超声波网速测定

基于LabVIEW的超声波测速系统王咏宁,李自清(青海民族大学物理与电子信息工程学院,青海西宁810007)摘要:利用单片机和超声波传感器可以方便准确的实现非接触距离测量,系统以STC89C52为核,选用HC-SR04超声波模块进行超声波发送和接收,采用时差法测距,结合LabVIEW强大的数据采集、测量分析和存储显示等功能,可以实现对测量过程的实时记录存储和显示,还可根据用户需求选定测速区间,设定超限报警等功能,可以有效实现短距离、中低速环境下距离和速度的数字化测量,提高了测量效率和精度.
关键词:LabVIEW;超声波;单片机;测速中图分类号:TP319文献标识码:ATheUltrasonicVelocityMeasurementSystemBasedonLabVIEWWANGYongning,LIZiqing(CollegeofPhysicalandElectronicInformationEngineering,QinghaiNationalitiesUniversity,Xining810007,China)Abstract:Thesingle-chipmicrocomputerandtheultrasonicsensorcanbeappliedtoaccuratelyimplementthenon-contactdistancemeasurement.
BasedonSTC89C52,thesystemusesthehc-sr04moduletotransmitandreceiveultrasonicwaves.
Bymeasuringthedistancethroughthetime-differencemethodandcombiningLabVIEW'spowerfulfunctionsofdataacquisition,measurementanalysisandstoragedisplay,thereal-timerecording,storinganddisplayingofthemeasurementprocessareachieved.
Additionally,thesystemcanselectthevelocitymeasurementareaaccordingtousers'requirementsandsettheover-limitalarm,whichcaneffectivelyachievethedigitalmeasurementintheshortdistanceandlowspeedenvironment,andimprovethemeasurementefficiencyandaccuracy.
Keywords:LabVIEW;ultrasonic;single-chip;measuringspeed文章编号:2096-1472(2017)-06-35-03软件工程SOFTWAREENGINEERING第20卷第6期2017年6月Vol.
20No.
6Jun.
20171引言(Introduction)信息时代中,人们在日常生活、工业生产及科学研究中都会遇到精确测量物体移动速度的需求,超声波具有指向性强、能量消耗缓慢、在介质中传播距离较远等特性[1],利用超声波发出和反射回的时间可方便准确的计算出被测物的距离[2].
系统以单片机为控制核心,使用超声波传感器对被测物体进行非接触测距,采用时差法计算速度[3],通过串口将测量数据实时传送到上位机中,利用LabVIEW编程对距离、速度进行实时显示、存储、回放,并根据需求,可设定测量区间、超限报警等功能,搭建的测试平台具有界面友好[4]、操作简便、误差小等优点,可应用于短距离、中低速的电子化测距、测速需求.
2系统结构及硬件系统(Systemarchitectureandhardwaresystem)系统以STC89C52RC单片机为核心对各模块协调工作,并将运算所得数据送入上位机中处理,系统总体结构框图如图1所示.
图1系统总体结构框图Fig.
1Systemoverallstructurediagram单片机控制模块由STC89C52RC芯片、复位电路和晶振电路构成最小系统[5],外部晶振11.
0592MHz;选用HC-SR04超声波模块进行超声波发送和接收,传感器工作电压DC5V,测量距离2cm—450cm,感应角度不大于15度,精度可达0.
3cm[6].
由P2.
2在控制口TRIG发一个10us以上的高电平用来触发传感器工作,模块开始工作后自动发送8个40kHz的方波信号,并自动检测是否有信号返回,若有信号返回,则通过IO输出一高电平接P2.
1,高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间.
用CH340USB转串口与PC机进行通信.
基金项目:青海民族大学本科教学研究项目:基于虚拟仪器技术的《微机原理与接口技术》课程学生创新能力培养研究与实践(2016-BKJXZD-02).
系统硬件电路接线如图2所示.
图2系统硬件电路接线图Fig.
2Wiringdiagramofsystemhardware3系统软件设计(Systemsoftwaredesign)系统软件包括上位机和下位机程序两部分构成,程序流程如图3所示.
