基于STM32單片機(jī)的高精度超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

苑潔，常太華

（華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京102206）

超聲波測距是一種典型的非接觸測量方式。超聲波在氣體、液體及固體中以不同速度傳播，定向性好、能量集中、傳輸過程中衰減較小、反射能力較強(qiáng)［1］。且超聲波測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、電路易實(shí)現(xiàn)、成本低、速度快，所以在工業(yè)自動(dòng)控制、建筑工程測量和機(jī)器人視覺識(shí)別等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。

超聲波測距一般采用渡越時(shí)間法［2-4］。超聲波測距的實(shí)質(zhì)是時(shí)間的測量，即：用超聲脈沖激勵(lì)超聲探頭向外發(fā)射超聲波，同時(shí)接收從被測物體反射回來的超聲波（簡稱回波），通過精確測量從發(fā)射超聲波至接收回波所經(jīng)歷的射程時(shí)間t（渡越時(shí)間），按下式計(jì)算超聲波探頭與被測物體之間的距離S，即

其中，c為空氣介質(zhì)中聲波的傳播速度。

在常溫下，超聲波的傳播速度為340 m／s，但其傳播速度c易受到空氣中溫度、濕度、壓強(qiáng)等因素的影響，其中溫度的影響最大。一般溫度每升高1℃，聲速增加約為0.6 m／s［5］。本文采用DS18B20數(shù)字溫度計(jì)來檢測現(xiàn)場溫度，用以實(shí)現(xiàn)波速的校準(zhǔn)，因很多文獻(xiàn)對(duì)此都有說明，故本文不做深入介紹。

式中，T為環(huán)境溫度。

1 系統(tǒng)組成

超聲波測距系統(tǒng)由STM32單片機(jī)、超聲波發(fā)射電路、接收電路、放大電路、比較整形電路、測溫電路等組成。系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心，協(xié)調(diào)各部分電路工作。STM32單片機(jī)首先發(fā)出一系列頻率為40 kHz的方波，輸送給超聲波發(fā)射電路并激勵(lì)出超聲波。超聲波在空氣中傳播，遇障礙物返回，進(jìn)入超聲波接收器，然后經(jīng)過濾波、放大、整形，進(jìn)入單片機(jī)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 超聲波測距系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of ultrasonic distance measurement system

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 超聲波發(fā)射電路

工作原理為：由STM32的高級(jí)定時(shí)器TIM1輸出兩路40 kHz、占空比為50%的互補(bǔ)的PWM信號(hào)，經(jīng)過Max232升壓產(chǎn)生約18 Vpp來驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器T40-16，并激勵(lì)出超聲波，每次發(fā)射8個(gè)周期脈沖。電路通過三極管Q1來開、關(guān)Max232的電源，在開始發(fā)射前，打開Max232的電源，待電路穩(wěn)定后開始發(fā)射，并在發(fā)射結(jié)束后關(guān)斷Max232電源，這樣設(shè)計(jì)不僅降低了發(fā)射電路對(duì)接收電路的干擾，同時(shí)也降低了功耗。發(fā)射電路如圖2所示。

圖2 超聲波發(fā)射電路Fig.2 Transmitted circuit of ultrasonic sensors

2.2 雙比較器整形電路

超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲束角度是0°到360°，主要集中在0°到±60°，由于安裝殼的阻擋，超聲波不能直接發(fā)射到接收器上。但是因?yàn)槁暡▊鬏數(shù)奶匦裕暡〞?huì)出現(xiàn)未經(jīng)障礙物反射就直接回到接收探頭被檢測到，造成接收器認(rèn)為是實(shí)際發(fā)射收到的回波信號(hào)，導(dǎo)致誤報(bào)。這種現(xiàn)象就是聲波的衍射現(xiàn)象，無法避免。

