超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計

前言超聲波測距系統(tǒng)為基于超聲波反射原理的無線測距系統(tǒng)，近年來由于技術(shù)革新較快，于各領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，是有望在工程領(lǐng)域取代人工測距的技術(shù)之一。相對于其他測距方式，超聲波測距具有指向性較強(qiáng)、傳播距離較遠(yuǎn)、耗電少的特點，尤其適用于測距領(lǐng)域，且測距速度快、精度高、實現(xiàn)方式簡單、操作容易，適用于各類電子產(chǎn)品，且測量精度方面能夠基本達(dá)到工業(yè)級指標(biāo)。射頻無線通信技術(shù)作為無線通信領(lǐng)域中的一個研究重點當(dāng)前應(yīng)用已經(jīng)全面普及，其優(yōu)勢在于穩(wěn)定性高、使用方便，在當(dāng)前工業(yè)4.0以及物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展背景下，成為了各領(lǐng)域都需要用到的關(guān)鍵技術(shù)?；谝陨媳尘氨疚闹饕肧TM32單片機(jī)進(jìn)行超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計，內(nèi)部包括超聲波收發(fā)模塊、通信模塊、溫度測量模塊等用于測量、計算以及溫度數(shù)據(jù)補(bǔ)正的功能模塊，并基于ARM旗下MDK軟件平臺進(jìn)行了主程序設(shè)計、溫度檢測程序設(shè)計。根據(jù)理論以及實際性能測試，本測距系統(tǒng)在30-5000mm的距離下?lián)碛休^好的測量效果，其中理論測試中，測量精度保持為1mm；實際測試中，30-100mm距離下精度與理論測試結(jié)果接近，1000-5000mm精度下降較為明顯，總體實際測量精度約為2%。具有一定的實用性及可靠性。本系統(tǒng)設(shè)計通過算法實現(xiàn)了測量距離的溫度補(bǔ)正，一定程度上提升了測量精度，且作為嵌入式系統(tǒng)，可拓展性及兼容性較強(qiáng)，集成了聲光報警系統(tǒng)，可作為簡單工程控制系統(tǒng)的測距儀使用，具有一定的實用性。

1緒論1.1研究背景與意義從傳統(tǒng)工業(yè)中礦山、地質(zhì)勘探工作中到如今無人駕駛汽車技術(shù)的研發(fā)，都離不開無線測距技術(shù)的支持。無線測距不僅能夠彌補(bǔ)人工測距對工作環(huán)境要求較高的不足——于高溫、有毒、輻射環(huán)境下進(jìn)行測距，還能實現(xiàn)設(shè)備的智能化控制，便于生產(chǎn)效率的提升。然而，無線測距相應(yīng)對技術(shù)層面的要求更高。例如抗干擾能力強(qiáng)、體積小、成本低等，都是工程中對于無線測距技術(shù)及設(shè)備的實際要求，而基于超聲測距原理所開發(fā)的無線測距系統(tǒng)一般能夠滿足工程中上述需要，也因此超聲波測距已經(jīng)成為了無線測距中的主流技術(shù)之一。無線測距對于傳播介質(zhì)的要求、使用的便捷性以及靈活性都是有線測距所不能達(dá)到的。在能夠保證測量精度的前提下，普及無線測距已經(jīng)成為了當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)、地質(zhì)勘探中的一種趨勢。尤其是如今物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0等新概念層出不窮，促進(jìn)了射頻無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展。此外，無線測距技術(shù)是實現(xiàn)無人駕駛技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，無人駕駛中對于車輛避讓行人車輛、倒車入庫、維持安全行駛距離都離不開無線測距系統(tǒng)的支持。因此，基于超聲波進(jìn)行無線測距系統(tǒng)的開發(fā)，將有助于進(jìn)一步認(rèn)識無線測距數(shù)據(jù)發(fā)送和接收流程，解決超聲波測距原理應(yīng)用于實際中可能存在的問題，從而為工業(yè)中超聲波測距技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā)提供參考，進(jìn)而促進(jìn)我國無人駕駛技術(shù)的進(jìn)步。1.2研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢國外對于超聲波測距技術(shù)的研究開始于上世紀(jì)初期物理學(xué)有關(guān)壓電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)的接觸上解決了利用電子學(xué)產(chǎn)生超聲波的難題。但直到二十世紀(jì)七十年代，該項技術(shù)才逐漸在生產(chǎn)實踐中得到了應(yīng)用。超聲波測距技術(shù)最早的應(yīng)用領(lǐng)域為在管道檢測方面，由于超聲波測距相較于人工測距精度較大、測距難度更小，因此短時間內(nèi)在管道檢測領(lǐng)域超聲波測距技術(shù)即得到了廣泛且成熟的應(yīng)用，時至今日當(dāng)前對于超聲波測距技術(shù)的研究重點已經(jīng)從探討應(yīng)用環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)榱酸槍τ诟黝悜?yīng)用場景中的超聲波測距系統(tǒng)的特點對測距過程的精度進(jìn)行提升，并盡可能地擴(kuò)大超聲波測距技術(shù)的適用情況，從而設(shè)計出更為成熟的超聲波測距產(chǎn)品。