超聲波測距系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

1、    超聲波測距系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)    鄧毅 郭小華摘  要：為了提高系統(tǒng)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(fā)一套超聲波測距系統(tǒng)。測試結果表明，該系統(tǒng)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(tǒng);超聲波;stm23：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(tǒng)的優(yōu)勢和劣勢。傳統(tǒng)的超聲波測距系統(tǒng)在硬件選取和軟件開發(fā)上均存在

2、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(tǒng)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(fā)射轉換器作為操作工具，利用此工具向外發(fā)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(fā)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）、

3、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，則2項參數(shù)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(tǒng)的設計與實現(xiàn)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(tǒng)，設計內容分為系統(tǒng)硬件、系統(tǒng)軟件、上位機。2.1 系統(tǒng)硬件超聲波測距系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)運行發(fā)生異常，即測量距離超出安全范圍，則系統(tǒng)自動啟動蜂鳴器，發(fā)出警報。2.1.2

4、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(shù)據(jù)信息，便于用戶查看數(shù)據(jù)。2.1.3 esp8266無線網絡模塊該無線網絡模塊采用的傳輸協(xié)議為tcp/ip協(xié)議，支持距離數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)傳輸，從現(xiàn)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 s。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(tǒng)溫度傳感器，此傳感器的誤差精度為±0.

5、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(wěn)定。該傳感器是系統(tǒng)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(fā)引腳（trig）。系統(tǒng)上電以后，脈沖觸發(fā)引腳接收到發(fā)射端發(fā)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(tǒng)軟件該系統(tǒng)采用keil5開發(fā)系統(tǒng)軟件，利用c語言編寫系統(tǒng)程序。如圖2所示為系統(tǒng)軟件開發(fā)流程。第一步：系統(tǒng)初始化。第二步：測量溫度數(shù)據(jù)和

6、距離數(shù)據(jù)。第三步：修整三角函數(shù)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(fā)出警報，執(zhí)行第五步;反之，執(zhí)行第五步。第五步：借助lcd液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)信息，同時返回第二步。在開發(fā)系統(tǒng)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(tǒng)軟件進行開發(fā)時，利用公式（3）對函數(shù)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(tǒng)采

7、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=0.85 cm。在不漏掉脈沖波形的情況下，誤差較小，滿足系統(tǒng)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(tǒng)采用lab view軟件進行開發(fā)，直接嵌入c語言。上位機界面開發(fā)除了用戶ip地址管理功能以外，還包括實時數(shù)據(jù)部分。如圖3所示為上位機實時數(shù)據(jù)測量與報警功能實現(xiàn)界面。在圖3中，設定了測量距離、當前環(huán)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(shù)據(jù)信息，便于用戶操作。3 系統(tǒng)測試分

8、析為了驗證該文設計的超聲波測距系統(tǒng)設計方案的可靠性，該文對3種情況下系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)可知，在不漏波的情況下，該系統(tǒng)的測量誤差在0.24%以下，滿足系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)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(tǒng)超聲波測距系統(tǒng)基礎上，選取stm32作為核心處理器，提出了超聲波測距系統(tǒng)研究，分為系統(tǒng)硬件、系統(tǒng)軟件、上位機3個部分進行設計。測試結果表明，該系統(tǒng)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。參考文獻1張悅，陳勁操.基于單相全橋逆變拓撲的超聲波測距系統(tǒng)設計j.儀表技術與傳感器，2016（4）：67-70.2孔維正，靳寶全，王宇，等.礦用本質安全超聲測距電路系統(tǒng)設計j.工礦自動化，2016，42（10