衍射信號(hào)的幅值隨著超聲波發(fā)射探頭和接收探頭之間距離的增大而減小，實(shí)際設(shè)計(jì)過程中不會(huì)將測距模塊設(shè)計(jì)的太大，因此超聲波收、發(fā)探頭之間的距離也較小，但是當(dāng)被測距離L比較小時(shí)，反射信號(hào)的幅值相對(duì)于衍射信號(hào)大的多，所以設(shè)置合適的近距離比較器閾值，就可以完全屏蔽衍射波，而只有反射波才能通過。本文對(duì)遠(yuǎn)、近距離的測量采用不同閾值的比較器。近距離比較器測量2.5～50 cm的范圍，遠(yuǎn)距離比較器測50 cm～4 m的范圍。

回波信號(hào)由NE5532放大，經(jīng)比較器LMV331整形后進(jìn)入單片機(jī)?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)過一級(jí)放大后，一路經(jīng)過近距離比較器LMV331，比較整形后進(jìn)入單片機(jī)。另一路進(jìn)入增益可控可調(diào)的放大電路。其中，NE5532是一款雙運(yùn)放、高性能、低噪聲的運(yùn)算放大器，相比較大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放，顯示出更好的噪聲性能，具有相當(dāng)高的小信號(hào)帶寬和電源帶寬。電路如下圖3所示。

圖3 放大和比較整形電路Fig.3 Amplifying and comparative plastic circuit

2.3 時(shí)間增益（TGC）補(bǔ)償電路

超聲波在空氣中傳播時(shí)，聲強(qiáng)隨著傳播距離的增加而減小，這就是所說的聲衰減現(xiàn)象，造成衰減的原因是聲束本身的擴(kuò)散以及聲波的反射、散射等。由于回波信號(hào)的幅值隨著被測距離的增大而呈指數(shù)規(guī)律衰減，遠(yuǎn)距離目標(biāo)的回波信號(hào)幅度小，為了提高測距精度，必須對(duì)衰減的回波進(jìn)行增益補(bǔ)償［6］?；诖耍O(shè)計(jì)了時(shí)間增益補(bǔ)償電路。時(shí)間增益補(bǔ)償電路（TGC）通過電子可調(diào)電位器改變輸入電阻來實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。

圖4 時(shí)間增益補(bǔ)償電路Fig.4 Time-gain compensation circuit

其中，MAX5161是一種具有32級(jí)抽頭的數(shù)字電位器，端-端阻值為50 kΩ，具有3線串行接口，實(shí)現(xiàn)阻值的調(diào)節(jié)。事先把通過實(shí)驗(yàn)獲得的與一定距離對(duì)應(yīng)的放大增益換算成數(shù)字電位器的抽頭位置，并把這些位置參數(shù)固化到E2PROM中。在測量過程中，單片機(jī)通過查表方式獲得對(duì)應(yīng)的增益，然后通過串行設(shè)置對(duì)應(yīng)增益。利用單片機(jī)控制數(shù)字電位器，電路實(shí)現(xiàn)較簡單、增益控制范圍大且補(bǔ)償特性能根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，充分利用了單片機(jī)的軟件資源。

3 軟件算法

3.1 基本流程

系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)各部分的控制和響應(yīng)。測距軟件的基本流程：首先使用美國DALAS公司生產(chǎn)的DS18B20數(shù)字溫度傳感器測量環(huán)境溫度，通過查找事先建立好的聲速-溫度對(duì)照表得到當(dāng)前聲速；開啟計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)，同時(shí)通過STM32的PWM模塊產(chǎn)生8個(gè)周期40 KHz的脈沖方波和輸入捕捉模塊捕獲超聲波回波。待回波進(jìn)入接收電路，經(jīng)放大／整形等硬件處理后，進(jìn)入單片機(jī)。單片機(jī)捕捉到回波的觸發(fā)信號(hào)，并記錄產(chǎn)生下降沿的時(shí)刻；經(jīng)過軟件濾波，和峰值時(shí)間檢測算法，得到峰值時(shí)刻作為回波到達(dá)的時(shí)刻，最后計(jì)算距離。軟件流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖Fig.5 Flow chart of the main program

