超聲波雷達預警系統的設計和實現

邢東洋

（中國民航大學,天津 300300）

隨著當今社會的科技一直進步,探測類型設備的使用范圍逐漸擴大,人們對探測類型電子設備的要求也越來越高。但對于當前世界所掌握的探測技術水平現狀來看,人們真正能夠具體運用到的探測技術還是存在一定的局限性,同時超聲波探測領域還是一個正在快速發展的探測技術領域以及具有良好經濟效益的產業。

1 系統總體結構

本系統以STM32 單片機處理器為控制核心,通過在舵機上放置超聲波傳感器模擬雷達系統,通過PWM信號控制舵機的運動,通過超聲波傳感器發送超聲波檢測障礙物信息, STM32 處理器將采集到的信號處理成距離信息,通過UART接口傳送到上位機界面,同時上位機界面還可以同步顯示舵機的的實時轉動角度。當測到的物體距離小于安全范圍的時候,上位機界面顯示紅色,并通過蜂鳴器和LED燈閃爍進行報警。超聲波雷達預警系統的總體結構如圖1 所示。

圖1 超聲波雷達預警系統結構框圖

2 系統硬件設計

2.1 STM32 處理器及最小系統介紹。本系統采用的是STM32F103C8T6 處理器。STM32F103C8T6 是一款基于ARM 32 位的Cortext M3 內核的單片機,供電范圍是2.0V～3.6 V,CPU工作頻率最大可達72 MHz,具有單周期的乘法指令和硬件除法,以及優先級可編程的中斷系統。同時它還具有64 KB 的Flash 存儲器與20 KB 的SRAM存儲器,另外還集成了非常豐富的片內外設,如看門狗、定時器、GPIO 口、DMA 控制器、ADC、UART、SPI 接口、IIC 接口等,具有成本低、速度快、性價比高等優點[1]。

本系統所使用的STM32 最小系統電路如圖2 所示。它主要包括核心芯片CPU電路、外部時鐘電路、電源電路、JTAG下載電路、系統復位電路、按鍵開關電路等組成。最小系統電路是整個控制電路的核心。

圖2 STM32 最小系統電路圖

2.2 超聲波測距模塊。超聲波測距原理是在超聲波發射裝置發出超聲波,它的根據是接收器接到超聲波時的時間差,與雷達測距原理相似。超聲波發射器向某一方向發射超聲波,在發射時刻的同時開始計時,超聲波在空氣中傳播,途中碰到障礙物就立即返回來,超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。

本系統的超聲波測距模塊采用HC-SR04 模塊,該模塊系統能夠同時實現具有2cm～400cm的非接觸式遠距離高度傳感器和自動遙控遠距離高度檢測器功能。其主要特點之一是系統結構簡單,由于SR04 傳感器的探頭發出信號和接收信號都比較微弱,所以模塊自帶信號放大電路,控制電路簡單容易,而且制造成本低[2]。圖3 為HC-SR04 模塊電路圖。

圖3 HC-SR04 模塊電路圖

HC-SR04 傳感器總共有4 個引腳：回波引腳（ECHO）、脈沖觸發引腳（TRIG）、VCC和GND。超聲波模塊會通過IO口TRIG來觸發程序將一個高電壓輸出信號傳輸到脈沖觸發引腳。超聲波模塊里的信號發送頭便會往外發送一段超聲波信號,同時回波引腳的電平將由低變高等待高電平輸出,一有輸出定時器便開始工作進行時間記錄。當超聲波接收器獲取到反射回來的超聲波信號后,回波引腳的電壓信號就會由高電壓降到低電壓。此時定時器停止記錄時間工作,定時器所記錄到的時間值即為整個測測過程所用到的時間。測量距離與聲速之間滿足下列關系：測試距離=（高電平時間*聲速（340m/s））/2 就可以算出本設備到障礙物的距離。多次重復周期的測量,就可讓本系統達到實時更新。

2.3 舵機模塊的控制。舵機是一種位置（角度）伺服的驅動器,適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統。目前在高檔遙控玩具,如航模,包括飛機模型,潛艇模型,遙控機器人中已經使用得比較普遍。舵機是一種俗稱,其實是一種伺服馬達[3]。本系統所使用的舵機如圖4 所示。

圖4 舵機實物

本系統使用的是一個可轉180 度角度的舵機。舵機的控制一般需要一個20ms 左右的時基脈沖,該脈沖的高電平部分一般為0.5ms-2.5ms 范圍內的角度控制脈沖部分。以180 度角度伺服為例,那么對應的控制關系如表1 所示。

表1 脈沖時間與舵機角度對應關系

小型舵機的工作電壓一般為4.8V或6V,轉速也不是很快,常見舵機的速度一般在0.11/60°-0.21/60°之間,更改角度控制脈沖的寬度太快時,舵機可能反應不過來。如果需要更快速的反應,就需要更高的轉速了。舵機上有三根線,分別為VCC、GND、信號線。而不需要另外接驅動模塊,直接用單片機的管腳控制就行了。控制信號一般要求周期為20ms 的PWM信號。如果要更為精確的控制舵機（轉動角度差＜=1 度）,則需要控制輸出PWM信號的占空比,例如：可以把0-180 分為1024 份（可以任取,決定與定時器的時鐘頻率）,范圍為0.5ms-2.5ms,則可以得到0.09 度/us,因此可以由PWM=0.5+N*0.09（N 是角度）控制舵機轉動0-180 度間的任意角度。

