李昊林 徐磊 潘少杰 王祿祥 蔡大維

摘要：該文在分析超聲波測距原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種以超聲波換能器為核心，采用STM32F407單片機來實現(xiàn)聲波發(fā)送與回波接收的測距裝置，并將回波數(shù)據(jù)傳送至上位機，回波強弱采用不同顏色進行區(qū)分，實現(xiàn)可視化。實驗結(jié)果表明，設(shè)計的測距系統(tǒng)運行穩(wěn)定，方便安裝，測量精度高，人機交互界面良好，能夠準確地傳送數(shù)據(jù)，具有較高的應用價值。

關(guān)鍵詞：超聲波測距；換能器；STM32F407；回波信號

中圖分類號：TH717 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）21-0271-02

目前，市場上測距的方法多種多樣，先后出現(xiàn)了激光、微波雷達、紅外線及超聲波測距方式[1]。其中，激光測距精度較高但存在易受環(huán)境因素影響、成本較高、維護不便等缺點；微波雷達的造價則非常高昂，一般用于某些特定場合；紅外測距雖然簡單、安全、易制，但精度較低、方向性差。而超聲波測距幾乎不受被測物體顏色、光線、粉塵、煙霧、電磁干擾和有毒氣體的影響，而且價格低廉、使用方便，因此超聲波測距作為一種典型的非接觸式測距方式，擁有其他測距方式無可比擬的優(yōu)點，受到了人們廣泛的關(guān)注和研究。在物位測量、機器人避障、倒車雷達、航海測深等許多領(lǐng)域，超聲波測距技術(shù)都得到了非常普遍的應用[2]。

1 超聲波測距原理

基于超聲波信號的測距方法，主要包括基于接收信號強度的測距方法、基于到達角度的測距方法和基于到達時間差的測距方法[3]。

本文采用測量超聲波在介質(zhì)中傳播時間的方式來計算距離，即超聲波傳播速度為v，傳播時間為t，距離d=v*t。若采用收發(fā)一體的超聲波換能器，則實際距離還需除以2，即距離d=v*t/2。由此可知超聲波測距必須確定聲波在介質(zhì)中的傳播速度以及準確測量聲波的傳播時間。而聲波在空氣中的傳播速度與溫度、濕度、氣壓等因素有關(guān)，通常情況下主要是受到溫度影響，聲波在空氣中的傳播速度可近似表示為：

聲波的傳播時間一般采用“閥值法”來測算，其基本原理是捕獲回波信號的幅值第一次超過所設(shè)定閾值的瞬間，但回波信號幅值超過閾值的時間會因波形幅值的不同而不同，從而造成測量上的誤差[5]。故而采用動態(tài)閾值法，又稱作包絡(luò)線峰值檢測法，其檢測依據(jù)為接收信號峰值所在的相對位置不隨待測距離的改變而改變，可以較好地彌補此誤差[6]。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)分為上位機平臺與下位機，下位機主要由微控制器、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、測溫模塊、通訊模塊、電源模塊等組成。微控制器負責產(chǎn)生200kHz驅(qū)動信號、采集回波、數(shù)據(jù)處理等任務(wù)，最后將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3 硬件電路設(shè)計

3.1 超聲波發(fā)射電路設(shè)計

單片機輸出兩路相位相反，頻率同為200kHz，幅值3.3V的方波，經(jīng)三極管導通后，電壓幅值為5V，考慮到后期拓展多通道超聲波換能器，故采用CD4052開關(guān)選擇輸出，之后經(jīng)74LS08與門輸出，其原理圖如圖2所示。

74LS08與門經(jīng)N溝道MOS場效應晶體管2SK2937連接至中心抽頭變壓器，實現(xiàn)輸出±15V電壓方波驅(qū)動超聲波換能器，其原理圖如圖3所示。

3.2 超聲波回波接收電路設(shè)計

如圖4，采用ML1350集成運放芯片對回波信號進行放大和整形。ML1350線性中頻放大器具有寬范圍的自動增益控制、單極性電源工作、輸出恒定、工作穩(wěn)定等優(yōu)點，滿足對超聲波回波接收的使用場合。通過調(diào)節(jié)AGC電壓可以改變增益以適應不同量程的回波接收需求。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 單片機軟件設(shè)計