STM32的高級(jí)定時(shí)器由一個(gè)16位的自動(dòng)裝載計(jì)數(shù)器組成，時(shí)鐘源頻率高達(dá)72 MHz，大大提高了時(shí)間測量的分辨率。高級(jí)定時(shí)器有4個(gè)獨(dú)立的通道，本文利用其互補(bǔ)的PWM來驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器，輸入捕獲通道來捕捉回波信號(hào)，在開啟定時(shí)器的同一時(shí)刻也啟動(dòng)了PWM，這不僅消除了啟動(dòng)發(fā)射和啟動(dòng)計(jì)時(shí)之間的誤差，并且捕獲通道精準(zhǔn)的記錄了超聲波回波到達(dá)的時(shí)刻（比較器的下降沿）。待單片機(jī)進(jìn)入中斷后讀取該值，而非等到進(jìn)入中斷后才開始讀取當(dāng)前計(jì)時(shí)器的值。

3.2 峰值時(shí)間檢測

回波信號(hào)處理常規(guī)的方法是采用具有固定閾值電平的比較器電路，將回波信號(hào)與某一固定閾值電平在比較器電路中進(jìn)行比較，比較器輸出的翻轉(zhuǎn)時(shí)間就是回波到達(dá)的時(shí)間，在使用了時(shí)間增益補(bǔ)償電路后，超聲波回波信號(hào)的幅值得到了相對(duì)的穩(wěn)定，但由于回波信號(hào)幅度仍存在一定程度的波動(dòng)及回波信號(hào)被展寬，造成了時(shí)間檢測產(chǎn)生一定的誤差，因而在設(shè)計(jì)中把回波幅度的峰值時(shí)間點(diǎn)作為回波到達(dá)的時(shí)間。傳統(tǒng)的峰值檢測方法大多通過硬件電路，包括包絡(luò)檢測電路、微分電路和過零檢測電路，設(shè)計(jì)較復(fù)雜，難實(shí)現(xiàn)。本文通過軟件方法來實(shí)現(xiàn)峰值檢測。

超聲波回波經(jīng)過比較器LMV331后，將產(chǎn)生頻率為40 kHz的方波，由于比較器閾值固定，回波信號(hào)的占空比將由小變大，達(dá)到一個(gè)最大值后再變小，而占空比最大處正對(duì)應(yīng)著峰值點(diǎn)所在的回波波形，th/2處對(duì)應(yīng)著峰值時(shí)刻點(diǎn)，如圖6所示。STM32的PWM輸入模式啟用兩個(gè)輸入捕獲單元對(duì)應(yīng)同一個(gè)輸入信號(hào)，分別捕獲信號(hào)的上升沿和下降沿，可以方便計(jì)算出回波信號(hào)的頻率和占空比。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的測量精度及盲區(qū)，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測距實(shí)驗(yàn)，表1中的測量距離一欄取的是3次測量的平均值。測量結(jié)果如表1所示。

表1 超聲波測距數(shù)據(jù)及誤差Tab.1 Data and error of the system

由表1中數(shù)據(jù)可知：一方面，由于采用了峰值時(shí)間檢測技術(shù)，使得系統(tǒng)的盲區(qū)很??；另一方面，在所測量程內(nèi)，由于采用了時(shí)間增益補(bǔ)償技術(shù)，使得測量誤差并沒有隨著距離的增大而增大。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)采用高速單片機(jī)STM32做微處理器，利用其內(nèi)部高級(jí)定時(shí)器資源消除了測距系統(tǒng)啟動(dòng)發(fā)射和啟動(dòng)計(jì)時(shí)之間的偏差以及收到中斷到中斷響應(yīng)停止計(jì)時(shí)之間的滯后，提高了測距精度；采用時(shí)間增益補(bǔ)償（TGC）技術(shù)，用單片機(jī)根據(jù)補(bǔ)償要求對(duì)放大器的放大增益進(jìn)行控制，使得不同距離的回波幅度保持基本不變；采用峰值時(shí)間檢測技術(shù)，正確檢測每次回波信號(hào)的峰值時(shí)間點(diǎn)，進(jìn)一步提高回波到達(dá)時(shí)間檢測的精度；采用雙比較器整形電路，在近距離測量時(shí)，有效的屏蔽了衍射信號(hào)，減小了測量盲區(qū)。本系統(tǒng)可以在需要測量盲區(qū)較小、測量精度較高的環(huán)境中使用，具有較大的推廣價(jià)值。

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