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(yīng)用于各領(lǐng)域當(dāng)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(yuǎn)、指向性強(qiáng)等諸多優(yōu)點，這使得超聲波測距成為目前應(yīng)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(chǔ)上，提出了STM32單片機(jī)的高精度超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計方案，并對該系統(tǒng)的硬件設(shè)計與軟件設(shè)計以及系統(tǒng)組成進(jìn)行了詳細(xì)的說明。

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

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

相比于傳統(tǒng)的單片機(jī)，STM32單片機(jī)具有更高的時間測量分辨率，其主頻與定時器頻率高達(dá)72MHz，且該單片機(jī)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(zhǔn)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(jī)才能設(shè)計出性能良好的STM32單片機(jī)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(xué)、電子科學(xué)、測量學(xué)等學(xué)科當(dāng)中。超聲波的產(chǎn)生是通過機(jī)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(shè)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(jī)的高精度超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計

2.1系統(tǒng)組成

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

2.2系統(tǒng)硬件設(shè)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(yīng)的機(jī)理信號對一特定形式的電壓進(jìn)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(fù)責(zé)對超聲波回波信號進(jìn)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(jìn)入到STM32單片機(jī)當(dāng)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(bǔ)償電路

受聲波的反射、散射和聲束本身擴(kuò)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(jī)的高精度超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計過程中，為了提高測量結(jié)果的精度，設(shè)計人員通常會對衰減的超聲波回波進(jìn)行時間增益補(bǔ)償，這就需要將超聲波補(bǔ)償電路加入到系統(tǒng)設(shè)計之內(nèi)，超生波補(bǔ)償電路的設(shè)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(jī)，該單片機(jī)對主控器主頻與定時器的控制是通過PLL進(jìn)行陪頻，從而讓主控器的頻率可以達(dá)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(shè)計

STM32單片機(jī)的高精度超聲波測距系統(tǒng)，其軟件設(shè)計的主要流程如下：首先，對系統(tǒng)各個模塊進(jìn)行初始化，通過STM32單片機(jī)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(jìn)行捕捉的超聲波回波輸入到捕捉指令當(dāng)中；其次，待超聲波回波順利進(jìn)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(jìn)行相應(yīng)的處理并傳送到STM32單片機(jī)內(nèi)，當(dāng)STM32單片機(jī)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(dá)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(jī)的高精度超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計的介紹可知，該系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)距離的準(zhǔn)確測量，而且反應(yīng)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(luò)技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等來設(shè)計STM32單片機(jī)的高精度超聲波測距系統(tǒng)，并對超聲波檢測技術(shù)進(jìn)行不斷的完善與革新，在提高STM32單片機(jī)性能的基礎(chǔ)上，設(shè)計出能夠適應(yīng)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(xiàn)

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

[2]夏繼強(qiáng)，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(shè)計與實現(xiàn)[J].合肥學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，01：41-44.

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

[5]蔡光昭，洪遠(yuǎn)泉，周永明.基于STM32的超聲波測速測距系統(tǒng)設(shè)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(xué)生，研究方向：嵌入式或者計算機(jī)軟件開發(fā)。