例如HuaHong（2014）在其針對于超聲波測距系統(tǒng)精度提升的研究中，利用超聲波傳感器發(fā)射接收連續(xù)調(diào)幅聲波的原理開發(fā)出了一個完整的調(diào)幅連續(xù)大范圍超聲波動態(tài)測距系統(tǒng)。該系統(tǒng)的測量過程基于發(fā)射、接收兩傳感器之間的正比關(guān)系以及接收信號與發(fā)射信號之間的相位差展開，從而得到傳感器之間的動態(tài)距離。經(jīng)過嚴(yán)格的實驗室測試，結(jié)果表明基于以上原理超聲波測距系統(tǒng)的測量精度可在15米范圍內(nèi)達(dá)到1mm。Takanori（2017）則將雙頻超聲波相位檢測法應(yīng)用到了超聲波測距系統(tǒng)之中，通過測量兩個發(fā)射頻率不同的猝發(fā)聲波對應(yīng)回波信號的相位從而進(jìn)行高精度測距。然而理論上該方法盡管精度更高，但由于相位測量的局限性，最終將導(dǎo)致輸出測量結(jié)果為存在周期為2Π的多個解，因此為了消除這種不確定性，需要應(yīng)用包絡(luò)檢測法從而得出便于顯示的準(zhǔn)確測量結(jié)果。另外，F(xiàn)igneroa（2019）提出了一種可以提升超聲波測距系統(tǒng)測量精度的新型計時方法，即首先采用一種方法得到峰值時延，而后采用另一種方法得到相位時延，最后通過將峰值時延與相位時延相加得到最終的回波時延，從而得到測量結(jié)果，其研究結(jié)果指出，應(yīng)用這一計時方法的超聲波測距系統(tǒng)測量范圍將提升為18-34m，但誤差控制效果較為一般，接近2%。我國對于超聲波測距技術(shù)的研究開始較晚，目前更多的研究重點聚焦早超聲波的回波處理、超聲波發(fā)射波處理以及超聲波傳感器的改良上。此外，基于對于上述問題大量的理論分析以及研究，開發(fā)出了一系列的實用技術(shù)優(yōu)化方案，包括無人設(shè)備智能避障功能的實現(xiàn)、液位測量、車輛防撞等。目前國內(nèi)超聲波測距產(chǎn)品與傳統(tǒng)測距方式相比，能夠在短距離、縱向做到精度高、方向性強(qiáng)、對干擾光電信號不敏感，目前已經(jīng)普遍于生產(chǎn)中應(yīng)用。國內(nèi)市場普遍銷售的超聲波測距儀價格從幾十元至兩百元不等，便攜性較好，但測量精度普遍在1%左右。曹玉華（2011）提出了采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒y量聲速從而提升超聲波測距精度。使得系統(tǒng)在近距離0.1-1.5m范圍內(nèi)測量精度提升至1cm級別水平。王紅梅（2015）在此基礎(chǔ)上通過分析以往超聲波系統(tǒng)測距過程中存在的問題與缺陷，在其超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計過程中應(yīng)用了多次發(fā)射接收取結(jié)果平均值的設(shè)計思路與算法略微提升了測量精度，并考慮到了環(huán)境溫度的變化對于測量的影響，從而在系統(tǒng)中加入了溫度檢測模塊與測量結(jié)果的溫度補(bǔ)正公式，最終基于高分辨率儀器的基礎(chǔ)上，使得所設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)在1-50cm范圍內(nèi)的測量精度能夠達(dá)到0.5%的水平。董子和（2016）基于超聲波測距原理以及誤差消除原理設(shè)計、研制并優(yōu)化了汽車倒車防撞檢測報警器，能夠?qū)崿F(xiàn)自動檢測車尾與最近障礙物之間的距離，并在超過安全距離的情況下報警，對以往防撞報警器對于障礙物識別智能化不足的缺點進(jìn)行了優(yōu)化。未來超聲波測量的發(fā)展方向依然將聚焦于提升測距精度、提升設(shè)備智能化水平兩個方面，并不斷融合多種學(xué)課、門類知識技術(shù)，從而向系統(tǒng)化發(fā)展。1.3主要研究內(nèi)容論文主要內(nèi)容為基于STM32單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計基本方案，本超聲波測距系統(tǒng)核心電路部分包括了系統(tǒng)超聲波發(fā)射與接收部分、測距過程開始后輸入捕獲過程以及定時器啟動后PWM部分。文章對于系統(tǒng)的核心電路與功能模塊的電路進(jìn)行了設(shè)計與說明，并在附錄中展示了通信程序中中斷函數(shù)以及測溫程序的代碼。而后系統(tǒng)設(shè)計過程中為了提升總體測距精確度，通過添加時間增益補(bǔ)償電路采用對電位器增量表組織改變量進(jìn)行補(bǔ)正的方式對回波信號進(jìn)行處理，從而完成基于對回波信號進(jìn)行處理的時間補(bǔ)償，最后利用算法檢測回波信號，完成測距顯示。1.4本章小結(jié)本章在基于STM32超聲波無線測距系統(tǒng)設(shè)計緒論中對于超聲波測距系統(tǒng)以及超聲波測距技術(shù)理論以及實際應(yīng)用上在國內(nèi)外的發(fā)展歷程做出了概括總結(jié)，對課題研究背景、意義、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀以及研究及設(shè)計主要內(nèi)容做出了闡述。通過對上述內(nèi)容的研究，基本確定了此次超聲波系統(tǒng)設(shè)計過程中所需要達(dá)到的功能與精度要求，并且確定了設(shè)計過程中核心電路設(shè)計的總體思路以及輔助功能模塊的選擇。在對超聲波無線測距系統(tǒng)做出了整體把握的基礎(chǔ)上，對整個系統(tǒng)的發(fā)展歷程形成了較為清晰的認(rèn)知，便于在下文的設(shè)計中基于當(dāng)前現(xiàn)有技術(shù)水平及發(fā)展?fàn)顩r對設(shè)計做出指導(dǎo)，并對設(shè)計中出現(xiàn)的問題相應(yīng)的進(jìn)行解決。

