超声波测距系统的设计与实现

2019-08-01邓毅郭小华

中国新技术新产品 2019年10期

邓毅郭小华

摘要：为了提高系统测距精度，该文将在以往研究的基础上，选取STM32作为核心处理器，开发一套超声波测距系统。测试结果表明，该系统在漏波情况和不漏波情况下测量精度较高，且不受温度影响。

关键词：测距系统;超声波;STM23

中图分类号：TN912 文献标志码：A

超声波测距具有防尘防雾功效，属于非接触测量工具，在各个领域均有所应用。在实际应用中通过观察测量精度，可以有效判断系统的优势和劣势。传统的超声波测距系统在硬件选取和软件开发上均存在不足，导致误差较大，大小在1 cm左右。因此，改进超声波测距系统研究显得尤为重要。

1 超声波测距原理

超声波是一种机械波，在20 kHz以上频率弹性介质中传播。测量距离的原理如下：

选取发射转换器作为操作工具，利用此工具向外发射超声波并计时，测量超声波在空气中的传输速率。当超声波遇到障碍物会立即反射，当接收器接收到超声波以后停止计时。

假设测量目标障碍物与发射起始点之间的距离为S（单位：m），计时时间为t（单位：s），超声波在空气介质中传输速度为v（单位：m/s），可以得到以下关系：

在公式（2）和公式（3）中，H代表传感器布设位置与障碍物之间的直线距离;L代表传感器与换能器之间的距离。将公式（1）、公式（2）、公式（3）组合到一起，可以得到以下关系：

假设传输频率为f，波长为λ，则2项参数与声波传输速度之间的关系公式为：

2 基于STM32的超声波测距系统的设计与实现

基于超声波测距原理，该文选取STM32作为核心控制器，设计一套超声波测距系统，设计内容分为系统硬件、系统软件、上位机。

2.1 系统硬件

超声波测距系统硬件由蜂鸣器、LCD显示模块、ESP8266无线网络模块、STM32主控芯片、温度传感器、超声波传感器6个部分构成。如图1所示为超声波测距系统硬件框架图。

2.1.1 蜂鸣器

蜂鸣器主要起到警示作用，如果系统运行发生异常，即测量距离超出安全范围，则系统自动启动蜂鸣器，发出警报。

2.1.2 LCD显示模块

该功能模块主要是借助液晶显示屏显示信息采集终端的数据信息，便于用户查看数据。

2.1.3 ESP8266无线网络模块

该无线网络模块采用的传输协议为TCP/IP协议，支持距离数据和温度数据传输，从现场采集终端传输至上位机。

2.1.4 STM32主控芯片

该文选取STM32系列单片机作为核心控制器，利用此控制器下达各个器件的控制命令。此单片机主频率为168 MHz，定时器误差为0.002 mm，精度为0.005952 μs。由于STM32单片机的误差较小，所以在实际应用中其误差可以忽略不计。

2.1.5 温度传感器

该文選取DS18B20作为系统温度传感器，此传感器的误差精度为±0.5 ℃，对声速测量造成的影响大约为±305 m/s，在误差允许范围之内。

2.1.6 超声波传感器

该文选取HC-SR04型号传感器作为超声波传感器，与同种类型传感器相比，该传感器测量精度更高一些，并且运行稳定。

该传感器是系统获取信号的主要器件之一，含有4个引脚，除了接地GND和接电VCC引脚以外，还包括回波引脚（Echo）、脉冲出发引脚（Trig）。系统上电以后，脉冲触发引脚接收到发射端发送来超声波信号以后，回波引脚电平将从低电平转换为高电平。

2.2 系统软件

该系统采用Keil5开发系统软件，利用C语言编写系统程序。如图2所示为系统软件开发流程。

第一步：系统初始化。

第二步：测量温度数据和距离数据。

第三步：修整三角函数和滤波算法。

第四步：判断修整后的阈值的超神波测量距离之间大小关系，如果测量距离超出了阈值，则蜂鸣器发出警报，执行第五步;反之，执行第五步。

第五步：借助LCD液晶显示屏显示数据信息，同时返回第二步。

在开发系统软件过程中，考虑到接收器和换能器之间存在一定距离，容易影响测量距离精度，即测量得到的距离与实际距离不符。按照该文给出的公式（3）的距离关系可知，实际距离H小于测量距离S。为了提高测量精度，不可以忽略H与S之间的误差。针对此问题，该文在对系统软件进行开发时，利用公式（3）对函数进行修整，经过计算得到实际距离。如果H为2.7 cm，则L取值为1.35 cm。

该系统采用频率为40 kHz的超声波信号，信号在空气中的传输速度为340 m/s，经过计算得到长度λ=0.85 cm。在不漏掉脉冲波形的情况下，误差较小，满足系统测量要求。如果在信号采集与传输过程中漏掉脉冲，采取复小波变换法，检测回波包络峰值，或采用中位值平均滤波算法进行处理，最终测量结果取平均值。

2.3 上位机

该系统采用Lab VIEW软件进行开发，直接嵌入C语言。上位机界面开发除了用户IP地址管理功能以外，还包括实时数据部分。如图3所示为上位机实时数据测量与报警功能实现界面。

在图3中，设定了测量距离、当前环境温度、预设报警值、当前报警值4个功能框，能够采集和设定数据信息，便于用户操作。

3 系统测试分析

为了验证该文设计的超声波测距系统设计方案的可靠性，该文对3种情况下系统运行效果进行测试分析。

3.1 不漏波形情况在不漏波形情况下，对系统测量精度进行测试分析，表1为测量结果。

通过观察表1中的数据可知，在不漏波的情况下，该系统的测量误差在0.24%以下，满足系统测量精度要求。

3.2 漏波形情况针对漏波情况，该文采取中位值平均滤波算法进行处理，得到表2中的测试结果。

通过观察表2中的测试结果可知，采取中位值平均滤波算法处理后的数值误差在允许范围之内。

3.3 温度变化情况为了探究温度变化是否会对系统测量精度造成影响，该文对不同温度下的测量精度进行测试分析，见表3。

4 结语

该文在传统超声波测距系统基础上，选取STM32作为核心处理器，提出了超声波测距系统研究，分为系统硬件、系统软件、上位机3个部分进行设计。测试结果表明，该系统在漏波情况和不漏波情况下测量精度较高，且不受温度影响。