基于ARM的超聲波測距設計

陶文超 董辛 張益銘

摘要：本文基于ARM內核的STM3處理器設計了一種單脈 沖反射式超聲測距系統。在分析了超聲波傳感器測距原理和測距范圍后， 提出了自動可調增益減小盲區、DSl8B20溫度補償的設計方案。實驗表明自動可調增益電路可使回波信號有較高的信噪比；溫度補償校正可以提高超聲測距儀的精度；所設計系統達到毫米級精度。

關鍵詞：測距儀 超聲波傳感器 溫度補償

中圖分類號：TB517 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）07-0164-01

1 介紹

超聲波測距是一種非接觸式的檢測技術，主要有脈沖回波法和相位差法，脈沖回波法使用脈沖激勵探頭向外輻射超聲波，同時接收反射回來的回波，通過檢測超聲波從發射至接收所經歷的時間（ToF），可計算出探頭與被測物體的距離d，即，其中c為聲波在介質中的傳播速度，可由下式得出：

t是空氣溫度（℃），T0=273.16K。工程上一般考慮的是溫度的影響

2 系統設計

本系統從結構來分主要有五個部分：發射接收部分，溫度檢測模塊，顯示模塊、中央處理單元。

（1）發射模塊負責發送40KHZ的方波信號。

（2）接收部分將接收到的回波信號， 經檢波放大整形等處理后，送至單片機中斷口。

（3）單片機通過中斷控制得出超聲波在空氣中的傳播時間t，最后根據公式 s=c×t/2便可得出測量結果（c為聲速）。

（4）溫度檢測模塊實時檢測環境溫度以修正溫度變化對測量距離精度的影響。

（5）顯示模塊采用LCD顯示坐標，其中X軸為時間，Y軸為測得距離，坐標軸下方實時顯示測得的距離。

3 主要考慮參數

（1）傳感器的指向角θ是聲束半功率點的夾角，它直接影響測量的分辨率，對圓片傳感器來說，它的大小與工作波長λ，傳感器半徑r有關，因（2π/λ）*r*sin（θ/2）=1.615。

本設計選f0=40KHz時λ=C/ f0=8.5mm，壓電傳感器片半徑r=6.3mm，故指向角。

（2）工作頻率。空氣中超聲波的衰減對頻率很敏感，要求合理選擇超聲波頻率，本方案選擇40KHz左右。

（3）聲速。考慮到環境溫度對超聲波傳播速度的影響，通過溫度補償的方法對傳播速度予以校正，以提高測量精度。計算公式為：V=331.5+0.607T其中，T是溫度。

（4）發射脈沖寬度。發射脈沖寬度決定了測距儀的測量盲區，也影響測量精度，同時與信號的發射能量有關。本設計中，選用了8個40KHz脈沖方波的發射脈沖寬度。

4 系統軟件結構

本設計采用單片機內部定時器來測量超聲波從傳播到返回的時間，系統的主控芯片STM32采用72MHz主頻，距離值的得出及顯示在中斷子程序中完成。中斷響應之后，原始數據經換算子程序計算后顯示輸出。整個系統軟件功能的實現可以分為主程序、子程序、中斷服務程序幾個主要部分。

系統初始化過程中，首先對主控芯片STM32時鐘進行設置：關閉外設時鐘功能，并配置中斷向量表；然后開啟外部時鐘，即置位RCC->CR.16位也就是HSEON位，并等待時鐘就緒；設置APB1時鐘二分頻；PLL時鐘三倍頻，并設置HSE時鐘作為PLL時鐘輸入；設置PLL時鐘作為系統時鐘。

設置GPIOA工作時鐘為50MHZ。開啟TIMER3時鐘，設置TIMER3的自動重裝初值為50000，720預分頻。設置TIMER0的搶占優先級為1，響應優先級為3，分配至第2組。TIM3->CR1第一位置位，使能定時器3。

人機界面初始化：LCD應用GPIOB和GPIOC，在初始化中，均設置為推挽輸出模式，工作時鐘頻率為50MHZ。初始化后，LCD顯示屏顯示出超聲波距離---測距次數的坐標抽，并顯示字符串“distancem”。

5 超聲波測距程序流程

超聲波TRIG引腳即GPIOA第八腳，發送一個大于10uS的方波，使超聲波模塊發射一段超聲波，然后等待ECHO被拉高。拉高之后，超聲波ECHO引腳開始檢測返回聲波并啟動定時器，記錄當前定時器3的計數器TIM3->CNT寄存區，此數據為new_cnt，然后等待超聲波的ECHO引腳拉低，當超聲波模塊檢測到回聲后，記錄此時定時器3的計數器TIM3->CNT寄存器，此數據為old_cnt。兩次計數器的值相減即得到超聲波在空氣中的傳輸時間。根據公式：S=（new_cnt-old_cnt）*340/（2*100000）。

即可計算出距離S，能夠精確至毫米。得到距離S后，需要進行一個盲區處理，超聲波具有3-5厘米的盲區處理，因此只有當S>5厘米時，證明采集的距離有效。

6 過程及分析

基于前面設計的電路及程序進行了超聲回波特性試驗。

實驗一：同一溫度下，測量不同的距離，記錄實際距離和測量距離，并進行比。

實驗二：不同溫度下在一固定處分別對有溫度補償和無溫度補償的系統進行距離測量實驗，實由實驗可知，若溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變，可通過標準距離（1+T/273.16）1/2校準后使用。如果溫度變化較大且測距精度要求高，則應通過溫度補償加以校正。

實驗三：在不同位置處測量距離，目的是檢測測距儀表的盲區大小，由實驗三分析可知，本測距儀表的盲區為6cm。

7 結語

本文完成了對小盲區的超聲波測距系統的設計研究，在設計中采用了自動可調增益電路和溫度補償校正的方法來減小系統的盲區并提高其精度，并且通過實驗來證實其效果。由于篇幅的限制，并未給出相關程序。

參考文獻

[1]陳瑩.基于單片機的超聲測距系統[D].華中科技大學碩士學位論文，2004.

[2]王瑩.高精度超聲波測距儀的研究設計[D].安徽大學碩士學位論文，2007.

[3]周麗軍.便攜式多功能超聲檢測系統設計[D].華中科技大學碩士學位論文，2005.