2超聲波測距的理論基礎(chǔ)2.1超聲波的類型超聲波即為頻率較高的聲波類型，本質(zhì)上屬于電磁波的一種，按照沿著傳播方向的波動方式，例如質(zhì)點振動與波傳播方向相對關(guān)系的不同，可以將超聲波的類型分為橫波、縱波以及表面波三種。理想狀況下，超聲波的質(zhì)點振動公式可由式2-1進(jìn)行表示：St式2.1中St為質(zhì)點位置，A0為振動初始狀態(tài)下參數(shù)，x為距離，a為衰減系數(shù)，t為時間，2.2介質(zhì)的超聲波傳播特征2.2.1聲速聲速一般表示聲波在介質(zhì)中的傳播速度.溫度、濕度、壓強(qiáng)等因素對于聲速能夠顯著產(chǎn)生影響，其中溫度影響最為明顯，波速在-30℃-100℃的變化情況如下表2.1、式2.2所示：表2.1波速以空氣介質(zhì)傳播速度隨溫度變化表溫度（℃）-30-20-100102030100c（m/s）313319325323338344349386空氣介質(zhì)中聲速可近似表示為：c=331.6×式中。T為環(huán)境溫度，單位為℃。2.2.2聲衰減聲波作為一種電磁波，因此在環(huán)境介質(zhì)傳播過程中不可避免地將發(fā)生反射、吸收、散射等現(xiàn)象導(dǎo)致波能量略微減少的聲衰減現(xiàn)象。聲衰減現(xiàn)象的發(fā)生一般有三個原因：晶粒散射、波束擴(kuò)散以及介質(zhì)吸收。晶粒散射現(xiàn)象為電磁波在介質(zhì)中進(jìn)行傳播過程中經(jīng)由波阻抗不同界面產(chǎn)生散亂反射的現(xiàn)象，晶粒散射現(xiàn)象所產(chǎn)生的聲衰減與界面晶格結(jié)構(gòu)、晶粒結(jié)構(gòu)相關(guān)，除此之外，介質(zhì)中如果存在氣泡與雜質(zhì)同樣將導(dǎo)致聲波在介質(zhì)傳播過程中發(fā)生晶粒散射，形成聲衰減的結(jié)果。介質(zhì)吸收現(xiàn)象為電磁波在介質(zhì)中傳播過程中，因介質(zhì)質(zhì)點之間互相的摩擦與熱傳導(dǎo)造成的能量損失，映射至超聲波傳播過程即表現(xiàn)為超聲波能量的衰減。擴(kuò)散衰減則指在電磁波傳輸過程中由于波束擴(kuò)散使得波的能量隨著傳播距離的增加而不斷減弱的現(xiàn)象。超聲波擴(kuò)散衰減現(xiàn)象的發(fā)生主要取決于超聲波波陣面形狀，但與介質(zhì)性質(zhì)無關(guān)，因此是區(qū)別于介質(zhì)吸收現(xiàn)象的聲衰減類型。2.3超聲波測距原理回波探測法實現(xiàn)難度低、檢測范圍大，但在短距離內(nèi)有盲區(qū)，適合作為本系統(tǒng)基本原理使用。回波探測法的原理可以概括為已知介質(zhì)聲波傳播速度情況下，采取發(fā)射、接收聲波，對發(fā)射與接受進(jìn)行計時計算距離值的方法。計算公式如下2.3所示s=t×式中t為從發(fā)射到接收經(jīng)過的時間，c為給定溫度、介質(zhì)下波的傳播速度。s即為測距裝置與障礙物之間的距離。聯(lián)合式2.2、2.3可根據(jù)環(huán)境溫度對距離進(jìn)行溫度補(bǔ)正，補(bǔ)正結(jié)果如公式2.4所示：L=12273.15+T式中L為距離，t為從發(fā)射到接收經(jīng)過的時間，T為環(huán)境溫度，單位為℃?；夭ㄌ綔y測距原理可表示為下圖2.1。圖2.1回波探測原理圖本系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計原理基于回波探測法展開。在回波探測過程中傳感器分為發(fā)射傳感器與接收傳感器。但無論是超聲波發(fā)射傳感器還是接受傳感器，其傳感器的本質(zhì)與功能都是需要完成將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的轉(zhuǎn)化，因此在大多數(shù)有關(guān)于超聲波測距系統(tǒng)的研究過程中，基本將超聲波傳感器定義為能量轉(zhuǎn)換器，用于將超聲波震動機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電信號用于系統(tǒng)的處理。2.4本章小結(jié)本章對基于STM32的超聲波無線測距系統(tǒng)所用到的基本理論及技術(shù)做出了說明與分析，主要包括超聲波基本特征、傳播特點以及超聲波測距實現(xiàn)原理三個部分?；菊f明了基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計過程中所用到的物理原理以及單片機(jī)在系統(tǒng)中所起到的關(guān)鍵作用，確定了超聲波測距系統(tǒng)完成測距過程的基本設(shè)計原理為回?fù)芴綔y法，在此基礎(chǔ)上基于理論分析對系統(tǒng)設(shè)計中程序部分以及數(shù)據(jù)換算部分用到的公式進(jìn)行了說明。

