基于ARM的超聲波測距設(shè)計(jì)

陶文超 董辛 張益銘

摘要：本文基于ARM內(nèi)核的STM3處理器設(shè)計(jì)了一種單脈 沖反射式超聲測距系統(tǒng)。在分析了超聲波傳感器測距原理和測距范圍后， 提出了自動(dòng)可調(diào)增益減小盲區(qū)、DSl8B20溫度補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)表明自動(dòng)可調(diào)增益電路可使回波信號有較高的信噪比；溫度補(bǔ)償校正可以提高超聲測距儀的精度；所設(shè)計(jì)系統(tǒng)達(dá)到毫米級精度。

關(guān)鍵詞：測距儀 超聲波傳感器 溫度補(bǔ)償

中圖分類號：TB517 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1007-9416（2016）07-0164-01

1 介紹

超聲波測距是一種非接觸式的檢測技術(shù)，主要有脈沖回波法和相位差法，脈沖回波法使用脈沖激勵(lì)探頭向外輻射超聲波，同時(shí)接收反射回來的回波，通過檢測超聲波從發(fā)射至接收所經(jīng)歷的時(shí)間（ToF），可計(jì)算出探頭與被測物體的距離d，即，其中c為聲波在介質(zhì)中的傳播速度，可由下式得出：

t是空氣溫度（℃），T0=273.16K。工程上一般考慮的是溫度的影響

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)來分主要有五個(gè)部分：發(fā)射接收部分，溫度檢測模塊，顯示模塊、中央處理單元。

（1）發(fā)射模塊負(fù)責(zé)發(fā)送40KHZ的方波信號。

（2）接收部分將接收到的回波信號， 經(jīng)檢波放大整形等處理后，送至單片機(jī)中斷口。

（3）單片機(jī)通過中斷控制得出超聲波在空氣中的傳播時(shí)間t，最后根據(jù)公式 s=c×t/2便可得出測量結(jié)果（c為聲速）。

（4）溫度檢測模塊實(shí)時(shí)檢測環(huán)境溫度以修正溫度變化對測量距離精度的影響。

（5）顯示模塊采用LCD顯示坐標(biāo)，其中X軸為時(shí)間，Y軸為測得距離，坐標(biāo)軸下方實(shí)時(shí)顯示測得的距離。

3 主要考慮參數(shù)

（1）傳感器的指向角θ是聲束半功率點(diǎn)的夾角，它直接影響測量的分辨率，對圓片傳感器來說，它的大小與工作波長λ，傳感器半徑r有關(guān)，因（2π/λ）*r*sin（θ/2）=1.615。

本設(shè)計(jì)選f0=40KHz時(shí)λ=C/ f0=8.5mm，壓電傳感器片半徑r=6.3mm，故指向角。

（2）工作頻率?？諝庵谐暡ǖ乃p對頻率很敏感，要求合理選擇超聲波頻率，本方案選擇40KHz左右。

（3）聲速?？紤]到環(huán)境溫度對超聲波傳播速度的影響，通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽鞑ニ俣扔枰孕Ｕ?，以提高測量精度。計(jì)算公式為：V=331.5+0.607T其中，T是溫度。

（4）發(fā)射脈沖寬度。發(fā)射脈沖寬度決定了測距儀的測量盲區(qū)，也影響測量精度，同時(shí)與信號的發(fā)射能量有關(guān)。本設(shè)計(jì)中，選用了8個(gè)40KHz脈沖方波的發(fā)射脈沖寬度。

4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器來測量超聲波從傳播到返回的時(shí)間，系統(tǒng)的主控芯片STM32采用72MHz主頻，距離值的得出及顯示在中斷子程序中完成。中斷響應(yīng)之后，原始數(shù)據(jù)經(jīng)換算子程序計(jì)算后顯示輸出。整個(gè)系統(tǒng)軟件功能的實(shí)現(xiàn)可以分為主程序、子程序、中斷服務(wù)程序幾個(gè)主要部分。

