李昊林 徐磊 潘少杰 王祿祥 蔡大維

摘要：該文在分析超聲波測(cè)距原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種以超聲波換能器為核心，采用STM32F407單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)聲波發(fā)送與回波接收的測(cè)距裝置，并將回波數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，回波強(qiáng)弱采用不同顏色進(jìn)行區(qū)分，實(shí)現(xiàn)可視化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的測(cè)距系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，方便安裝，測(cè)量精度高，人機(jī)交互界面良好，能夠準(zhǔn)確地傳送數(shù)據(jù)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：超聲波測(cè)距；換能器；STM32F407；回波信號(hào)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH717 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）21-0271-02

目前，市場(chǎng)上測(cè)距的方法多種多樣，先后出現(xiàn)了激光、微波雷達(dá)、紅外線及超聲波測(cè)距方式[1]。其中，激光測(cè)距精度較高但存在易受環(huán)境因素影響、成本較高、維護(hù)不便等缺點(diǎn)；微波雷達(dá)的造價(jià)則非常高昂，一般用于某些特定場(chǎng)合；紅外測(cè)距雖然簡(jiǎn)單、安全、易制，但精度較低、方向性差。而超聲波測(cè)距幾乎不受被測(cè)物體顏色、光線、粉塵、煙霧、電磁干擾和有毒氣體的影響，而且價(jià)格低廉、使用方便，因此超聲波測(cè)距作為一種典型的非接觸式測(cè)距方式，擁有其他測(cè)距方式無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，受到了人們廣泛的關(guān)注和研究。在物位測(cè)量、機(jī)器人避障、倒車(chē)?yán)走_(dá)、航海測(cè)深等許多領(lǐng)域，超聲波測(cè)距技術(shù)都得到了非常普遍的應(yīng)用[2]。

1 超聲波測(cè)距原理

基于超聲波信號(hào)的測(cè)距方法，主要包括基于接收信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)距方法、基于到達(dá)角度的測(cè)距方法和基于到達(dá)時(shí)間差的測(cè)距方法[3]。

本文采用測(cè)量超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)間的方式來(lái)計(jì)算距離，即超聲波傳播速度為v，傳播時(shí)間為t，距離d=v*t。若采用收發(fā)一體的超聲波換能器，則實(shí)際距離還需除以2，即距離d=v*t/2。由此可知超聲波測(cè)距必須確定聲波在介質(zhì)中的傳播速度以及準(zhǔn)確測(cè)量聲波的傳播時(shí)間。而聲波在空氣中的傳播速度與溫度、濕度、氣壓等因素有關(guān)，通常情況下主要是受到溫度影響，聲波在空氣中的傳播速度可近似表示為：

聲波的傳播時(shí)間一般采用“閥值法”來(lái)測(cè)算，其基本原理是捕獲回波信號(hào)的幅值第一次超過(guò)所設(shè)定閾值的瞬間，但回波信號(hào)幅值超過(guò)閾值的時(shí)間會(huì)因波形幅值的不同而不同，從而造成測(cè)量上的誤差[5]。故而采用動(dòng)態(tài)閾值法，又稱(chēng)作包絡(luò)線峰值檢測(cè)法，其檢測(cè)依據(jù)為接收信號(hào)峰值所在的相對(duì)位置不隨待測(cè)距離的改變而改變，可以較好地彌補(bǔ)此誤差[6]。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)分為上位機(jī)平臺(tái)與下位機(jī)，下位機(jī)主要由微控制器、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、測(cè)溫模塊、通訊模塊、電源模塊等組成。微控制器負(fù)責(zé)產(chǎn)生200kHz驅(qū)動(dòng)信號(hào)、采集回波、數(shù)據(jù)處理等任務(wù)，最后將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)輸出兩路相位相反，頻率同為200kHz，幅值3.3V的方波，經(jīng)三極管導(dǎo)通后，電壓幅值為5V，考慮到后期拓展多通道超聲波換能器，故采用CD4052開(kāi)關(guān)選擇輸出，之后經(jīng)74LS08與門(mén)輸出，其原理圖如圖2所示。

74LS08與門(mén)經(jīng)N溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管2SK2937連接至中心抽頭變壓器，實(shí)現(xiàn)輸出±15V電壓方波驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，其原理圖如圖3所示。

