STM32單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)的設計

摘要：超聲波檢測技術(shù)因其具有高超的檢測功能而被人們廣泛應用于各領(lǐng)域當中，如建筑行業(yè)、汽車行業(yè)、工業(yè)等。超聲波檢測技術(shù)在使用過程中不會受到電磁波、光線、粉塵等各種因素的影響，具有傳播距離遠、指向性強等諸多優(yōu)點，這使得超聲波測距成為目前應用最為普遍的一項技術(shù)。本文在介紹超聲波測距原理及方法的基礎上，提出了STM32單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)的設計方案，并對該系統(tǒng)的硬件設計與軟件設計以及系統(tǒng)組成進行了詳細的說明。

關(guān)鍵詞：高精度超聲波測距系統(tǒng) STM32單片機 原理 設計

中圖分類號： TP368 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2015）10-0000-00

相比于傳統(tǒng)的單片機，STM32單片機具有更高的時間測量分辨率，其主頻與定時器頻率高達72MHz，且該單片機在開啟定時器的同時，會啟動PWM通道驅(qū)動超聲波發(fā)射器和通道捕捉回波信號，提高了測量的精度和準確性。超聲波測距是一種典型的非接觸測量方式，在不同的傳播介質(zhì)中具有不同的傳播速度其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低。只有了解超聲波測距的原理、了解STM32單片機才能設計出性能良好的STM32單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)。

1超聲波測距的原理及檢測方法

超聲波檢測技術(shù)是基于非接觸測量方式而逐漸發(fā)展起來的一門技術(shù)，這種非接觸測量方式會經(jīng)常出現(xiàn)在材料學、電子科學、測量學等學科當中。超聲波的產(chǎn)生是通過機械振動而得到，其傳播速度會隨著傳播介質(zhì)的變化而變化。超聲波測距的實現(xiàn)主要是通過超聲波的產(chǎn)生、傳播與接收回波這三個主要過程。

目前，聲波幅值檢測法、渡越時間檢測法和相位檢測法是超聲波測距的三種主要檢測方法。聲波幅值檢測法，容易受到傳播介質(zhì)的干擾，所以其測量精度較差。渡越時間檢測法，與其他兩種檢測方法相比，成本較低，測量范圍較廣，且實現(xiàn)簡單，因此本文高精度超聲波測距系統(tǒng)的設計決定采用渡越時間檢測法。相位檢測法，在實際測量過程中，其測量精度要高于其他兩種檢測方法，但測量范圍具有一定的局限性[1]。

2 STM32單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)設計

2.1系統(tǒng)組成

STM32單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)的設計主要由STM32單片機、超聲波發(fā)射電路、接受電路、補償電路和軟件等構(gòu)成。該系統(tǒng)將STM32單片機作為整個系統(tǒng)的核心，通過協(xié)調(diào)各部分電路工作，進而實現(xiàn)高精度的超聲波測距[2]。

2.2系統(tǒng)硬件設計

2.2.1超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射電路兩個最主要的組成部分就是超聲波探頭和超聲波激勵電路。超聲波探頭不僅是超聲波發(fā)射電路的一個重要組成部分，更是整個超聲波測距系統(tǒng)的重要組成部分。它是超聲波測距系統(tǒng)中用以發(fā)射或接受超聲波信號的主要器件。超聲波激勵電路的基本工作原理是首先利用相應的機理信號對一特定形式的電壓進行處理之后，將其加載到超聲波探頭上，然后再通過超聲波探頭壓電晶片將其自身所具有的電能轉(zhuǎn)化為超聲波信號[3]。

2.2.2超聲波接收電路

超聲波接收電路由超聲波信號采集與超聲波信號處理兩部分組成，該電路主要負責對超聲波回波信號進行捕捉。由于電脈沖信號是由超聲波傳感器在接收到超聲波回波信號之后經(jīng)過轉(zhuǎn)變而形成的，所以在正常情況下，它是無法直接進入到STM32單片機當中的。另外，超聲波在傳播過程中，往往會有部分超聲波因為在輔助介質(zhì)中傳播而發(fā)生耗損現(xiàn)象，且超聲波回波信號減小的幅度也會隨著被測物體距離的增大而增大[4]。

2.2.3超聲波補償電路

受聲波的反射、散射和聲束本身擴散等的影響，使得超聲波在傳播過程中其大小將會隨著傳播距離的改變而改變，傳播距離越大，超聲波信號則越小。在STM32單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)設計過程中，為了提高測量結(jié)果的精度，設計人員通常會對衰減的超聲波回波進行時間增益補償，這就需要將超聲波補償電路加入到系統(tǒng)設計之內(nèi)，超生波補償電路的設計基本上都是采用具有時間增益控制功能的接收放大器。

2.2.4主控器

該系統(tǒng)的核心組成部分采用STM32單片機，該單片機對主控器主頻與定時器的控制是通過PLL進行陪頻，從而讓主控器的頻率可以達到72MHz。主控器擁有如此高分辨率的定時器，可以實現(xiàn)超聲波測距的高精度測量[5]。

2.3系統(tǒng)軟件設計

STM32單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)，其軟件設計的主要流程如下：首先，對系統(tǒng)各個模塊進行初始化，通過STM32單片機的PWM產(chǎn)生頻率為40KHz的、具有8個周期的脈沖方波，并將要在模塊中進行捕捉的超聲波回波輸入到捕捉指令當中；其次，待超聲波回波順利進入到接收電路之后，利用整形電路和放大電路等硬件對其進行相應的處理并傳送到STM32單片機內(nèi)，當STM32單片機捕捉到回波觸發(fā)信號時，利用軟件濾波和峰值時間檢測法來計算出峰值時刻回波的到達時間；最后，借助相關(guān)計算公式得出被測距離值。

3結(jié)語

通過文章對STM32單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)設計的介紹可知，該系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)距離的準確測量，而且反應速度快、成本低、穩(wěn)定性高，能夠較好的滿足各領(lǐng)域的日常需求。利用網(wǎng)絡技術(shù)和計算機技術(shù)等來設計STM32單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)，并對超聲波檢測技術(shù)進行不斷的完善與革新，在提高STM32單片機性能的基礎上，設計出能夠適應與滿足未來各領(lǐng)域日常生產(chǎn)與發(fā)展需要的超聲波測距系統(tǒng)，對我國各領(lǐng)域來說都具有重要的意義。

參考文獻

[1]劉昕.基于STM32單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)的設計[J].電子制作，2013，16：10.

[2]夏繼強，鄭昆，鄭健峰，沈忱.基于STM32的收發(fā)一體式超聲波測距系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014，08：43-45+52.

[3]李翠花，梁德民，周曉美.高精度的超聲波測距系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].合肥學院學報（自然科學版），2012，01：41-44.

[4]張春光.基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)的設計[J].機床與液壓，2008，07：208-211.

[5]蔡光昭，洪遠泉，周永明.基于STM32的超聲波測速測距系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，24：87-89.

收稿日期：2015-09-12

作者簡介：周輝（1992—），男，湖北隨州人，學生，研究方向：嵌入式或者計算機軟件開發(fā)。