2.4 UART上位機通信協議。本系統使用STM32 開發板上的UART串口與上位機進行通信。通信的特點是：異步、串行、全雙工。部分無線通信模塊具有UART通信接口,比如藍牙模塊、NBIOT 模塊、WIFI 模塊、GSM模塊、GPS 模塊等。UART 是一種容易實現的MCU 和電腦間的通信方式,可用于輔助調試代碼（MCU 傳送變量、寄存器的值給電腦）,也可用于電腦控制MCU（電腦傳送指令數據給MCU）,通過上位機控制下位機。本系統主要通過UART串口來傳送舵機轉動角度和物體距離等信息給上位機顯示。

2.5 報警模塊。報警模塊分為兩大部分,一部分是LED部分,報警時,LED 燈會規律較快的閃爍；另一部分是蜂鳴器部分,報警時,蜂鳴器會發出聲響以達到提示的效果。系統將算出所得的測量距離數值跟已經提前設置好的預警距離數值進行比較,若算出所得的測量距離小于設置好的報警距離數值,則報警模塊進入工作。本系統所使用的為普通紅色LED燈及無源蜂鳴器。

3 系統軟件設計

3.1 上位機界面的開發。上位機顯示軟件的設計使用Processing 語言來編寫,Processing 是一個為開發面向圖形的應用而生的簡單易用的編程語言和編程環境。Processing是一種革命性的語言,將枯燥無味的編程使用圖像展現出來,具有可視化的特點。整個上位機軟件主要包括：函數定義、建圖部分、數據獲取部分、繪圖部分這四大部分。

函數定義即：開頭初始定義上位機軟件需要用到的角度函數名、雷達線函數名、長度跟寬度函數名、顏色函數名、背景圖函數名、掃描線起始位置函數名等。

建圖部分即：主要目的建立一個顯示界面,界面左上角有波特率顯示窗口、串口選擇窗口、限制距離設置窗口、連接串口功能選項、清屏功能選項、報警功能選項。

數據獲取部分：接收串口發送過來的數據；將數據分為兩個部分,一個部分表示當前角度,另一個部分表示測量距離；將實際測量的數據按比例映射到軟件圖形顯示界面上；舵機轉動角度的判斷,掃描范圍一共180 度,若掃描角度超過180 度,則舵機進行反轉。反之,若掃描角度低于0 度舵機也進行反轉。

繪圖部分：清屏函數（因為數據會殘留在顯示界面,故需要一段時間進行顯示界面數據清除）；繪制顯示界面的分區線；極坐標的轉換；根據角度信息和和距離信息在顯示界面繪制障礙物,用紅點表示障礙物；把角度、距離打印到功能窗口模塊,顯示出來。

3.2 系統軟件編程設計。整個系統的單片機程序是在KEIL 編程環境下進行開發,選用C 語言進行編程。整個單片機硬件設備以STM32 單片機為核心設備,通過STM32主控制器控制其他模塊部分。整個超聲波單片機程序內容主要包括元件引腳的定義、初始化串口模塊、初始化引腳的模式、舵機的轉動角度判斷及其延時函數、超聲波數據函數、脈寬獲取函數、預警距離判斷函數、發送數據函數。系統的軟件流程圖如圖7 所示。

圖5 上位機軟件流程圖

圖6 上位機軟件界面圖

圖7 系統軟件流程圖

根據硬件部分和軟件部分綜合整理整個超聲波雷達預警系統的工作原理就是：硬件設備開始上電；主程序對整個超聲波測量系統開始進行初始化設置,讓各個模塊進入初始化狀態避免出現意外；當超聲波模塊接收到單片機發來的發送命令便立刻發送信號系統打開計時器一邊進行數據記錄一邊等待；檢查是否獲取到折射回來的超聲波信號,若獲取不到,則繼續發送超聲波信號。若獲取到,則將定時器所記錄到的時間進行算法運算。根據算法公式得出一個數值,此數值即為系統計算為本系統距離障礙物的測量距離；系統則將算出所得的測量距離數值跟已經提前設置好的預警距離數值進行比較；若算出所得的測量距離小于設置好的預警距離數值,則預警模塊進入工作；預警模塊分為兩大部分,一部分是LED部分,報警時,LED 燈會規律較快的閃爍；另一部分是蜂鳴器部分,報警時,蜂鳴器會發出聲響以達到提示的效果；若算出所得的測量距離大于設置好的預警距離數值,則預警模塊不會工作,直到算出所得的測量距離小于設置好的預警距離數值時,才會工作；在主程序計算出測量距離數值的同時,會經過UART串口將舵機旋轉角度跟算出的距離數值傳輸到上位機軟件里來；上位機軟件部分則會繪畫出一個半圓圖形,上面會有一條掃描線在180 度以內左右來回掃描,上位機軟件則會根據串口發送來的數據繪制到半圓圖形界面上,界面上左上角功能窗口會顯示障礙物的角度方向位置跟測量距離數據并會一直實時更新,但需要不定時進行清屏數據處理。探測到的障礙物則會以紅點的形式顯示在畫面上且停留幾秒。功能窗口還有一個距離設置大小的功能模塊,可以設置預警距離大小。

4 測試結果與結論

圖8 為系統的測試圖,該系統測試結果穩定,精度較高,測距范圍為0.2cm-200cm ,在0.2cm-100cm 范圍內,誤差少于0.5cm,在100cm-200cm 范圍內,誤差少于2cm。可以應用在汽車障礙物測試,工業探測等領域。

圖8 系統測試圖