(a)下位机程序流程(b)上位机工作流程图3系统软件流程图Fig.
3Systemsoftwareflowchart3.
1下位机模块设计下位机程序用C51语言编程,采用模块化程序设计,包括:(1)定时器初始化模块:用来测量超声波从发出到返回所用时间.
传感器初始化模块:完成对超声波模块相应端口初始化及超声波模块触发的任务.
(2)超声波测距函数:从计数器中获得计数时间并计算出距离[7],测试距离=(高电平时间*声速(340m/s))/2.
测距程序如下:voidmeasuring(){ucharl;uinth,y;TR0=1;while(echo==1){;}TR0=0;L=TL0;H=TH0;Y=(h<<8)+l;Y=y-0xfc66;//us部分distance=y+1000*count;//计算总时间,单位是微秒TL0=0x66;TH0=0xfc;delayt(30);distance=3400*distance/20000;}串口数据发送模块:将计算出的结果发送到上位机.
3.
2上位机模块上位机程序使用LabVIEW做为开发平台,LabVIEW是美国NI公司推出的一种图形化编程语言,因其开发效率高、界面美观友好、可扩展性强等优点,被广泛应用于仪器控制、数据采集、工业自动化、实验室等技术领域[8],本系统中用LabVIEW开发的速度检测平台由串口通讯模块、速度转换模块、数据存储、显示和报警等模块构成,各模块又由后台程序和前面板组成.
3.
2.
1后台程序模块串口通讯模块:NI公司为LabVIEW提供了丰富的硬件设备和仪器驱动,并在LabVIEW中集成了符合仪器控制各种软件规范的工具和VI[9],NI-VISA是一种用来与各种仪器总线进行通信的高级应用编程接口,利用VISA编程进行串口参数的设置,检测正常接收到下位机数据后调用VISARead函数从串口读出数据,完成通讯后调用VISAClose关闭串口.
36软件工程2017年6月第20卷第6期37王咏宁等:基于LabVIEW的超声波测速系统速度测量模块:将串口读出的距离字符串显示到前面板,并转换成数值数据与设定的测量区间做比较,若进入测量区间则开始计时,到达终点距离时结束计时,显示瞬时速度,并根据测速区间和所用时间计算出平均速度.
数据存储、显示及报警模块:将检测到的时间与距离数据插入新建的数组中,也可保存到文件中,并生成时间—速度图,以便后续进行分析,可以设置速度上下限,并设置报警灯,当越限时打开报警灯.
各模块后台整体程序框图如图4所示.
图4程序框图Fig.
4Diagramoftheprogram3.
2.
2前面板设计LabVIEW提供了丰富的控件,可以编制出美观友好的用户图形界面,前面板由串口选择、波特率、停止位、数据比特、测速区间、报警速度等输入控件接收用户设置信息,输出控件包括当前位置、用时、速度、报警灯、时速图等输出显示控件组成,前面板结构如图5所示.
图5前面板Fig.
5Frontpanel4系统功能分析受超声波传感器性能的限制,测速范围选择在400cm—10cm,测量角度15度以内,在室温及短距离环境下忽略了多普勒效应及温度对测量结果的影响[10],取60ms间隔测量,测量精度可达1cm/s,能够满足普通测量需要.
若对测量要求更高,则可考虑采用作用距离更长的传感器、加入多传感器、在测距中加入温度补偿[11]、用多普勒测速法等措施加以提高[12].
用户通过前面板窗口可查看测量结果、设定参数、保存结果、设置超限报警,也可根据需要进行相应功能的扩展,如计算加速度、预测到达目标地的时间等.
5结论(Conclusion)采用LabVIEW构建的超声波测速系统,具有界面友好、操作简便、可扩展性强、误差小等优点,还可对测量过程进行实时记录,为后续的分析研究提供可靠数据,可适用于短距离、中低速环境下的电子化测距、测速需求.
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作者简介:王咏宁(1971-),男,硕士,副教授.
研究领域:虚拟仪器及软件开发.
李自清(1975-),男,硕士,讲师.
研究领域:软件工程.