超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄧毅 郭小華

摘? 要：為了提高系統(tǒng)測(cè)距精度，該文將在以往研究的基礎(chǔ)上，選取STM32作為核心處理器，開(kāi)發(fā)一套超聲波測(cè)距系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在漏波情況和不漏波情況下測(cè)量精度較高，且不受溫度影響。

關(guān)鍵詞：測(cè)距系統(tǒng);超聲波;STM23

中圖分類號(hào)：TN912? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

超聲波測(cè)距具有防塵防霧功效，屬于非接觸測(cè)量工具，在各個(gè)領(lǐng)域均有所應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)觀察測(cè)量精度，可以有效判斷系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。傳統(tǒng)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)在硬件選取和軟件開(kāi)發(fā)上均存在不足，導(dǎo)致誤差較大，大小在1 cm左右。因此，改進(jìn)超聲波測(cè)距系統(tǒng)研究顯得尤為重要。

1 超聲波測(cè)距原理

超聲波是一種機(jī)械波，在20 kHz以上頻率彈性介質(zhì)中傳播。測(cè)量距離的原理如下：

選取發(fā)射轉(zhuǎn)換器作為操作工具，利用此工具向外發(fā)射超聲波并計(jì)時(shí)，測(cè)量超聲波在空氣中的傳輸速率。當(dāng)超聲波遇到障礙物會(huì)立即反射，當(dāng)接收器接收到超聲波以后停止計(jì)時(shí)。

假設(shè)測(cè)量目標(biāo)障礙物與發(fā)射起始點(diǎn)之間的距離為S（單位：m），計(jì)時(shí)時(shí)間為t（單位：s），超聲波在空氣介質(zhì)中傳輸速度為v（單位：m/s），可以得到以下關(guān)系：

在公式（2）和公式（3）中，H代表傳感器布設(shè)位置與障礙物之間的直線距離;L代表傳感器與換能器之間的距離。將公式（1）、公式（2）、公式（3）組合到一起，可以得到以下關(guān)系：

假設(shè)傳輸頻率為f，波長(zhǎng)為λ，則2項(xiàng)參數(shù)與聲波傳輸速度之間的關(guān)系公式為：

2 基于STM32的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于超聲波測(cè)距原理，該文選取STM32作為核心控制器，設(shè)計(jì)一套超聲波測(cè)距系統(tǒng)，設(shè)計(jì)內(nèi)容分為系統(tǒng)硬件、系統(tǒng)軟件、上位機(jī)。

2.1 系統(tǒng)硬件

超聲波測(cè)距系統(tǒng)硬件由蜂鳴器、LCD顯示模塊、ESP8266無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊、STM32主控芯片、溫度傳感器、超聲波傳感器6個(gè)部分構(gòu)成。如圖1所示為超聲波測(cè)距系統(tǒng)硬件框架圖。

2.1.1 蜂鳴器

蜂鳴器主要起到警示作用，如果系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)生異常，即測(cè)量距離超出安全范圍，則系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)蜂鳴器，發(fā)出警報(bào)。

2.1.2 LCD顯示模塊

該功能模塊主要是借助液晶顯示屏顯示信息采集終端的數(shù)據(jù)信息，便于用戶查看數(shù)據(jù)。

2.1.3 ESP8266無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊

該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊采用的傳輸協(xié)議為T(mén)CP/IP協(xié)議，支持距離數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)傳輸，從現(xiàn)場(chǎng)采集終端傳輸至上位機(jī)。

2.1.4 STM32主控芯片

該文選取STM32系列單片機(jī)作為核心控制器，利用此控制器下達(dá)各個(gè)器件的控制命令。此單片機(jī)主頻率為168 MHz，定時(shí)器誤差為0.002 mm，精度為0.005952 μs。由于STM32單片機(jī)的誤差較小，所以在實(shí)際應(yīng)用中其誤差可以忽略不計(jì)。

2.1.5 溫度傳感器

該文選取DS18B20作為系統(tǒng)溫度傳感器，此傳感器的誤差精度為±0.5 ℃，對(duì)聲速測(cè)量造成的影響大約為±305 m/s，在誤差允許范圍之內(nèi)。

