苑潔，常太華

（華北電力大學控制與計算機工程學院，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［1］。且超聲波測距系統(tǒng)結構簡單、電路易實現、成本低、速度快，所以在工業(yè)自動控制、建筑工程測量和機器人視覺識別等領域應用非常廣泛。

超聲波測距一般采用渡越時間法［2-4］。超聲波測距的實質是時間的測量，即：用超聲脈沖激勵超聲探頭向外發(fā)射超聲波，同時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歷的射程時間t（渡越時間），按下式計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數字溫度計來檢測現場溫度，用以實現波速的校準，因很多文獻對此都有說明，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、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單片機為核心，協(xié)調各部分電路工作。STM32單片機首先發(fā)出一系列頻率為40 kHz的方波，輸送給超聲波發(fā)射電路并激勵出超聲波。超聲波在空氣中傳播，遇障礙物返回，進入超聲波接收器，然后經過濾波、放大、整形，進入單片機。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 硬件設計

2.1 超聲波發(fā)射電路

工作原理為：由STM32的高級定時器TIM1輸出兩路40 kHz、占空比為50%的互補的PWM信號，經過Max232升壓產生約18 Vpp來驅動超聲波發(fā)射器T40-16，并激勵出超聲波，每次發(fā)射8個周期脈沖。電路通過三極管Q1來開、關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)射結束后關斷Max232電源，這樣設計不僅降低了發(fā)射電路對接收電路的干擾，同時也降低了功耗。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。但是因為聲波傳輸的特性，聲波會出現未經障礙物反射就直接回到接收探頭被檢測到，造成接收器認為是實際發(fā)射收到的回波信號，導致誤報。這種現象就是聲波的衍射現象，無法避免。

衍射信號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，實際設計過程中不會將測距模塊設計的太大，因此超聲波收、發(fā)探頭之間的距離也較小，但是當被測距離L比較小時，反射信號的幅值相對于衍射信號大的多，所以設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。本文對遠、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，遠距離比較器測50 cm～4 m的范圍。

回波信號由NE5532放大，經比較器LMV331整形后進入單片機?；夭ㄐ盘柦涍^一級放大后，一路經過近距離比較器LMV331，比較整形后進入單片機。另一路進入增益可控可調的放大電路。其中，NE5532是一款雙運放、高性能、低噪聲的運算放大器，相比較大多數標準運放，顯示出更好的噪聲性能，具有相當高的小信號帶寬和電源帶寬。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 時間增益（TGC）補償電路

超聲波在空氣中傳播時，聲強隨著傳播距離的增加而減小，這就是所說的聲衰減現象，造成衰減的原因是聲束本身的擴散以及聲波的反射、散射等。由于回波信號的幅值隨著被測距離的增大而呈指數規(guī)律衰減，遠距離目標的回波信號幅度小，為了提高測距精度，必須對衰減的回波進行增益補償［6］。基于此，設計了時間增益補償電路。時間增益補償電路（TGC）通過電子可調電位器改變輸入電阻來實現，如圖4所示。

圖4 時間增益補償電路Fig.4 Time-gain compensation circuit

其中，MAX5161是一種具有32級抽頭的數字電位器，端-端阻值為50 kΩ，具有3線串行接口，實現阻值的調節(jié)。事先把通過實驗獲得的與一定距離對應的放大增益換算成數字電位器的抽頭位置，并把這些位置參數固化到E2PROM中。在測量過程中，單片機通過查表方式獲得對應的增益，然后通過串行設置對應增益。利用單片機控制數字電位器，電路實現較簡單、增益控制范圍大且補償特性能根據需要進行調整，充分利用了單片機的軟件資源。

3 軟件算法

3.1 基本流程

系統(tǒng)以STM32單片機為核心，實現對各部分的控制和響應。測距軟件的基本流程：首先使用美國DALAS公司生產的DS18B20數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-溫度對照表得到當前聲速；開啟計數器計時，同時通過STM32的PWM模塊產生8個周期40 KHz的脈沖方波和輸入捕捉模塊捕獲超聲波回波。待回波進入接收電路，經放大／整形等硬件處理后，進入單片機。單片機捕捉到回波的觸發(fā)信號，并記錄產生下降沿的時刻；經過軟件濾波，和峰值時間檢測算法，得到峰值時刻作為回波到達的時刻，最后計算距離。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的高級定時器由一個16位的自動裝載計數器組成，時鐘源頻率高達72 MHz，大大提高了時間測量的分辨率。高級定時器有4個獨立的通道，本文利用其互補的PWM來驅動超聲波發(fā)射器，輸入捕獲通道來捕捉回波信號，在開啟定時器的同一時刻也啟動了PWM，這不僅消除了啟動發(fā)射和啟動計時之間的誤差，并且捕獲通道精準的記錄了超聲波回波到達的時刻（比較器的下降沿）。待單片機進入中斷后讀取該值，而非等到進入中斷后才開始讀取當前計時器的值。

