超聲波測距系統的設計與實現

2019-08-01 01:28:10鄧毅郭小華

中國新技術新產品 2019年10期

鄧毅郭小華

摘? 要：為了提高系統測距精度，該文將在以往研究的基礎上，選取STM32作為核心處理器，開發一套超聲波測距系統。測試結果表明，該系統在漏波情況和不漏波情況下測量精度較高，且不受溫度影響。

關鍵詞：測距系統;超聲波;STM23

中圖分類號：TN912? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

超聲波測距具有防塵防霧功效，屬于非接觸測量工具，在各個領域均有所應用。在實際應用中通過觀察測量精度，可以有效判斷系統的優勢和劣勢。傳統的超聲波測距系統在硬件選取和軟件開發上均存在不足，導致誤差較大，大小在1 cm左右。因此，改進超聲波測距系統研究顯得尤為重要。

1 超聲波測距原理

超聲波是一種機械波，在20 kHz以上頻率彈性介質中傳播。測量距離的原理如下：

選取發射轉換器作為操作工具，利用此工具向外發射超聲波并計時，測量超聲波在空氣中的傳輸速率。當超聲波遇到障礙物會立即反射，當接收器接收到超聲波以后停止計時。

假設測量目標障礙物與發射起始點之間的距離為S（單位：m），計時時間為t（單位：s），超聲波在空氣介質中傳輸速度為v（單位：m/s），可以得到以下關系：

在公式（2）和公式（3）中，H代表傳感器布設位置與障礙物之間的直線距離;L代表傳感器與換能器之間的距離。將公式（1）、公式（2）、公式（3）組合到一起，可以得到以下關系：

假設傳輸頻率為f，波長為λ，則2項參數與聲波傳輸速度之間的關系公式為：

2 基于STM32的超聲波測距系統的設計與實現

基于超聲波測距原理，該文選取STM32作為核心控制器，設計一套超聲波測距系統，設計內容分為系統硬件、系統軟件、上位機。

2.1 系統硬件

超聲波測距系統硬件由蜂鳴器、LCD顯示模塊、ESP8266無線網絡模塊、STM32主控芯片、溫度傳感器、超聲波傳感器6個部分構成。如圖1所示為超聲波測距系統硬件框架圖。

2.1.1 蜂鳴器

蜂鳴器主要起到警示作用，如果系統運行發生異常，即測量距離超出安全范圍，則系統自動啟動蜂鳴器，發出警報。

2.1.2 LCD顯示模塊

該功能模塊主要是借助液晶顯示屏顯示信息采集終端的數據信息，便于用戶查看數據。

2.1.3 ESP8266無線網絡模塊

該無線網絡模塊采用的傳輸協議為TCP/IP協議，支持距離數據和溫度數據傳輸，從現場采集終端傳輸至上位機。

2.1.4 STM32主控芯片

該文選取STM32系列單片機作為核心控制器，利用此控制器下達各個器件的控制命令。此單片機主頻率為168 MHz，定時器誤差為0.002 mm，精度為0.005952 μs。由于STM32單片機的誤差較小，所以在實際應用中其誤差可以忽略不計。

2.1.5 溫度傳感器

該文選取DS18B20作為系統溫度傳感器，此傳感器的誤差精度為±0.5 ℃，對聲速測量造成的影響大約為±305 m/s，在誤差允許范圍之內。

2.1.6 超聲波傳感器

該文選取HC-SR04型號傳感器作為超聲波傳感器，與同種類型傳感器相比，該傳感器測量精度更高一些，并且運行穩定。

該傳感器是系統獲取信號的主要器件之一，含有4個引腳，除了接地GND和接電VCC引腳以外，還包括回波引腳（Echo）、脈沖出發引腳（Trig）。系統上電以后，脈沖觸發引腳接收到發射端發送來超聲波信號以后，回波引腳電平將從低電平轉換為高電平。

2.2 系統軟件

該系統采用Keil5開發系統軟件，利用C語言編寫系統程序。如圖2所示為系統軟件開發流程。

第一步：系統初始化。

第二步：測量溫度數據和距離數據。

第三步：修整三角函數和濾波算法。

第四步：判斷修整后的閾值的超神波測量距離之間大小關系，如果測量距離超出了閾值，則蜂鳴器發出警報，執行第五步;反之，執行第五步。

第五步：借助LCD液晶顯示屏顯示數據信息，同時返回第二步。

在開發系統軟件過程中，考慮到接收器和換能器之間存在一定距離，容易影響測量距離精度，即測量得到的距離與實際距離不符。按照該文給出的公式（3）的距離關系可知，實際距離H小于測量距離S。為了提高測量精度，不可以忽略H與S之間的誤差。針對此問題，該文在對系統軟件進行開發時，利用公式（3）對函數進行修整，經過計算得到實際距離。如果H為2.7 cm，則L取值為1.35 cm。

該系統采用頻率為40 kHz的超聲波信號，信號在空氣中的傳輸速度為340 m/s，經過計算得到長度λ=0.85 cm。在不漏掉脈沖波形的情況下，誤差較小，滿足系統測量要求。如果在信號采集與傳輸過程中漏掉脈沖，采取復小波變換法，檢測回波包絡峰值，或采用中位值平均濾波算法進行處理，最終測量結果取平均值。

2.3 上位機

該系統采用Lab VIEW軟件進行開發，直接嵌入C語言。上位機界面開發除了用戶IP地址管理功能以外，還包括實時數據部分。如圖3所示為上位機實時數據測量與報警功能實現界面。

在圖3中，設定了測量距離、當前環境溫度、預設報警值、當前報警值4個功能框，能夠采集和設定數據信息，便于用戶操作。

3 系統測試分析

為了驗證該文設計的超聲波測距系統設計方案的可靠性，該文對3種情況下系統運行效果進行測試分析。

3.1 不漏波形情況在不漏波形情況下，對系統測量精度進行測試分析，表1為測量結果。

通過觀察表1中的數據可知，在不漏波的情況下，該系統的測量誤差在0.24%以下，滿足系統測量精度要求。

3.2 漏波形情況針對漏波情況，該文采取中位值平均濾波算法進行處理，得到表2中的測試結果。

通過觀察表2中的測試結果可知，采取中位值平均濾波算法處理后的數值誤差在允許范圍之內。

3.3 溫度變化情況為了探究溫度變化是否會對系統測量精度造成影響，該文對不同溫度下的測量精度進行測試分析，見表3。

4 結語

該文在傳統超聲波測距系統基礎上，選取STM32作為核心處理器，提出了超聲波測距系統研究，分為系統硬件、系統軟件、上位機3個部分進行設計。測試結果表明，該系統在漏波情況和不漏波情況下測量精度較高，且不受溫度影響。