3基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計3.1超聲波測距系統(tǒng)總體設(shè)計3.1.1設(shè)計原則本系統(tǒng)要求進(jìn)行測量過程中不僅要運行的準(zhǔn)確、安全、穩(wěn)定，且要求易于維護(hù)，因此系統(tǒng)設(shè)計需要遵循以下原則：1、穩(wěn)定性超聲波測距設(shè)備一般作為嵌入式設(shè)備在大型控制系統(tǒng)中長期穩(wěn)定使用，因此需要從PCB設(shè)計、電磁兼容等要素，通過合理布局排版盡量減少環(huán)路電阻、加粗電源線寬度，從而提升抗噪能力。高頻電路采用多點串聯(lián)接地，低頻電路采用單點并聯(lián)接地，地線保證短而粗，使得能夠通過三倍于PCB允許電流，高頻元件周圍用大面積柵格狀銅箔。PCB大面積敷銅，從而控制PCB的工作溫度、減少地線阻抗、屏蔽電路板信號交叉干擾，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。2、可擴(kuò)展性由于當(dāng)前對于超聲波測距系統(tǒng)的要求更智能化、全面化，因此系統(tǒng)設(shè)計過程中需要注重在當(dāng)前功能基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展、升級的可能性，例如升級主控單元、擴(kuò)展功能等。為此，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計過程重需要采用模塊化、系統(tǒng)化的設(shè)計思想，即能夠擴(kuò)展產(chǎn)品的適用范圍、也能夠?qū)⑾到y(tǒng)應(yīng)用到更為廣泛的領(lǐng)域之中。3、簡潔性設(shè)計簡潔即實現(xiàn)功能的前提下盡可能地通過簡潔的設(shè)計提高主控單元的處理效率，從而提升系統(tǒng)的綜合性能、穩(wěn)定性和可拓展性。3.1.2總體設(shè)計思路與功能概述參考當(dāng)前無限超聲波測距系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與自身技術(shù)能力的實際，此次設(shè)計系統(tǒng)需要實現(xiàn)的性能如下：測量范圍達(dá)到20mm-5000mm，測量精度大于2%，結(jié)合硬件性能考慮，小測距單位設(shè)計為10mm，響應(yīng)時間2000ms以內(nèi)即可。液晶顯示方案選用價格較為低廉的LCD液晶顯示屏降低成本，并添加環(huán)境溫度檢測模塊從而根據(jù)溫度補(bǔ)正公式完成測距過程中對于環(huán)境溫度因素的屏蔽。預(yù)設(shè)工作環(huán)境溫度為0-40℃，采用STM32為核心電路芯片解決方案，完成超聲波發(fā)射、接收以及電信號的分析處理過程，最終輸出測量值由顯示模塊進(jìn)行顯示。3.2超聲波測距系統(tǒng)硬件設(shè)計3.2.1單片機(jī)選型與核心電路設(shè)計單片機(jī)因其相對強(qiáng)勁的性能與低廉的價格成為了近幾十年來受到廣泛歡迎的嵌入式系統(tǒng)處理芯片解決方案。與PC中CPU相比較，單片機(jī)同時具有中央處理器、物理內(nèi)存以及緩存部分，在超聲波測距系統(tǒng)中作為主控單元，可以達(dá)到在固定時間設(shè)定超聲波發(fā)射模塊進(jìn)行超聲波發(fā)射以及控制接收電路對發(fā)射的超聲波信號進(jìn)行回波信號接收的效果，另外也可較為輕易的完成讀取芯片內(nèi)部計時器時間值結(jié)合測溫模塊輸出12位溫度值對測距過程的測量結(jié)果進(jìn)行距離計算與補(bǔ)正，最終向顯示模塊輸出信號，完成各項環(huán)境信息以及測量結(jié)果的輸出與顯示。STM32是ST公司開發(fā)的一款32位單片機(jī)，主頻位1.25DMIPS/MHz，綜合價格、性能以及功耗因素考慮適合于作為超聲波測距系統(tǒng)主控單元使用。STM32內(nèi)核為ARM公司Cortex-M3架構(gòu)，擁有Thumb-2指令集，盡管目前已有大量成熟的64位單片機(jī)產(chǎn)品，但STM32的效率和穩(wěn)定性依然使其廣泛應(yīng)用于各類嵌入式系統(tǒng)主控單元中。STM32PLL可達(dá)72Mhz，高分辨率計時器為測量精度提供了保證，內(nèi)部集成除法器，大大降低了計算時間。系統(tǒng)設(shè)計采用的STM32封裝為LQFP64，如下圖所示：圖3.1STM32LQFP64封裝外觀圖在此次設(shè)計中，STM32單片機(jī)所起到的作用主要包括：（1）控制超聲波發(fā)射模塊在給定時間段進(jìn)行超聲波的發(fā)射工作，并在接收階段相應(yīng)的停止超聲波的發(fā)射過程；（2）在超聲波發(fā)射模塊發(fā)射超聲波后，相應(yīng)的在給定時間范圍內(nèi)完成超聲波接收模塊的超聲波接收過程，并基于計時器完成超聲波發(fā)射與接收信號之間時間差（渡越時間）的計算；（3）從溫度檢測模塊中搜集輸出的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)渡越時間、環(huán)境溫度根據(jù)相應(yīng)公式進(jìn)行距離計算，并輸出計算結(jié)果；（4）計算結(jié)果經(jīng)有顯示模塊處理，完成距離值以及環(huán)境溫度值在LCD液晶顯示屏的顯示，便于查看。核心電路設(shè)計包括晶體震蕩電路、復(fù)位電路、電源供電模塊設(shè)計、單片機(jī)程序下載端口。具體設(shè)計方案以及采用立創(chuàng)EDA軟件繪制的核心電路圖如下，核心電路包括四個主要部分，分別為電源供電部分、晶體震蕩電路部分、復(fù)位電路部分以及下載端口部分。圖3.2STM32核心電路總體設(shè)計圖圖3.3電源電路設(shè)計圖核心電路的四個主要部分介紹如下：電源模塊為核心電路的供能部分，此次設(shè)計對于電源供電的要求基本可以概括為兩點：即紋波干擾少、穩(wěn)定性高，從而保證整個超聲波測距系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。