程序通過TIM3輸出兩路互補200KHz方波，發(fā)射完畢后均輸出高電平；采用ADC來采集收到的回波信號，ADC由TIM4觸發(fā)，同時使用DMA進行ADC的數(shù)據(jù)采集。待回波數(shù)據(jù)采集完畢，遍歷存儲采集信號的數(shù)組，尋找到回波信號峰值，減去設(shè)定的參數(shù)由此確定閾值，再尋找到幅值第一次超出閾值時的數(shù)組位置，根據(jù)ADC采樣頻率可換算出開啟ADC采集后至回波信號幅值第一次超出閾值的時間，結(jié)合溫度補償，由此計算出距離，最后將處理后的值發(fā)送至上位機進行顯示。系統(tǒng)程序流程如圖5所示。

4.2 上位機軟件設(shè)計

利用C#對上位機軟件進行編寫，在可視化界面上顯示距離及詳細圖表數(shù)據(jù)，對回波信號強弱采用不同顏色進行區(qū)分。

下位機發(fā)射超聲波并接收回波，并將回波數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機，每次的回波強弱采用不同顏色進行區(qū)分，回波色標從強至弱依次為紅、橙、黃、黃綠、綠、湖藍、淺藍、灰，小于一定幅值的回波信號進行隱藏，顯示白色，以便清晰觀察。每次回波信號顯示為最右側(cè)的從上至下的一條線，當下一次回波信號需要顯示時，該線自右向左移動，之后將最新的回波添加至最右側(cè)，由此不斷向左移動回波構(gòu)成一幅動態(tài)圖像。

程序運行結(jié)果如圖6所示，回波信號顯示在軟件界面左側(cè)，中間以曲線圖的形式顯示每次回波信號，軟件接收到的全部信息顯示在界面文本框中，軟件右側(cè)為控制面板，用于程序的運行控制、參數(shù)調(diào)整、數(shù)據(jù)保存等。

在室溫下，采用平整混凝土墻壁作為反射面進行測量，使用鋼卷尺測量實際距離作為標稱值，其中卷尺精度1mm，測量距離為該位置上3次測量數(shù)據(jù)的平均值。測試結(jié)果如表所示。

對數(shù)據(jù)進行分析，得到本次測試結(jié)果的最大偏差為0.2cm，最大相對誤差為0.43%，平均相對誤差為0.31%，總體上達到了對精度的要求。

使用Matlab進行數(shù)據(jù)擬合并繪圖，如圖7所示，可知測量值與標稱值也有較好的線性關(guān)系，曲線擬合度高，誤差小。同時在上位機觀察到，當距離較近時，可清楚地觀察到二次回波甚至三次回波。

5 結(jié)論

本文設(shè)計的超聲波測距裝置，經(jīng)過實驗測試，在一定范圍內(nèi)滿足了測距要求，工作可靠，測量精度較高，安裝方便，設(shè)計的上位機界面人機交互良好，實現(xiàn)了回波強度可視化，可應用于工業(yè)非接觸測距等場合，具有很好的使用價值。

參考文獻：

[1] 苑潔. 基于STM32單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計[D]. 北京：華北電力大學，2012.

[2] 潘仲明.大量程超聲波測距系統(tǒng)研究[D]. 長沙：國防科學技術(shù)大學，2006.

[3] 李戈，孟祥杰，王曉華，等. 國內(nèi)超聲波測距研究應用現(xiàn)狀[J]. 測繪科學，2011，36（4）：60-62.

[4] 高韻灃，何少佳，鄧子信，等.高精度嵌入式超聲波測距系統(tǒng)的研究[J].計算機測量與控制，2015，23（1）：25-26.

[5] 張成，田建艷，呂迎春，等.基于超聲波測距的高精度室內(nèi)位置感知系統(tǒng)研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2018（1）.

[6] 楊令晨，周武能，湯文兵，等.超聲波測距系統(tǒng)的研究及其硬件設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2018，（第2期）.

[7]李云龍.新型嵌入式超聲波測距系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012（1）：97-99.

[8] Karli Watson、Christian Nagel.C#入門經(jīng)典[M].4版.北京：清華大學出版社，2006.

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