基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计
- 格式：pdf
- 大小：338.24 KB
- 文档页数：4
电子设计工程ElectronicDesignEngineering第19卷
Vol.19第15期
No.152011年8月
Aug.2011
基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计
苑洁，常太华
（华北电力大学控制与计算机工程学院，北京102206
）
摘要：提出了一种基于STM32
单片机的超声波测距系统的设计方案。与传统单片机相比，STM32
的主频和定时器的
频率高达72MHz
，提高了时间测量的分辨率。在开启定时器计时的同时，启动PWM
通道驱动超声波发射器和输入捕
获通道捕捉回波信号，提高了测量的精度。在充分分析超声波测距产生盲区和误差原因的基础上，设计了时间增益补
偿电路（TGC
）和双比较器整形电路分别测量远、近距离，并通过软件算法对回波信号进行峰值时间检测，简化了电
路。实验研究表明，该系统测量精度达到了1mm
，盲区低至2.5cm
。
关键词：STM32
单片机；超声波测距；双比较器；时间增益补偿（TGC
）；峰值时间检测
中图分类号：TP216
文献标识码：文章编号：1674－6236
（2011
）15-0076-03
Designofultrasonicdistancemeasurementsystem
basedonSTM32microprocessor
YUANJie
，CHANGTai-hua
（NorthChinaElectricPowerUniversity
，Beijing102206
，China
）
Abstract
：AnultrasonicdistancemeasurementsystembasedonSTM32Microprocessorispresented.Comparedwiththe
traditionalmicrocontroller
，thebasicfrequencyandtheTimerfrequencyoftheSTM32microcontrollerreachupto72MHz
，
whichimprovetheresolutionofthemeasuringtime.ThesuperiorityisthatyoucanstartPWMchannelstodriveultrasonic
transmittersandinputcapturechannelatthesametime.Thetimegaincompensation
（TGC
）circuitandthedouble
comparatorplasticcircuitareusedtoreducetheblindareaanderror.Inaddition
，usingthepeaktimedetectingtechnique
throughthesoftwarealgorithm
，thearrivaltimeofultrasonicechocanbecorrectlydetected.Theexperimentsshowthatthe
systemmeasurementaccuracycanreachto1mmandtheblindarealowto2.5cm.
Keywords
：STM32Microprocessor
；ultrasonicdistancemeasuring
；doublecomparator
；time-gaincompensation
（TGC
）；
peaktimedetecting
收稿日期：2011-05-28
稿件编号：201105115
基金项目：国家自然基金重点项目（51036002
）
作者简介：苑洁（1982
—），女，山东日照人，硕士研究生。研究方向：检测新技术与自动化装置等。超声波测距是一种典型的非接触测量方式。超声波在气
体、液体及固体中以不同速度传播，定向性好、能量集中、传
输过程中衰减较小、反射能力较强［1］。且超声波测距系统结构
简单、电路易实现、成本低、速度快，所以在工业自动控制、建
筑工程测量和机器人视觉识别等领域应用非常广泛。
超声波测距一般采用渡越时间法［2-4］。超声波测距的实质
是时间的测量，即：用超声脉冲激励超声探头向外发射超声
波，同时接收从被测物体反射回来的超声波（简称回波），通
过精确测量从发射超声波至接收回波所经历的射程时间t
（渡越时间），按下式计算超声波探头与被测物体之间的距离
S
，即
S=1
2ct
（1
）
其中，c
为空气介质中声波的传播速度。
在常温下，超声波的传播速度为340m／s