單片機(jī)核心電路理論上對于電源的要求為5V直流供電，考慮到實際設(shè)計環(huán)境與成本問題，很難為核心電路提供高穩(wěn)定性的5V直流供電方案，因此選擇采用以三節(jié)干電池供電的方式進(jìn)行供電方案的代替，經(jīng)后文中實際測試，可看出采用三節(jié)干電池供電基本能夠達(dá)到系統(tǒng)電源供電的要求。供電電路中串接了發(fā)光二極管實現(xiàn)通路指示的功能，同時串接了并聯(lián)濾波退耦電容與開關(guān)，將供電正極接往STM32單片機(jī)40號針腳，供電負(fù)極接往單片機(jī)20號針腳，完成對單片機(jī)核心電路的供電。復(fù)位電路模塊主要用于整個超聲波無線測距系統(tǒng)的啟停、復(fù)位等功能的實現(xiàn)，復(fù)位模塊是系統(tǒng)設(shè)計中系統(tǒng)得以可靠協(xié)調(diào)工作的保障。如圖3.2所示，復(fù)位電路最終輸出的復(fù)位信號直接連接到STM32單片機(jī)的第9號針腳。STM32單片機(jī)的復(fù)位需要使得單片機(jī)RST針腳上維持多個周期的高電平信號，而根據(jù)單片機(jī)型號的不同維持信號所需的周期也不同，根據(jù)此次系統(tǒng)設(shè)計所用STM32系列單片機(jī)型號的說明，復(fù)位電路需要向單片機(jī)輸出不低于24個脈沖周期的高電平信號即可完成復(fù)位。復(fù)位電路組成包括電阻、電容以及復(fù)位開關(guān)，從而在開關(guān)閉合形成通路時，電路中電容能夠維持住一個較短的高電平周期使得芯片完成復(fù)位，同時該復(fù)位開關(guān)可以作為整個系統(tǒng)的手動復(fù)位開關(guān)，當(dāng)超聲波測距系統(tǒng)發(fā)生工作異常時，可通過手動復(fù)位開關(guān)完成系統(tǒng)復(fù)位。晶振電路用于對于整個超聲波測距系統(tǒng)以及核心電路提供符合單片機(jī)要求的固定周期脈沖信號，在此次設(shè)計中，晶振電路由兩個無源石英晶體振蕩器實現(xiàn)，由于需要對振蕩波型的穩(wěn)定性提出要求，因此需要在振蕩器的周邊搭配兩片無極貼片電容進(jìn)行接地。晶振電路所輸出的信號類型為方波震蕩脈沖，該震蕩脈沖直接進(jìn)入單片機(jī)第18、19號針腳，經(jīng)由單片機(jī)確定本超聲波無線測距系統(tǒng)中所有工作的周期。一般而言，系統(tǒng)工作的反應(yīng)速度與晶振頻率直接呈現(xiàn)正相關(guān)。單片機(jī)程序下載端口為用于單片機(jī)程序燒錄的下載電路，該端口（電路）的功能為向單片機(jī)存儲器燒錄完整的二進(jìn)制代碼，從而達(dá)到通過單片機(jī)進(jìn)行程序控制的效果。STM32單片機(jī)作為成熟的單片機(jī)產(chǎn)品，可直接通過串口通信完成程序燒錄與下載過程。如圖3.2所示，下載電路中2\3針腳直接與單片機(jī)第10、11針腳相連接，是下載電路中的串口通信接口，用于直接將程序向單片機(jī)儲存器進(jìn)行燒錄。從而實現(xiàn)通過串口通信直接向單片機(jī)進(jìn)行程序下載與燒錄的過程。3.2.2無線收發(fā)芯片模塊本超聲波無線測距系統(tǒng)中無線收發(fā)芯片采用型號為nRF24L01，實物如圖3.4所示，該款nRF24L01采用雙列八腳直插封裝，針間距為2.54mm。板載2.4GHz天線，理論比特率為250kbps時通信距離約200m左右，于150m以內(nèi)有較好的通信效果。該型號擴(kuò)展版使用外置2.4GHz天線，最高通信距離可達(dá)1000m，能夠滿足本超聲波無限測距系統(tǒng)的需要。發(fā)射功率最大為4.5：+7dB，接收靈敏度最高為90dB。該型號芯片集成RF協(xié)議及通信技術(shù)，自帶FIFO緩存，采用SPI串行接口與單片機(jī)硬件SPI進(jìn)行直接連接，因此能夠兼容不同速度的接口，對于價格較為低廉，性能較為一般的單片機(jī)兼容性較好。芯片模塊具有智能重發(fā)功能，可自檢及重發(fā)丟失的數(shù)據(jù)包，且具備無線通信鏈路層協(xié)議，便于開發(fā)。此次設(shè)計中的無線收發(fā)模塊由單片機(jī)發(fā)出片選信號，經(jīng)由SPI總線片選端口CSN進(jìn)行接收，單片機(jī)與無線收發(fā)模塊之間的數(shù)據(jù)發(fā)送或者接收端口為CE端口，同樣由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和回收的選擇控制，串行通信數(shù)據(jù)則經(jīng)由SPI總線數(shù)據(jù)輸入端口MOSI，時鐘斷口SCK用于接收由單片機(jī)計時器發(fā)出的固定時鐘信號。nRF24L01芯片讀寫時序如圖3.5所示：圖3.4nRF24L01實物圖圖3.5nRF24L01讀寫時序圖3.2.3超聲波收發(fā)模塊超聲波收發(fā)電路是本超聲測距系統(tǒng)的重要部分，超聲收發(fā)模塊承擔(dān)著測距信號的發(fā)送和接收功能，一般超聲波測距系統(tǒng)的超聲波收發(fā)模塊都由超聲波探頭（超聲波換能器）與超聲波激勵電路組成，其中超聲波探頭為直接進(jìn)行超聲波的發(fā)射與接收的組件，用于進(jìn)行電能至機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)化過程，在諸多相似的超聲波測距系統(tǒng)研究中均可表明，超聲波探頭組件性能將極大影響到超聲波測距系統(tǒng)的實際測量性能與精度。超聲波激勵電路則是用于產(chǎn)生用于激勵超聲波探頭進(jìn)行超聲波信號發(fā)射的電路設(shè)計，原理為通過向超聲波探頭施加一定電壓、頻率的電信號使得這一電信號經(jīng)由超聲波探頭中的元件轉(zhuǎn)化為一定頻率的超聲波信號，因此，超聲波發(fā)射電路中激勵電壓的性質(zhì)將直接關(guān)系到最終發(fā)射超聲波的頻率與振幅。