3.2 峰值時間檢測

回波信號處理常規(guī)的方法是采用具有固定閾值電平的比較器電路，將回波信號與某一固定閾值電平在比較器電路中進行比較，比較器輸出的翻轉時間就是回波到達的時間，在使用了時間增益補償電路后，超聲波回波信號的幅值得到了相對的穩(wěn)定，但由于回波信號幅度仍存在一定程度的波動及回波信號被展寬，造成了時間檢測產生一定的誤差，因而在設計中把回波幅度的峰值時間點作為回波到達的時間。傳統(tǒng)的峰值檢測方法大多通過硬件電路，包括包絡檢測電路、微分電路和過零檢測電路，設計較復雜，難實現。本文通過軟件方法來實現峰值檢測。

超聲波回波經過比較器LMV331后，將產生頻率為40 kHz的方波，由于比較器閾值固定，回波信號的占空比將由小變大，達到一個最大值后再變小，而占空比最大處正對應著峰值點所在的回波波形，th/2處對應著峰值時刻點，如圖6所示。STM32的PWM輸入模式啟用兩個輸入捕獲單元對應同一個輸入信號，分別捕獲信號的上升沿和下降沿，可以方便計算出回波信號的頻率和占空比。

4 實驗結果

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

表1 超聲波測距數據及誤差Tab.1 Data and error of the system

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

5 結束語

系統(tǒng)采用高速單片機STM32做微處理器，利用其內部高級定時器資源消除了測距系統(tǒng)啟動發(fā)射和啟動計時之間的偏差以及收到中斷到中斷響應停止計時之間的滯后，提高了測距精度；采用時間增益補償（TGC）技術，用單片機根據補償要求對放大器的放大增益進行控制，使得不同距離的回波幅度保持基本不變；采用峰值時間檢測技術，正確檢測每次回波信號的峰值時間點，進一步提高回波到達時間檢測的精度；采用雙比較器整形電路，在近距離測量時，有效的屏蔽了衍射信號，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，具有較大的推廣價值。

[1]韋穗林.數字式超聲波測距儀的研制[J].電子設計工程，2009，17（10）：39-41.

WEI Sui-lin.Development of the digital ultrasonic rangefinder［J］.Electronic Design Engineering，2009，17（10）：39-41.

[2]趙連玉，趙小強.超聲波測距系統(tǒng)中的溫度補償[J].組合機床與自動化加工技術，2008（12）：62-64.

ZHAO Lian-yu，ZHAO Xiao-qiang.Compensation of temperature in ultrasonic ranging system[J].Modular Machine Tool&Automatic Manufacturing Technique，2008（12）：62-64.

[3]劉光華，卜英勇，王紀嬋.基于單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器，2007（2）：66-68.

LIU Guang-hua，BU Ying-yong，WANG Ji-chan.Ultrasonic distance measure system with high precision based on single-chip microcomputer[J].Instrument Technique and Sensor，2007（2）：66-68.

[4]張凱，王安敏.基于AT89C52單片機的超聲波測距系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器，2006（6）：45-49.

ZHANG Kai，WANG An-min.Ultrasonic distance testing system based on AT89C52 Single-chip microcomputer[J].Instrument Technique and Sensor，2006（6）：45-49.

[5]王文生，齊廣學，溫淑慧.一種高精度超聲測距方法的研究[J].傳感技術學報，2002（3）：219-221.

WANG Wen-sheng，QI Guang-xue，WEN Shu-hui.Study of a new ultrasonic distance measurement method with high precision[J].Chinese Journal of Sensors and Actuators，2002（3）：219-221.

[6]黃心漢，曾祥進，王敏.自動增益電路在超聲波測距系統(tǒng)中的應用研究[J].測控技術，2005，24（7）：69-71.

HUANG Xin-han，ZENG Xiang-jin，WANG Min.Application&research of auto-gain circuit in ultrasonic place measurement system[J].Measurement&Control Technology，2005，24（7）：69-71.