3.2 超聲波回波接收電路設(shè)計(jì)

如圖4，采用ML1350集成運(yùn)放芯片對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大和整形。ML1350線性中頻放大器具有寬范圍的自動(dòng)增益控制、單極性電源工作、輸出恒定、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，滿足對(duì)超聲波回波接收的使用場(chǎng)合。通過(guò)調(diào)節(jié)AGC電壓可以改變?cè)鲆嬉赃m應(yīng)不同量程的回波接收需求。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

程序通過(guò)TIM3輸出兩路互補(bǔ)200KHz方波，發(fā)射完畢后均輸出高電平；采用ADC來(lái)采集收到的回波信號(hào)，ADC由TIM4觸發(fā)，同時(shí)使用DMA進(jìn)行ADC的數(shù)據(jù)采集。待回波數(shù)據(jù)采集完畢，遍歷存儲(chǔ)采集信號(hào)的數(shù)組，尋找到回波信號(hào)峰值，減去設(shè)定的參數(shù)由此確定閾值，再尋找到幅值第一次超出閾值時(shí)的數(shù)組位置，根據(jù)ADC采樣頻率可換算出開(kāi)啟ADC采集后至回波信號(hào)幅值第一次超出閾值的時(shí)間，結(jié)合溫度補(bǔ)償，由此計(jì)算出距離，最后將處理后的值發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行顯示。系統(tǒng)程序流程如圖5所示。

4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

利用C#對(duì)上位機(jī)軟件進(jìn)行編寫(xiě)，在可視化界面上顯示距離及詳細(xì)圖表數(shù)據(jù)，對(duì)回波信號(hào)強(qiáng)弱采用不同顏色進(jìn)行區(qū)分。

下位機(jī)發(fā)射超聲波并接收回波，并將回波數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，每次的回波強(qiáng)弱采用不同顏色進(jìn)行區(qū)分，回波色標(biāo)從強(qiáng)至弱依次為紅、橙、黃、黃綠、綠、湖藍(lán)、淺藍(lán)、灰，小于一定幅值的回波信號(hào)進(jìn)行隱藏，顯示白色，以便清晰觀察。每次回波信號(hào)顯示為最右側(cè)的從上至下的一條線，當(dāng)下一次回波信號(hào)需要顯示時(shí)，該線自右向左移動(dòng)，之后將最新的回波添加至最右側(cè)，由此不斷向左移動(dòng)回波構(gòu)成一幅動(dòng)態(tài)圖像。

程序運(yùn)行結(jié)果如圖6所示，回波信號(hào)顯示在軟件界面左側(cè)，中間以曲線圖的形式顯示每次回波信號(hào)，軟件接收到的全部信息顯示在界面文本框中，軟件右側(cè)為控制面板，用于程序的運(yùn)行控制、參數(shù)調(diào)整、數(shù)據(jù)保存等。

在室溫下，采用平整混凝土墻壁作為反射面進(jìn)行測(cè)量，使用鋼卷尺測(cè)量實(shí)際距離作為標(biāo)稱(chēng)值，其中卷尺精度1mm，測(cè)量距離為該位置上3次測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值。測(cè)試結(jié)果如表所示。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到本次測(cè)試結(jié)果的最大偏差為0.2cm，最大相對(duì)誤差為0.43%，平均相對(duì)誤差為0.31%，總體上達(dá)到了對(duì)精度的要求。

使用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合并繪圖，如圖7所示，可知測(cè)量值與標(biāo)稱(chēng)值也有較好的線性關(guān)系，曲線擬合度高，誤差小。同時(shí)在上位機(jī)觀察到，當(dāng)距離較近時(shí)，可清楚地觀察到二次回波甚至三次回波。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距裝置，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在一定范圍內(nèi)滿足了測(cè)距要求，工作可靠，測(cè)量精度較高，安裝方便，設(shè)計(jì)的上位機(jī)界面人機(jī)交互良好，實(shí)現(xiàn)了回波強(qiáng)度可視化，可應(yīng)用于工業(yè)非接觸測(cè)距等場(chǎng)合，具有很好的使用價(jià)值。

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