超聲波收發(fā)模塊的實物如下圖3.6所示。圖3.6超聲波收發(fā)模塊實物圖由上圖3.6可得，超聲波模塊為雙傳感器結(jié)構(gòu)，分別負(fù)責(zé)超聲波的發(fā)送和接收，以此完成超聲波測距，傳感器外接單片機(jī)，利用單片機(jī)對發(fā)射傳感器發(fā)射至接收傳感器接收所需時間進(jìn)行計時，而后利用算法對這一時間進(jìn)行輸出計算，最終得到所測距離，于LCD屏幕顯示。超聲波反饋至R傳感器后由這一高電平信號傳輸至單片機(jī)從而進(jìn)行中斷處理，停止計時。測距模塊時序如下圖3.7所示。超聲波模塊利用超聲波遇障礙反射的特性，從而利用接收反射波的時間乘波速完成距離測量。此次設(shè)計中超聲波發(fā)射電路由單片機(jī)內(nèi)部的定時器向發(fā)射電路輸出兩路高頻且互補(bǔ)的PWM信號（頻率40KHz、占空比0.5），這兩對互補(bǔ)PWM信號分別經(jīng)由發(fā)射電路向偏載電荷泵輸入，最終產(chǎn)生+6V\-6V的一組電壓，最終驅(qū)動超聲波探頭發(fā)射出40KHz的超聲波。圖3.7超聲波收發(fā)模塊時序圖3.2.4聲光報警模塊聲光報警是本超聲測距系統(tǒng)應(yīng)用于實際的功能模塊，用于在測距輸出結(jié)果低于設(shè)定值的情形下由蜂鳴器、二極管報警提示障礙物。系統(tǒng)電路如圖3.8所示，報警電路采用S8550放大電流，從而推動二極管發(fā)光、蜂鳴器發(fā)聲。當(dāng)單片機(jī)驅(qū)動端口輸出為低電平時，此時管子飽和導(dǎo)通，發(fā)光二極管與蜂鳴器工作。圖3.8聲光報警電路設(shè)計3.2.5顯示模塊考慮到原材料獲取難易度以及超聲波系統(tǒng)設(shè)計功能及兼容性要求，顯示模塊選用LCD1602黑白液晶顯示器作為測距儀的系統(tǒng)顯示界面。本測距系統(tǒng)設(shè)計功能較為簡單，顯示模塊只需顯示字符、不需顯示圖象，因而選擇低端型號LCD1602。該型號顯示內(nèi)容格式較為靈活，作為大眾型產(chǎn)品能夠較好的滿足測距系統(tǒng)的需要，LCD1602的電路如圖3.9所示，十六個針腳的基本說明如下：針腳1：接地。針腳2：電源陽極輸入。針腳3：LCD偏壓控制，在電路中一般采用可變電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，在此次設(shè)計中為了簡化電路，直接采用電阻接地的方式進(jìn)行實現(xiàn)。針腳4：直接與單片機(jī)連接，用于接收單片機(jī)數(shù)據(jù)選擇信號與命令。針腳5：直接與單片機(jī)連接，用于接收單片機(jī)所發(fā)出的控制信號，單片機(jī)發(fā)出低電平指示顯示電路寫入數(shù)據(jù)、單片機(jī)發(fā)出高電平則指示顯示電路讀取數(shù)據(jù)，無電平發(fā)出默認(rèn)處于接地狀態(tài)。針腳6：與單片機(jī)相連，接收單片機(jī)控制信號。針腳8：液晶顯示屏背光陽極，與電源正極相連。針腳9：液晶顯示屏背光陰極，與電源負(fù)極相連。實物如圖3.10所示。顯示模塊對應(yīng)STM32接口如圖3.2核心電路設(shè)計所示。圖3.9顯示電路設(shè)計圖圖3.10LCD1602實物圖3.2.6溫度模塊此次系統(tǒng)設(shè)計中需要溫度測量模塊對環(huán)境溫度進(jìn)行采集，避免溫度因素對測量造成影響，提升系統(tǒng)測量精度。DS18B20傳感器輸出信號為采集溫度過程完成后輸出的數(shù)字信號，其自帶的驅(qū)動程序使得傳感器最終能夠輸出12位溫度數(shù)值，如圖所示，DS18B20通過單總線與STM32的P2.3端口進(jìn)行連接完成溫度數(shù)據(jù)的讀寫過程，4.7K電阻的功用是完成單總線電源上拉，總體溫度測量精度可以達(dá)到0.5℃。該溫度模塊設(shè)計方案的優(yōu)點與特性包括（1）拓展性較好，若采取多個傳感器并聯(lián)的方案，可以達(dá)到多點測溫的效果。（2）占用系統(tǒng)資源少，整個溫度采集模塊僅僅只占用超聲波測距系統(tǒng)的一個IO口。（3）待機(jī)功耗幾乎為0。（4）無需額外設(shè)置其余外置器件即可達(dá)到測溫效果。（5）可拓展過溫報警或者低溫報警功能。（6）對于供電電壓的要求較為寬松，供電電壓處于3.0-5.5V范圍內(nèi)均可正常工作。（7）當(dāng)出現(xiàn)電源反接情形下，電路內(nèi)各元件具有良好的自我保護(hù)效果。圖3.11溫度采集電路圖3.3軟件設(shè)計3.3.1主程序本超聲波測距系統(tǒng)軟件設(shè)計采用MDK軟件平臺，MDK前身為Keil軟件，廣泛運用于STM32單片機(jī)的開發(fā)中，作為擁有一整套編譯、仿真的嵌入式開發(fā)平臺，被ARM收購后更名為MDK。軟件基本界面如下圖：圖3.12軟件平臺主界面圖3.13主程序流程圖圖3.14測距儀通信程序流程圖主程序流程如圖3.13所示：主程序開始運行后首先加載硬件配置以及參數(shù)初始化，而后進(jìn)入主循環(huán)。主循環(huán)包括超聲波距離測算、顯示、溫度采集、通訊信號處理以及物理按鍵檢測等輪訓(xùn)項目。當(dāng)按下物理按鍵啟動測量時，經(jīng)有按鍵處理模塊進(jìn)行超神波的發(fā)送階段，同時啟動計時器。單片機(jī)中斷管腳的過程由單片機(jī)接收到傳感器返回的脈沖信號后完成，當(dāng)脈沖信號返回單片機(jī)，單片機(jī)將啟動中斷函數(shù)（interrupt1，代碼見附錄）從而完成中斷管腳的過程，從單片機(jī)計時器獲取時間值后則測量完成。單片機(jī)計時器計時精度為1μs。