，但其传播速度c
易受到空气中温度、湿度、压强等因素的影响，其中温度的
影响最大。一般温度每升高1℃
，声速增加约为0.6m／s［5］。
本文采用DS18B20
数字温度计来检测现场温度，用以实现波
速的校准，因很多文献对此都有说明，故本文不做深入介绍。
c=331.4×1+T/273
姨
≈331.4+0.607T
（m/s
）（2
）
式中，T
为环境温度。
1系统组成
超声波测距系统由STM32
单片机、超声波发射电路、接
收电路、放大电路、比较整形电路、测温电路等组成。系统以
STM32
单片机为核心，协调各部分电路工作。STM32
单片机
首先发出一系列频率为40kHz
的方波，输送给超声波发射
电路并激励出超声波。超声波在空气中传播，遇障碍物返回，
进入超声波接收器，然后经过滤波、放大、整形，进入单片机。
系统框图如图1
所示。
－76－
2硬件设计
2.1
超声波发射电路
工作原理为：由STM32
的高级定时器TIM1
输出两路
40kHz
、占空比为50%
的互补的PWM
信号，经过Max232
升
压产生约18Vpp
来驱动超声波发射器T40-16
，并激励出超
声波，每次发射8
个周期脉冲。电路通过三极管Q1
来开、关
Max232
的电源，在开始发射前，打开Max232
的电源，待电路
稳定后开始发射，并在发射结束后关断Max232
电源，这样设
计不仅降低了发射电路对接收电路的干扰，同时也降低了功耗。发射电路如图2
所示。
2.2
双比较器整形电路
超声波发射器发出的超声束角度是0°
到
360
°
，主要集中
在0°
到±60°
，
由于安装
壳的阻挡，超声波不能直接发射到接
收器上。但是因为声波传输的特性，声波会出现未经障碍物
反射就直接回到接收探头被检测到，造成接收器认为是实际
发射收到的回波信号，导致误报。这种现象就是声波的衍射
现象，无法避免。
衍射信号的幅值随着超声波发射探头和接收探头之间
距离的增大而减小，实际设计过程中不会将测距模块设计的
太大，因此超声波收、发探头之间的距离也较小，但是当被测
距离L
比较小时，反射信号的幅值相对于衍射信号大的多，
所以设置合适的近距离比较器阈值，就可以完全屏蔽衍射
波，而只有反射波才能通过。本文对远、近距离的测量采用不
同阈值的比较器。近距离比较器测量2.5～50cm
的范围，远距
离比较器测50cm～4m
的范围。
回波信号由NE5532
放大，经比较器LMV331
整形后进入单片机。回波信号经过一级放大后，一路经过近距离比较
器LMV331
，比较整形后进入单片机。另一路进入增益可控可
调的放大电路。其中，NE5532
是一款双运放、高性能、低噪声
的运算放大器，相比较大多数标准运放，显示出更好的噪声
性能，具有相当高的小信号带宽和电源带宽。电路如下图3
所示。
2.3
时间增益（TGC
）补偿电路
超声波在空气中传播时，声强随着传播距离的增加而减
小，这就是所说的声衰减现象，造成衰减的原因是声束本身
的扩散以及声波的反射、散射等。由于回波信号的幅值随着被
测距离的增大而呈指数规律衰减，远距离目标的回波信号幅
度小，为了提高测距精度，必须对衰减的回波进行增益补偿［6］。
基于此，设计了时间增益补偿电路。时间增益补偿电路（TGC
）
通过电子可调电位器改变输入电阻来实现，如图4
所示。
其中，MAX5161
是一种具有32
级抽头的数字电位器，
端-
端阻值为50kΩ
，具有3
线串行接口，实现阻值的调节。
事先把通过实验获得的与一定距离对应的放大增益换算成
数字电位器的抽头位置，并把这些位置参数固化到E2PROM
中。在测量过程中，单片机通过查表方式获得对应的增益，然
后通过串行设置对应增益。利用单片机控制数字电位器，电
路实现较简单、增益控制范围大且补偿特性能根据需要进行
调整，充分利用了单片机的软件资源。
3软件算法
3.1
基本流程
系统以STM32
单片机为核心，实现对各部分的控制和响
应。测距软件的基本流程：首先使用美国DALAS
公司生产的
DS18B20
数字温度传感器测量环境温度，通过查找事先建立图1超声波测距系统框图
Fig.1Blockdiagramofultrasonicdistancemeasurementsystem
图2超声波发射电路
Fig.2Transmittedcircuitofultrasonicsensors图3放大和比较整形电路
Fig.3Amplifyingandcomparativeplasticcircuit
图4时间增益补偿电路
Fig.4Time-gaincompensationcircuit苑洁，等基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计
－77－
