上，且在DQ與3.3V之間連接一個1KΩ的上拉電阻。超聲波測距系統硬件連接示意圖如下圖所示：

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Arduino功能設計

在基于Arduino與LabVIEW的上下位機超聲波測距系統中，Arduino Uno控制板需要完成以下功能：接收和判斷命令、采集和傳輸溫度與超聲波往返時間。Arduino Uno控制板通過串口接收上位機發來的命令，分析得到有效命令，讀取DS18B20數字溫度傳感器，將氣溫數據上傳給LabVIEW軟件或控制超聲波傳感器****超聲波，并測量出超聲波往返的時間，將超聲波往返的時間上傳至LabVIEW軟件。

Arduino Uno控制器負責讀取LabVIEW上位機發來的距離測量和溫度采集命令，并通過HC-SR04超聲波傳感器和DS18B20傳感器獲取超聲波往返時間和溫度數據，通過串口發送回上位機LabVIEW軟件。Arduino Uno控制器的程序代碼如下所示：

#include <OneWire.h>#include <DallasTemperature.h>       ? ???// Data wire is plugged into port 2 on the Arduino#define ONE_WIRE_BUS 2
 // Setup a oneWire instance to communicate with any OneWire devices (not just Maxim/Dallas temperature ICs)OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
// Pass our oneWire reference to Dallas Temperature. DallasTemperature sensors(&oneWire);byte comdata[3]={0};      //定義數組數據，存放串口命令數據
int LED = 13;                 //定義LED連接的管腳const int TrigPin = 2;const int EchoPin = 3;float distance;
void receive_data(void);      //接受串口數據void test_do_data(void);         //測試串口數據是否正確，并更新數據

void setup(){  Serial.begin(9600);        pinMode(LED, OUTPUT);  // Start up the library  sensors.begin(); } void loop(){  while (Serial.available() > 0)   //不斷檢測串口是否有數據   {        receive_data();            //接受串口數據        test_do_data();               //測試數據是否正確并更新數據   }}void distance_time(void){  digitalWrite(TrigPin, LOW);  delayMicroseconds(2);  digitalWrite(TrigPin, HIGH);//發送10μS的高電平觸發信號  delayMicroseconds(10);  digitalWrite(TrigPin, LOW);  distance = pulseIn(EchoPin, HIGH); // 檢測脈沖寬度，即為超聲波往返時間}
void receive_data(void)       {   int i ;   for(i=0;i<3;i++)   {      comdata[i] =Serial.read();      //延時一會，讓串口緩存準備好下一個字節，不延時可能會導致數據丟失，       delay(2);   }}
void test_do_data(void){  if(comdata[0] == 0x55)            //0x55和0xAA均為判斷是否為有效命令   {     if(comdata[1] == 0xAA)     {          switch (comdata[2])          {            case 0x01:             sensors.requestTemperatures(); // Send the command to get temperatures            Serial.print(sensors.getTempCByIndex(0));              break;            case 0x02:              distance_time();            Serial.print(distance) ;              break ;          }      }   }}

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LabVIEW功能設計

LabVIEW上位機部分需要完成以下功能：

1、向下位機Arduino控制器發送采集溫度的命令，Arduino控制器通過串口接收上位機命令，完成溫度的采集之后并將數據回傳，LabVIEW軟件將回傳的溫度數據顯示在前面板上。

2、向下位機Arduino控制器發送測量距離的命令，Arduino控制器通過串口接收上位機命令，完成距離的測量之后并將超聲波往返時回傳，LabVIEW軟件將回傳的超聲波往返時間、溫度與音速公式：u=331.3+(0.606 x t)m/s （t為攝氏溫度）計算得到所測量的距離，顯示在前面板上。

3、當處于自動測溫模式時，且LabVIEW軟件超時1秒時，向下位機Arduino控制器發送采集溫度的命令，并將回傳的溫度數據顯示在前面板上，實時更新溫度，以保證測距盡可能精確。

5.1、前面板設計

LabVIEW上位機前面板主要有當前溫度值和測量距離的顯示表盤，以及自動測量選框和手動測溫的按鈕，如下圖所示：

5.2、程序框圖設計

LabVIEW程序首先通過選擇的Arduino Uno控制器的串口號來初始化串口通信，然后進入內嵌事件結構的While循環中，當"溫度測量"按鈕被按下時，則向Arduino Uno控制器發送溫度測量的命令碼，等待1秒之后讀取Arduino Uno控制器返回的溫度數據并顯示出來。

當“距離測量"按鈕被按下時，則向Arduino Uno控制器發送距離測量的命令碼，等待1秒之后讀取Arduino Uno控制器返回的超聲波往返時間，并通過溫度與音速公式u=331.3+(0.606 x t) m/s （t為攝氏溫度），計算得到所測量的距離數據顯示出來。

當“溫度測量"和“距離測量"按鈕在1秒內都沒被按下時，LabVIEW程序進入“超時”"，且當自動測量選項被使能后，則向Arduino Uno控制器發送溫度測量的命令碼，等待1秒之后讀取Arduino Uno控制器返回的溫度數據并顯示出來，以實時更新當前的溫度。最后關閉串口通信。

LabVIEW上位機軟件中的“溫度測量”、“距離測量"和“超時"的程序框圖如下所示：