[應用] 超音波與溫濕度系統 (以 NXP LPC11x 控制器實現)

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前言

       這是一個超音波測距和溫濕度系統，MCU 當作系統的核心，整合超音波模組、溫濕度模組、和 LCM 顯示模組。系統的電源為 5V，耗電量約 26mA，使用三顆四號電池供電。可應用的範圍，如：自走車、掃地機器人、停車場車位偵測...等。我們先在麵包板上把各個模組的電路功能設計出來，並驗證韌體程式可以正常運作，接下來再製作成 PCB 電路板。

元件介紹

       超音波模組 HC-SR04：如下圖所示，一般常使用在 Arduino 系統上，做為自走車的距離感測器，利用發射超音波與接收其反射波的時間差計算出前方物體的距離，再根據距離遠近做出適當的動作。

       溫濕度零件 DHT11：這是溫度與濕度整合的零組件，其工作電壓在 3~5.5V，具有 8-bit 的解析度，溫度範圍 0~50度C，濕度範圍 20~90%，可應用的領域像是家電、空調、數據紀錄器、自動控制…等等。

    NXP LPC11xx系列的MCU：這是ARM Cortex-M0為核心的控制器，運算速度約 50MHz，用來控制超音波模組和溫濕度模組，包含控制一個 2x16 LCM 顯示模組，如下圖所示。除了讀取溫濕度數據之外，同時 MCU 計算超音波傳輸的時間，再將數值轉換成反射物的距離，並將所有資訊顯示在 LCM 上。
圖一：超音波與溫濕度系統

圖二：超音波測距模組

原理說明

       LPC1114 MCU 對超音波模組的Trig腳發出一個 pulse，突波的時間需超過10 us以上，如下圖所示。超音波的反射信號會回應在模組的 Echo 腳上，當低電位升到高電位的時間是音波發射的時間點，而當高電位降到低電位是接收反射波的時間點。

未命名

       為了精準計算音波傳輸的時間，我們採用 LPC MCU 的中斷來擷取 Echo 腳的電位變化，計算出兩個中斷產生的時間差，再轉換成距離。一般常溫下，聲音傳遞的速度為 340 m/s，也就是說聲音每走1公分需要 29.4 us (＝1s / 34000㎝)。由於從超音波發射到接收需要走 2倍的距離，所以我們必須將中斷的時間差除以 2才是實際超音波傳遞的距離。最後，距離公式如下：

                   距離㎝＝（兩中斷的時間差 us ÷ 2）÷ 29.4 us

       溫濕度零件分成幾款不同精準度的元件，DHT11、DHT21、DHT22 和 AM2303，除了 DHT11 是8-bit之外，其餘都是採用16-bit的解析度。另外量測範圍不同，除了 DHT11是 0~50度C 之外，其餘都是 -40~80度C。每款的濕度精準度不同且量測範圍也不一樣。

       唯一相同的是控制元件的方式，元件只有一根訊號線，負責接收命令與傳送出量測的數值，也就是說訊號號既可當輸出也當輸入使用。元件在傳送bit-0和bit-1都是高電位，唯一分辨的方式就是電位維持的時間，bit-0維持高電位的時間約27 us，bit-1維持高電位的時間約 70 us，所以我們從高電位的時間點來判斷 bit-0或 bit-1。

       數值傳送的格式為 40-bit，而且是 MSB 先傳送的方式，其中包含五組8-bit的資料，傳送的順序分別是 8-bit濕度整數部分、8-bit濕度小數部分、8-bit溫度整數部分、8-bit溫度小數部分、8-bit驗證和。

影片：系統操作過程

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