LabVIEW控制Arduino实现超声波测距（进阶篇—5）
本帖最后由 不脱发的程序猿 于 2022-6-12 14:19 编辑1、项目概述
超声波测距是一种传统而实用的非接触测量方法，与激光、涡流和无线电测距方法相比，具有不受外界光及电磁场等因素影响的优点，在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，且结构简单、成本低，因此在工业控制、建筑测量、机器人定位方面有广泛的应用。
本节将介绍使用HC-SR04超声波传感器、DS18B20数字温度传感器、ArduinoUno和LabVIEW组成带有温度补偿的超声波测距系统，可用于机器人避障等场合的距离测量。
超声波测距的原理：从超声波发射器发出的超声波（假设传播介质为气体），经气体介质的传播，遇到障碍物之后反射的超声波被超声波接收器所接收。将超声波发射与接收之间的时间与气体介质中的声速相乘，就是声波传输的距离，声波传输距离的一半便是所测距离。
拓展学习：LabVIEW控制Arduino采集多路DS18B20温度数值（进阶篇—3）
2、项目架构
超声波测距系统总体框图如下图所示：
https://img-blog.csdnimg.cn/840b4bb80d68423f86afd96e6f5735da.png在整个系统中，Arduino Uno作为下位机，负责读写HC-SR04超声波传感器、读取DS18B20温度传感器以及上传数据，LabVIEW软件作为上位机，负责接收超声波时间、空气温度和计算超声波所测量的距离值并显示，上下位机利用USB-TTL接口实现通信。
项目详情请参见：LabVIEW控制Arduino实现超声波测距-单片机文档类资源
3、硬件环境
本项目将HC-SR04超声波模块的VCC、GND、Trig、Echo分别连接到ACCrduinoUno控制板的+5V、GND、数字端口D2和D3上。然后，将DS18B20温度传感器VCC、GND、DQ分别连接至Arduino Uno控制板的3.3V、GND和数字端口D4上，且在DQ与3.3V之间连接一个1KΩ的上拉电阻。超声波测距系统硬件连接示意图如下图所示：
https://img-blog.csdnimg.cn/dca4ab8c29d94e28917bc332879d8f18.png4、Arduino功能设计
在基于Arduino与LabVIEW的上下位机超声波测距系统中，Arduino Uno控制板需要完成以下功能:接收和判断命令、采集和传输温度与超声波往返时间。Arduino Uno控制板通过串口接收上位机发来的命令，分析得到有效命令，读取DS18B20数字温度传感器，将气温数据上传给LabVIEW软件或控制超声波传感器发射超声波，并测量出超声波往返的时间，将超声波往返的时间上传至LabVIEW软件。
Arduino Uno控制器负责读取LabVIEW上位机发来的距离测量和温度采集命令，并通过HC-SR04超声波传感器和DS18B20传感器获取超声波往返时间和温度数据，通过串口发送回上位机LabVIEW软件。Arduino Uno控制器的程序代码如下所示：
#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={0}; //定义数组数据，存放串口命令数据
int LED = 13; //定义LED连接的管脚
const int TrigPin = 2;
const int EchoPin = 3;
float distance;
void receive_data(void); //接受串口数据
void test_do_data(void); //测试串口数据是否正确，并更新数据
void setup()
{
Serial.begin(9600);
pinMode(LED, OUTPUT);
// Start up the library
sensors.begin();
}
void loop()
{
while (Serial.available() > 0) //不断检测串口是否有数据
{
receive_data(); //接受串口数据
test_do_data(); //测试数据是否正确并更新数据
}
}
void distance_time(void)
{
digitalWrite(TrigPin, LOW);
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(TrigPin, HIGH);//发送10μS的高电平触发信号
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(TrigPin, LOW);
distance = pulseIn(EchoPin, HIGH); // 检测脉冲宽度，即为超声波往返时间
}
void receive_data(void)
{
int i ;
for(i=0;i<3;i++)
{
comdata =Serial.read();
//延时一会，让串口缓存准备好下一个字节，不延时可能会导致数据丢失，
delay(2);
}
}
void test_do_data(void)
{
if(comdata == 0x55) //0x55和0xAA均为判断是否为有效命令
{
if(comdata == 0xAA)
{
switch (comdata)
{
case 0x01:
sensors.requestTemperatures(); // Send the command to get temperatures
Serial.print(sensors.getTempCByIndex(0));
break;
case 0x02:
distance_time();
Serial.print(distance) ;
break ;
}
}
}
}5、LabVIEW功能设计
LabVIEW上位机部分需要完成以下功能：
1、向下位机Arduino控制器发送采集温度的命令，Arduino控制器通过串口接收上位机命令，完成温度的采集之后并将数据回传，LabVIEW软件将回传的温度数据显示在前面板上。
2、向下位机Arduino控制器发送测量距离的命令，Arduino控制器通过串口接收上位机命令，完成距离的测量之后并将超声波往返时回传，LabVIEW软件将回传的超声波往返时间、温度与音速公式：u=331.3+(0.606 x t)m/s （t为摄氏温度）计算得到所测量的距离，显示在前面板上。
3、当处于自动测温模式时，且LabVIEW软件超时1秒时，向下位机Arduino控制器发送采集温度的命令，并将回传的温度数据显示在前面板上，实时更新温度，以保证测距尽可能精确。
5.1、前面板设计
LabVIEW上位机前面板主要有当前温度值和测量距离的显示表盘，以及自动测量选框和手动测温的按钮，如下图所示：
https://img-blog.csdnimg.cn/dbae1f71115444938a77fcbb9e140f94.png5.2、程序框图设计
LabVIEW程序首先通过选择的Arduino Uno控制器的串口号来初始化串口通信，然后进入内嵌事件结构的While循环中，当"温度测量"按钮被按下时，则向Arduino Uno控制器发送温度测量的命令码，等待1秒之后读取Arduino Uno控制器返回的温度数据并显示出来。
当“距离测量"按钮被按下时，则向Arduino Uno控制器发送距离测量的命令码，等待1秒之后读取Arduino Uno控制器返回的超声波往返时间，并通过温度与音速公式u=331.3+(0.606 x t) m/s （t为摄氏温度），计算得到所测量的距离数据显示出来。
当“温度测量"和“距离测量"按钮在1秒内都没被按下时，LabVIEW程序进入“超时”"，且当自动测量选项被使能后，则向Arduino Uno控制器发送温度测量的命令码，等待1秒之后读取Arduino Uno控制器返回的温度数据并显示出来，以实时更新当前的温度。最后关闭串口通信。
LabVIEW上位机软件中的“温度测量”、“距离测量"和“超时"的程序框图如下所示：
https://img-blog.csdnimg.cn/8fa1a507979340fca41594796d4fe981.pnghttps://img-blog.csdnimg.cn/23217efdac0b402e96567284dc8d4e88.pnghttps://img-blog.csdnimg.cn/a12cdaecbf6c413ba5b9085f6375d0e2.png项目详情请参见：LabVIEW控制Arduino实现超声波测距-单片机文档类资源
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