超声测距模块HC－SR04的超声波测距仪设计

2011-06-25李军申俊泽

单片机与嵌入式系统应用 2011年10期

李军，申俊泽

（东北石油大学计算机与信息技术学院嵌入式实验室，大庆 163318）

引言

随着国民经济的迅速发展，超声波在机械制造、石油化工、航空航天等领域发挥着越来越重要的作用。

超声波测距作为一种非接触式距离测量方法，具有不受外界光及电磁场等因素影响的优点，实现电路简单，成本低；同时，还具有易于定向发射、方向性好、对人体伤害小等特点。上述优势使得与超声波测距领域相关的仪器设备在数据处理、检测性能和工程设计系统化等方面有了更大的发展空间。

1 总体设计

本系统利用三星公司的S3C2410及超声波测距模块HC－SR04构造了一个嵌入式系统平台。整个系统由3部分组成：底层硬件平台、系统软件层和应用软件层。系统硬件结构如图1所示。

图1 系统硬件结构图

超声波测距仪的软件层由驱动及应用程序组成。其中，应用程序包括数据采集程序及图形用户界面；而驱动程序的设计是本系统的重点。

2 硬件设计

2.1 S3C2410处理器

S3C2410处理器是三星公司的一款基于ARM920T内核的16／32位RISC嵌入式微处理器。ARM920T由ARM9TDMI、存储管理单元（MMU）和高速缓存3部分组成，主频可达200MHz；外围硬件资源包括64MB SDRAM、64MB NAND Flash、2个五线异步串行口、1个10M网口及用户扩展口等。本系统利用开发板提供的GPIO扩展资源，实现对超声波测距模块HC－SR04的数据采集及控制，同时在LCD屏上显示精确的距离数值。

2.2 超声波测距模块

超声波测距是借助于超声脉冲回波渡越时间法来实现的。设超声波脉冲由传感器发出到接收所经历的时间为t，超声波在空气中的传播速度为c，则从传感器到目标物体的距离D可用下式求出：

超声波测距模块HC－SR04可提供2～400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可高达3mm。模块包括超声波发器、接收器与控制电路。图2为HC－SR04的引脚图。

各引脚功能如下：

①VCC是5V电源，GND为地。

②TRIG是触发测距引脚，给至少10μs的高电平信号。

③ECHO是信号接收引脚。有信号返回时，通过I／O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。

图2 HC－SR04引脚图

3 软件设计

在软件开发之前，首先要完成软件开发环境的搭建，接下来最重要的工作就是设备驱动程序的开发。当软件系统底层的程序完成之后，就可以着手上层的与设备无关的应用程序。最后就是系统的图形界面的设计，并将应用程序烧写到S3C2410开发板上。

3.1 系统开发环境的建立

（1）交叉编译环境的建立

交叉编译是嵌入式开发过程中的一项重要技术，是编译技术发展过程中的一个重要分支。本系统采用的交叉编译器是cross－3.3.2.tar.bz2。安装此编译器只需要在／usr／local目录下建一个arm的目录，将cross－3.3.2.tar.bz2拷贝到arm目录下，然后进入该目录进行解压，并设置相应的环境变量。

（2）Qt／Embedded和Qtopia开发环境的建立

建立Qt／Embedded和Qtopia开发环境的具体步骤如下：首先，下载tmake、Qt／Embedded、Qtopia的源码包，注意版本之间的向后兼容性；其次，把这3个源码包分别解压到不同的目录下；最后，编辑／etc／bashrc文件，设置环境变量，并利用交叉编译器编译Qt／Embedded。

3.2 超声波测距模块程序设计

超声波测距模块程序由驱动及应用程序组成。应用程序传送给超声波测距模块驱动控制参数，具体测距由驱动程序完成。在用户态应用程序中读取超声波设备，可获得所需的信息。

Linux系统访问设备就像访问文件一样。字符设备使用struct file＿operation结构来定义设备的各种操作集合，结构中的各个函数分别响应同名或类似名称的系统调用。它是操作外设的函数接口，又称设备驱动程序接口。编写字符设备驱动程序，主要实现struct file＿operation结构中的各个函数。当然，驱动程序并不是要实现所有的这些函数，可以根据实际设备需要实现必要的函数。超声波传感器设备驱动中定义的数据结构为：

函数gpio＿init用于初始化GPIO设备。函数gpio＿setup＿cdev创建并注册字符设备，动态分配设备号。函数gpio＿open用于打开并配置为输入口。函数gpio＿read用于读取超声波测距模块输出的距离数据。函数gpio＿release用于关闭GPIO设备。

超声波测距系统的应用程序主要由测距程序、超声波发生子程序、超声波接收程序及显示子程序组成。测距程序流程如图3所示。

图3 测距程序流程

3.3 图形界面设计及应用程序烧写

图形用户界面（GUI）是系统的一个至关重要的方面，用户通过GUI与系统进行交互，所以GUI应该易于使用并且可靠。本系统图形界面的主要功能有：调用相应驱动程序，显示距离，处理触摸屏点击事件等。

将应用程序烧写到S3C2410开发板。首先将驱动程序的可执行文件复制到根文件系统的／usr目录下；其次把Qt＼Embedded二进制库和应用程序的二进制代码复制到某个目录下；然后把这个目录制成某种类型的根文件系统；最后把这个根文件系统烧写到S3C2410的Flash存储器上。这个过程可能需要一些制作根文件系统的工具，如mkcramfs。

4 超声波测距仪数据测量结果

在系统设计并实现后，为了验证测距仪的准确性与稳定性，测试了12组数据，并对测距结果与实际距离进行了比较。距离测试结果如表1所列。

表1 距离测试结果 cm

由实验数据可知，该超声波测距器的盲区（超声波传感器检测到墙壁的最近距离）为2cm；而最远测量距离为400cm。电路程序设计时，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，延时约为0.1ms，所以超声波测距器会有一个最小可测距离。而由于超声波在传播过程中会产生衰减且发射功率有限，导致远距离回波很难检测到，所以会有一个最远测量距离。另外，通过温度补偿可以提高测量精度。