測量完成后，測量數(shù)據(jù)的計算處理過程在通訊處理模塊中進(jìn)行，主程序以20Hz的頻率調(diào)取函數(shù)執(zhí)行，對應(yīng)LCD屏幕每50ms刷新一次，基本能夠滿足人眼的觀測要求。溫度采集函數(shù)在本系統(tǒng)設(shè)計過程中根據(jù)要求作用為采集變化波動基本不大的環(huán)境溫度，因此預(yù)設(shè)執(zhí)行頻率為2000ms一次，即2s在LCD屏幕更新一次環(huán)境溫度信息。當(dāng)主循環(huán)檢測到單片機(jī)因接收中斷函數(shù)。（interrupt1）指令形成接收標(biāo)志位時，即進(jìn)入通信處理模塊進(jìn)行通信協(xié)議規(guī)定的處理任務(wù)上述超聲波測距外部中斷1服務(wù)函數(shù)（interrupt1）如下：voidexter()interrupt1{T_WaveH=TH1;//取出計時器高8位值T_WaveL=TL1//取出計時器低8位值F_WaveOK=1//設(shè)置接收標(biāo)志位EX1=0//關(guān)閉外部中斷1}測距計算代碼：voidCountWave(void){WaveTime=T_WaveH*256+T_WaveHL;Length=(WaveTime*(331.45+K_Temp*tmp)/2))/100;//根據(jù)公式計算，得到單位為cmdispbuf[0]=0xal;dispbuf[1]=Length%256dispbuf[2]=Length/256;//處理顯示數(shù)據(jù)}無線通信接收函數(shù)：ucharRX_Pack(uchar*RX_REG){ucharflag=0;Sta=SPI_read(STATus)if(RX_DR){CE=0;Spi_R_load（RD_RX_LOAD,RX_REG,TX_LOAD_Length）;Flag=1;SPI_RW_BUF(WR_BUF+STATS,0xff)；CSN=0;SPI_RW(F_LusH_RX);CSN=1;CE=1;}return（flag）；}無線通信應(yīng)答函數(shù)：uncharCheck_ACK(){status=NRF_RD_Reg(R_REGIST+STA);if（TX_D||MAX_R）{NRF_WR_Reg(W_REGIST+STA,0xff);CSN=0;NRF_SPI(F_LusH_TX);CSN=1;return（0）；}elsereturn（1）；}3.3.2溫度采集程序設(shè)計系統(tǒng)中外接DS18B20模塊采集環(huán)境溫度，溫度采集模塊受單片機(jī)程序驅(qū)動，操作步驟如下：溫度傳感器復(fù)位過程中，通過單總線向傳感器發(fā)送RAM指令脈沖，此時總線為低電平脈沖。隨后釋放總線，發(fā)送正常信號，進(jìn)行傳感器的正常檢測，利用函數(shù)代碼列出只讀溫度返回值tmp。溫度采集函數(shù)代碼如下：RD_tmp(){floatt;ow_reset();Delayus(200);WR_byte(0xcc);WR_byte(0x44);ow_reset();delayus(1);WR_byte(0xcc);WR_byte(0xbe);tmp_data[0]=RD_byte();tmp_data[1]=RD_byte();tmp=tmpdata[1];tmp<<=8；tmp=tmp|tmp_data[0];//合成字節(jié)為整型變量tmp=tmp*0.0625//進(jìn)制轉(zhuǎn)換val=t*100+(tmp>0?0.5:-0.5);returntmp;}DS18B20對應(yīng)溫度補(bǔ)正公式2.4進(jìn)行測算距離的溫度補(bǔ)正，溫度在12位下與輸出的二進(jìn)制、16進(jìn)制代碼對應(yīng)如下表3.1所示表3.1DS18B20溫度測量模塊溫度輸出對應(yīng)表溫度（℃）輸出代碼（二進(jìn)制）輸出代碼（十六進(jìn)制）125111110100000700H85101010100000550H25.061100100010191H10.131010001000A2H0.510000008H000000H-0.51.11111E+15FFF8H-10.131.11111E+15FF5EH-25.061.11111E+15FF6FH-551.11111E+15FC90H3.4本章小結(jié)本章詳細(xì)就超聲波測距系統(tǒng)的總體設(shè)計，包括設(shè)計原則以及總體設(shè)計思路與功能進(jìn)行了概述。并對超聲波測距系統(tǒng)中單片機(jī)選型以及核心電路設(shè)計、無線收發(fā)模塊設(shè)計、超聲波收發(fā)模塊設(shè)計、聲光報警模塊設(shè)計、顯示模塊設(shè)計以及溫度模塊設(shè)計過程中的電路圖以及思路做出了詳細(xì)闡述。在此基礎(chǔ)上，對于該系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計給出了詳細(xì)代碼，基本就本超聲波測距系統(tǒng)功能的實現(xiàn)給出了硬件以及軟件部分的解決方案。主要的包括講述了射頻無線通信nRF24L0傳輸模塊的總體電路設(shè)計以及原理，展示了超聲波發(fā)射與接收模塊的實物圖片；通過產(chǎn)品使用手冊實現(xiàn)了超聲波測距系統(tǒng)測量結(jié)果向LCD液晶顯示屏的輸出，并為了提升測量精度，消除溫度對于測量結(jié)果的影響，利用DS18B20傳感器進(jìn)行了溫度采集電路的設(shè)計，從而達(dá)到了向單片機(jī)輸出溫度數(shù)據(jù)的效果，最終得以根據(jù)回波測距法溫度補(bǔ)正計算公式消除由公式帶來的誤差。

