基于STM32的超聲波測速測距系統(tǒng)設(shè)計

蔡光昭+洪遠泉+周永明

摘 ?要： 系統(tǒng)以STM32處理器為控制核心，主要包含超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、溫度補償模塊和液晶顯示電路等電路。通過測量超聲波發(fā)射到遇到障礙物返回的時間差，計算出距離和速度。采用DS18B20檢測環(huán)境溫度，修正超聲波傳播速度誤差。經(jīng)測試，系統(tǒng)可測量5 m內(nèi)的距離和100 cm/s內(nèi)的速度。

關(guān)鍵詞： 嵌入式處理器; 測速測距; 超聲波; 溫度補償

中圖分類號： TN919?34; TP933 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2014）24?0087?03

Design of ultrasonic velocity and range measurement system based on STM32

CAI Guang?zhao， HONG Yuan?quan， ZHOU Yong?ming

（Department of Electronic Engineering， Shaoguan University， Shaoguan 512005， China）

Abstract： The system takes the STM32 processor as its control core， and mainly includes ultrasonic transmitting circuit， ultrasonic receiving circuit， temperature compensation module and liquid crystal display circuit. The distance and speed are calculated by measuring the time difference between ultrasonic emission and return. DS18B20 is used to detect the ambient temperature， and correct the ultrasonic propagation velocity error. The testing results show the system can measure the distance within 5 m and speed in 100 cm/s.

Keyword： embedded processor; velocity and range measurement; ultrasonic wave; temperature compensation

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，測速測距儀在教學(xué)、科研和生活中的應(yīng)用越來越廣泛。目前，市面上大多測速測距儀器是基于激光或雷達的，雖然精度高，但價格較昂貴，操作復(fù)雜，難以普及應(yīng)用。而且，在很多場合，測速和測距的精度要求也不高。因此，操作簡單、價格低廉、攜帶方便的自動測速測距儀器有廣泛的應(yīng)用空間。本文介紹了一種基于STM32處理器的超聲波測速測距系統(tǒng)的設(shè)計，具有操作簡單、攜帶方便、測量快速、性價比高等優(yōu)點。

1 ?超聲波測速測距原理

諧振頻率高于20 kHz的聲波稱為超聲波。超聲波為直線傳播方式， 頻率越高， 反射能力越強， 而繞射能力越弱。利用超聲波的這種特性， 常常用做距離或者速度的測量。

超聲波發(fā)生器發(fā)出40 kHz的超聲波，以聲速[c]在空氣中傳播。超聲波到達被測物體時，反射返回到超聲接收器。假設(shè)超聲波的往返時間為[t]。則被測物體的距離[S]如式（1）所示：

[S=ct/2] ? ? ? ? ? ? ?（1）

超聲波是聲波的一種，其速度不是一個固定值，跟溫度大小成正比關(guān)系。在干燥空氣中，聲速的經(jīng)驗計算公式如式（2）所示：

[c=331.3+0.606T] ? ? （2）

式中：[T]為攝氏氣溫。常溫15 ℃下，聲速為340.4 m/s。

測量被測物移動速度時，在等間隔時間ΔT內(nèi)，先后測量出待測物的距離S1，S2，利用式（3）可算得移動速度[V]：

[V=（S2-S1）ΔT] ? ? ?（3）

可見，超聲波測速測距系統(tǒng)中，關(guān)鍵是超聲波信號的發(fā)射接收以及超聲波發(fā)射到遇障礙物返回的時間的準確測量[1?3]。

2 ?系統(tǒng)電路設(shè)計

超聲波測速測距系統(tǒng)電路主要包含STM32系統(tǒng)接口電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、溫度檢測電路等組成[4]。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.1 ?STM32處理器及系統(tǒng)接口電路

STM32F103處理器是32位的ARM微控制器，采用Cortex?M3 內(nèi)核，工作頻率為72 MHz。內(nèi)部集成多達128 KB的閃存，64 KB的SRAM。外設(shè)接口豐富，包括2 個12 b 的D/A轉(zhuǎn)換器、3個12位的A/D轉(zhuǎn)換器、3個通用16 b定時器和一個PWM 定時器。該內(nèi)核是專門設(shè)計于滿足集高性能、低功耗、實時應(yīng)用、具有競爭性價格于一體的嵌入式領(lǐng)域的要求[5]。STM32處理器的主要接口電路如圖2所示。

2.2 ?超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射電路如圖3所示。主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，微處理器I/O口PA8輸出的40 kHz的方波信號TRIG，一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極。這種推挽連接形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上拉電阻R3，R4一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間[6?7]。

2.3 ?超聲波接收電路

超聲波接收電路如圖4所示，主要超聲波專用接收芯片CX20106及其外圍器件組成。超聲波接收探頭接收到的超聲波信號，送往CX2016的1腳，在芯片內(nèi)部進行放大、濾波、積分比較和整形后，7腳輸出脈沖信號ECHO送往微處理器的PA8引腳進行處理。ECHO信號為高電平時，表示沒有接收到超聲波信號。一旦接收到超聲波，ECHO產(chǎn)生下降沿。如果持續(xù)接收到超聲波信號，則ECHO信號為周期性脈沖波[8?10]。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計的主要任務(wù)是控制定時器驅(qū)動超聲波發(fā)送器，并計算超聲波發(fā)射到返回的時間差，實現(xiàn)測速測距功能。

測速測距的波形圖如圖5所示，發(fā)送波TRIG由定時器TIM2產(chǎn)生，每隔T1時間，產(chǎn)生長度為T1的40 kHz方波，驅(qū)動超聲波發(fā)送器。T1的大小與系統(tǒng)的最大測量距離有關(guān)。如果測量距離為5 m，聲速按照常溫計算，T1至少為29.4 ms，系統(tǒng)設(shè)置T1為50 ms。為了計算超聲波發(fā)送到接收的時間差，從TRIG產(chǎn)生脈沖波開始，啟動定時器TIM3，對系統(tǒng)內(nèi)部72 MHz高速時鐘進行計數(shù)。一旦回波ECHO產(chǎn)生下降沿跳變，則停止計數(shù)。根據(jù)計數(shù)值，算出T的大小，即為超聲波發(fā)送到接收的時間差。

軟件設(shè)計上，采用前后臺系統(tǒng)完成程序設(shè)計。前臺程序負責(zé)產(chǎn)生發(fā)送波TRIG和時間差T的計算。后臺程序負責(zé)系統(tǒng)的初始化控制，回波檢測，時間差、速度和距離的計算顯示。后臺控制的程序流程圖如圖6所示。

4 ?結(jié) ?語

基于STM32處理器為控制核心的超聲波測速測距系統(tǒng)，反應(yīng)速度較快，既可以測量速度，也可以測量距離，能滿足一般的日常需求。并且加入了溫度補償模塊和報警模塊，大大地增加的測量的準確性和產(chǎn)品的人性化設(shè)計。系統(tǒng)能夠精準地測量出5 m內(nèi)的距離，100 cm/s內(nèi)的速度，可以廣泛地應(yīng)用于工地測量，管道長度測量，井深等不需要很高精度測量的場合。

參考文獻

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