2.1.6 超聲波傳感器

該文選取HC-SR04型號(hào)傳感器作為超聲波傳感器，與同種類型傳感器相比，該傳感器測(cè)量精度更高一些，并且運(yùn)行穩(wěn)定。

該傳感器是系統(tǒng)獲取信號(hào)的主要器件之一，含有4個(gè)引腳，除了接地GND和接電VCC引腳以外，還包括回波引腳（Echo）、脈沖出發(fā)引腳（Trig）。系統(tǒng)上電以后，脈沖觸發(fā)引腳接收到發(fā)射端發(fā)送來(lái)超聲波信號(hào)以后，回波引腳電平將從低電平轉(zhuǎn)換為高電平。

2.2 系統(tǒng)軟件

該系統(tǒng)采用Keil5開(kāi)發(fā)系統(tǒng)軟件，利用C語(yǔ)言編寫(xiě)系統(tǒng)程序。如圖2所示為系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)流程。

第一步：系統(tǒng)初始化。

第二步：測(cè)量溫度數(shù)據(jù)和距離數(shù)據(jù)。

第三步：修整三角函數(shù)和濾波算法。

第四步：判斷修整后的閾值的超神波測(cè)量距離之間大小關(guān)系，如果測(cè)量距離超出了閾值，則蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，執(zhí)行第五步;反之，執(zhí)行第五步。

第五步：借助LCD液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)信息，同時(shí)返回第二步。

在開(kāi)發(fā)系統(tǒng)軟件過(guò)程中，考慮到接收器和換能器之間存在一定距離，容易影響測(cè)量距離精度，即測(cè)量得到的距離與實(shí)際距離不符。按照該文給出的公式（3）的距離關(guān)系可知，實(shí)際距離H小于測(cè)量距離S。為了提高測(cè)量精度，不可以忽略H與S之間的誤差。針對(duì)此問(wèn)題，該文在對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)，利用公式（3）對(duì)函數(shù)進(jìn)行修整，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到實(shí)際距離。如果H為2.7 cm，則L取值為1.35 cm。

該系統(tǒng)采用頻率為40 kHz的超聲波信號(hào)，信號(hào)在空氣中的傳輸速度為340 m/s，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到長(zhǎng)度λ=0.85 cm。在不漏掉脈沖波形的情況下，誤差較小，滿足系統(tǒng)測(cè)量要求。如果在信號(hào)采集與傳輸過(guò)程中漏掉脈沖，采取復(fù)小波變換法，檢測(cè)回波包絡(luò)峰值，或采用中位值平均濾波算法進(jìn)行處理，最終測(cè)量結(jié)果取平均值。

2.3 上位機(jī)

該系統(tǒng)采用Lab VIEW軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，直接嵌入C語(yǔ)言。上位機(jī)界面開(kāi)發(fā)除了用戶IP地址管理功能以外，還包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)部分。如圖3所示為上位機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)量與報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)界面。

在圖3中，設(shè)定了測(cè)量距離、當(dāng)前環(huán)境溫度、預(yù)設(shè)報(bào)警值、當(dāng)前報(bào)警值4個(gè)功能框，能夠采集和設(shè)定數(shù)據(jù)信息，便于用戶操作。

3 系統(tǒng)測(cè)試分析

為了驗(yàn)證該文設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可靠性，該文對(duì)3種情況下系統(tǒng)運(yùn)行效果進(jìn)行測(cè)試分析。

3.1 不漏波形情況在不漏波形情況下，對(duì)系統(tǒng)測(cè)量精度進(jìn)行測(cè)試分析，表1為測(cè)量結(jié)果。

通過(guò)觀察表1中的數(shù)據(jù)可知，在不漏波的情況下，該系統(tǒng)的測(cè)量誤差在0.24%以下，滿足系統(tǒng)測(cè)量精度要求。

3.2 漏波形情況針對(duì)漏波情況，該文采取中位值平均濾波算法進(jìn)行處理，得到表2中的測(cè)試結(jié)果。

通過(guò)觀察表2中的測(cè)試結(jié)果可知，采取中位值平均濾波算法處理后的數(shù)值誤差在允許范圍之內(nèi)。

3.3 溫度變化情況為了探究溫度變化是否會(huì)對(duì)系統(tǒng)測(cè)量精度造成影響，該文對(duì)不同溫度下的測(cè)量精度進(jìn)行測(cè)試分析，見(jiàn)表3。

4 結(jié)語(yǔ)

該文在傳統(tǒng)超聲波測(cè)距系統(tǒng)基礎(chǔ)上，選取STM32作為核心處理器，提出了超聲波測(cè)距系統(tǒng)研究，分為系統(tǒng)硬件、系統(tǒng)軟件、上位機(jī)3個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在漏波情況和不漏波情況下測(cè)量精度較高，且不受溫度影響。

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