4超聲波測距理論性能及實際性能測試4.1理論性能實驗4.1.1實驗?zāi)康谋境暅y距系統(tǒng)設(shè)計包含系統(tǒng)實驗部分，用于測試系統(tǒng)設(shè)計各模塊能否正常運行，以達(dá)到一定精度下的測距效果。本設(shè)計主電路基于單片機(jī)STM32開發(fā)，通信模塊為Nrf24L01，系統(tǒng)為典型的嵌入式設(shè)備，最終測距儀成品如下所示：圖4.1測距儀實物圖實驗?zāi)康闹饕腥c：第一，測距前利用萬用表檢查硬件設(shè)計及電路板焊接是否存在虛焊、短路連接、裝配錯誤等問題，保證各系統(tǒng)模塊調(diào)試正常。使用示波器、萬用表檢測工作時的各項電流、頻率參數(shù)。第二，檢查軟件編譯錯誤，修復(fù)影響測距儀正常運行的bug。第三，確定超聲波測距儀的理論與實際測量效果。為詳細(xì)測定本超聲測距系統(tǒng)的誤差，除上述實際測量實驗之外，補(bǔ)充設(shè)計了于室溫下實驗室環(huán)境的距離測量實驗。實驗裝置為距測距系統(tǒng)25mm至5000mm不等的超聲波反射擋板，每一擋板測試10次得到10組數(shù)據(jù)，從而檢驗本超聲波系統(tǒng)的測距精度、最大測量距離以及盲區(qū)。4.1.2測量結(jié)果室溫下距離測試的測量結(jié)果如下表4.1所示：表4.1超聲波測距儀理論性能測試結(jié)果實際距離/mm測量示數(shù)絕對誤差2562.67-3030.350.35100100.330.33200200.40.4300300.280.28400399.740.26500500.320.3210001000.30.314001399.440.5618001800.430.4322002200.460.4626002600.580.5830003000.680.6834003400.760.7638003799.360.6440004000.740.7444004400.680.6848004800.750.7550005000.350.3652005100.12-5400--由上表4.1可以看出，本超聲波測距系統(tǒng)在低于30mm的情況下，由于超聲波發(fā)生多次反射，已經(jīng)無法正常進(jìn)行測量，因此30mm以下為本超聲波測距儀的測量盲區(qū)。另外測量距離超過5000mm后，因超聲波回波信號較弱，難以進(jìn)行準(zhǔn)確的測距，因此本系統(tǒng)理論測量范圍為30-5000mm。在此量程內(nèi)，測量精度為1mm。使用萬用表及示波器對測距儀工作時進(jìn)行測量，得到的電流、功率等參數(shù)如下表所示：表4.2超聲波測距儀理論性能測試結(jié)果項目測量值備注測量精度1mm最小測量距離30mm如表4.1所示最大測量距離5000mm 發(fā)送端電流21.05mA如圖4.2所示接收端電流43.08mA發(fā)送端功率1.5mW如圖4.3所示接收端功率215.40mW單片機(jī)工作頻率12.000MHz 工作電流以及工作頻率的檢測如下圖4.2、4.3所示：圖4.2超聲波測距儀工作電流測量圖4.2超聲波測距儀工作頻率測量4.2室外測試為了驗證無線測距儀在室外條件下的測量可靠性，此次設(shè)計在理論測試的基礎(chǔ)上補(bǔ)充了室外測距實驗，為獲得較好的測量效果，選用了對波反射能力較強(qiáng)的鐵門作為測試對象，測試現(xiàn)場圖片如圖4.3、4.4所示：圖4.3超聲波測距儀現(xiàn)場測距圖現(xiàn)場測量采用卷尺進(jìn)行實際距離測量，具體測量數(shù)據(jù)如下表4.3所示：表4.3超聲波測距儀現(xiàn)場測距數(shù)據(jù)項目實際距離示數(shù)室內(nèi)墻面1000mm960mm室外鐵門20mm80mm室外鐵門50mm50mm室外鐵門1000mm980mm室外鐵門2000mm1970mm室外鐵門3000mm2950mm室外鐵門4000mm4040mm室外鐵門5000mm4940mm室外鐵門5500mm-由表4.3中數(shù)據(jù)可以看出，實際測量條件下，超聲波測距儀的測量精度很難達(dá)到實驗室條件1mm水平，誤差一般為1%-2%左右，在50mm以下能夠表現(xiàn)出較好的測量精度，1000mm-5000mm的測量距離下，測量精度下降較為明顯。盲區(qū)與最大測量距離數(shù)據(jù)與理論測試保持吻合，低于30mm的測量距離下無法取得正確的示數(shù)，高于5000mm的距離則因返回波較弱無法顯示示數(shù)。4.3本章小結(jié)本章首先展示了超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計實物，并給出了理論性能測試的環(huán)境說明以及測試結(jié)果，在進(jìn)行工作電流及示波器輔助監(jiān)控的前提下，完成了該超聲波測距系統(tǒng)理論測量范圍、精度等數(shù)據(jù)信息。而后為了說明本實驗設(shè)計的可靠性及實用性，安排了室外測試實驗，以宿舍鐵門為對象進(jìn)行了本測距儀的室外性能測試實驗。結(jié)果表明室外實驗性能表現(xiàn)不及理論性能：實驗室性能測試結(jié)果為測量范圍30mm-5000mm，精度為1mm；室外性能測試結(jié)果為測量范圍50mm-5000mm，精度為1%-2%。

結(jié)論此次無線超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計主要特色為在一般超聲波測量儀基礎(chǔ)上添加了射頻無線通信技術(shù)以及溫度補(bǔ)正模塊?？刂坪诵牟捎眉嫒菪院?、價格成本較低的STM32單片機(jī)，利用單片機(jī)驅(qū)動超聲波收發(fā)模塊發(fā)送超聲波信號，同時由該模塊傳感器進(jìn)行超聲波信號接收，轉(zhuǎn)換為電信號返回單片機(jī)，利用計時器進(jìn)行時間值，經(jīng)計算與溫度補(bǔ)正得到測量距離值，最終由LCD1602顯示屏進(jìn)行顯示。測量儀使用按鍵進(jìn)