系統(tǒng)初始化過程中，首先對主控芯片STM32時(shí)鐘進(jìn)行設(shè)置：關(guān)閉外設(shè)時(shí)鐘功能，并配置中斷向量表；然后開啟外部時(shí)鐘，即置位RCC->CR.16位也就是HSEON位，并等待時(shí)鐘就緒；設(shè)置APB1時(shí)鐘二分頻；PLL時(shí)鐘三倍頻，并設(shè)置HSE時(shí)鐘作為PLL時(shí)鐘輸入；設(shè)置PLL時(shí)鐘作為系統(tǒng)時(shí)鐘。

設(shè)置GPIOA工作時(shí)鐘為50MHZ。開啟TIMER3時(shí)鐘，設(shè)置TIMER3的自動(dòng)重裝初值為50000，720預(yù)分頻。設(shè)置TIMER0的搶占優(yōu)先級為1，響應(yīng)優(yōu)先級為3，分配至第2組。TIM3->CR1第一位置位，使能定時(shí)器3。

人機(jī)界面初始化：LCD應(yīng)用GPIOB和GPIOC，在初始化中，均設(shè)置為推挽輸出模式，工作時(shí)鐘頻率為50MHZ。初始化后，LCD顯示屏顯示出超聲波距離---測距次數(shù)的坐標(biāo)抽，并顯示字符串“distancem”。

5 超聲波測距程序流程

超聲波TRIG引腳即GPIOA第八腳，發(fā)送一個(gè)大于10uS的方波，使超聲波模塊發(fā)射一段超聲波，然后等待ECHO被拉高。拉高之后，超聲波ECHO引腳開始檢測返回聲波并啟動(dòng)定時(shí)器，記錄當(dāng)前定時(shí)器3的計(jì)數(shù)器TIM3->CNT寄存區(qū)，此數(shù)據(jù)為new_cnt，然后等待超聲波的ECHO引腳拉低，當(dāng)超聲波模塊檢測到回聲后，記錄此時(shí)定時(shí)器3的計(jì)數(shù)器TIM3->CNT寄存器，此數(shù)據(jù)為old_cnt。兩次計(jì)數(shù)器的值相減即得到超聲波在空氣中的傳輸時(shí)間。根據(jù)公式：S=（new_cnt-old_cnt）*340/（2*100000）。

即可計(jì)算出距離S，能夠精確至毫米。得到距離S后，需要進(jìn)行一個(gè)盲區(qū)處理，超聲波具有3-5厘米的盲區(qū)處理，因此只有當(dāng)S>5厘米時(shí)，證明采集的距離有效。

6 過程及分析

基于前面設(shè)計(jì)的電路及程序進(jìn)行了超聲回波特性試驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)一：同一溫度下，測量不同的距離，記錄實(shí)際距離和測量距離，并進(jìn)行比。

實(shí)驗(yàn)二：不同溫度下在一固定處分別對有溫度補(bǔ)償和無溫度補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)進(jìn)行距離測量實(shí)驗(yàn)，實(shí)由實(shí)驗(yàn)可知，若溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變，可通過標(biāo)準(zhǔn)距離（1+T/273.16）1/2校準(zhǔn)后使用。如果溫度變化較大且測距精度要求高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償加以校正。

實(shí)驗(yàn)三：在不同位置處測量距離，目的是檢測測距儀表的盲區(qū)大小，由實(shí)驗(yàn)三分析可知，本測距儀表的盲區(qū)為6cm。

7 結(jié)語

本文完成了對小盲區(qū)的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，在設(shè)計(jì)中采用了自動(dòng)可調(diào)增益電路和溫度補(bǔ)償校正的方法來減小系統(tǒng)的盲區(qū)并提高其精度，并且通過實(shí)驗(yàn)來證實(shí)其效果。由于篇幅的限制，并未給出相關(guān)程序。

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