基于STM32 的超聲波測距儀

鐘家弘，陶英婷

（重慶科技學(xué)院 電氣工程學(xué)院，重慶 401331）

0 引 言

隨著現(xiàn)代社會科技的飛速發(fā)展，電子技術(shù)不斷得到創(chuàng)新，非接觸式光學(xué)檢測技術(shù)被廣泛推廣，如紅外光譜測距新技術(shù)、雷達紅外測距新技術(shù)、激光紅外測距新技術(shù)、超聲波激光測距新技術(shù)等均是我國目前應(yīng)用較為普遍的非接觸式光學(xué)紅外測距技術(shù)[1]。相對其他測距方法來說，超聲波激光測距的主要優(yōu)點是比較安全、耐受臟污，可以在條件較差的室內(nèi)環(huán)境中使用，甚至可以在一般人員無法輕易進入的極端惡劣的環(huán)境中精準(zhǔn)快速地進行測距。例如，在粉塵煙霧和有毒化學(xué)物質(zhì)污染較重，或者電磁噪聲等其他環(huán)境因素干擾嚴(yán)重的環(huán)境下，如果通過人工進行測距則會非常困難[2]，此時若通過超聲波進行精確測距則非常方便。因此，超聲波精準(zhǔn)測距技術(shù)被廣泛地應(yīng)用到各個領(lǐng)域，例如倒車?yán)走_、掃地機器人、傳送菜機器人、無人機等，甚至在我國的國防軍事領(lǐng)域也被大量應(yīng)用[3]。超聲波測距技術(shù)與目前其他非接觸式測距技術(shù)方式相比，它信號的連續(xù)傳播時間長、能量消耗較慢、指向性較強，更適用于直接測量近距離目標(biāo)[4]。與紅外線和激光測距技術(shù)相比，超聲波的測距效果比較穩(wěn)定、價格低廉、下限高、耐高強度使用、易操作[5]。因此，本文以STM32L052K8 芯片為主要控制器設(shè)計了一個超聲波測距儀，并對其性能進行了驗證。

1 超聲波測距原理

1.1 超聲波介紹

聲音是由外界某種物體振動而產(chǎn)生的，物體每秒振動的次數(shù)即為聲頻，單位為Hz。物體的連續(xù)振動是指處在運動狀態(tài)的物體在靠近振動平衡位置進行的一種連續(xù)規(guī)律的往復(fù)運動。例如，用手輕敲鼓面幾下后，鼓面立即開始一陣上下起伏的振動，這種上下起伏的振動狀態(tài)又能夠通過其他媒質(zhì)迅速地向周圍傳播。一般情況下，人能夠清楚聽到的聲波頻率為16 Hz ～20 kHz；聲頻低于16 Hz 時，則為次聲波或超低聲；聲頻高于20 kHz時，人耳無法準(zhǔn)確聽到，則為超聲波[6]。

1.2 超聲波測距原理

如圖1 所示，超聲波測距是通過超聲波發(fā)射端向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播時碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收端收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為v，常溫下為344 m/s，根據(jù)計時器記錄的超聲波發(fā)射端和接收端的時間差Δt，能夠得出距離S[7]。

圖1 超聲波原理

1.3 超聲波模塊介紹

超聲波模塊頂?shù)撞恳晥D分別如圖2、圖3 所示。本模塊采用的是HC-SR04 型號超聲波測距傳感器，共有4 個引腳：VCC（3.3 ～5 V）、TriG（控制端，發(fā)出信號）、Echo（模塊接收端，接收信號）、GND（地）。超聲波模塊從ctrl 端口發(fā)射出一共電信號，超聲波模塊接收端等待電信號，一旦超聲波模塊的接收終端檢測到電信號，就可以逆時針輸出高低電平信號，這時可以通過計算得到一個信號反饋的時間值，由此則可以處理輸出信號。

圖2 超聲波模塊頂部視圖

圖3 超聲波模塊底部視圖

超聲波時序如圖4 所示。根據(jù)圖4，只需要提供至少一個10 μs 及以上頻率的脈沖觸發(fā)時鐘信號，該脈沖時鐘模塊在系統(tǒng)內(nèi)部只會連續(xù)發(fā)出大約8 個40 kHz 以上的周期電平脈沖信號并可同時檢測回波。一旦檢測到有回波信號時系統(tǒng)將立即輸出一個回響信號。回響信號的高電平脈沖寬度一般與實際檢測的傳輸距離大小成正比。由此可通過確定實際發(fā)射信號到接收信號之間的時間間隔就可以計算信號傳輸距離，公式為：傳輸距離=高電平時間×聲速/2。建議測量距離的時間周期為60 ms 以上，盡量避免發(fā)射時信號衰減或?qū)邮盏幕仨懶盘柈a(chǎn)生影響。

圖4 超聲波時序

1.4 超聲波模塊PCB

超聲波模塊主要有電路輸入和輸出兩部分。發(fā)射放大電路工作原理是將主控芯片所發(fā)出的低能脈沖信號通過發(fā)射放大控制電路升高，降低電阻的值，提高功率，從而延長探測距離；輸入電路則通過運算放大器來放大電信號[8]。超聲波模塊PCB 如圖5 所示。

圖5 超聲波模塊PCB

2 顯示模塊設(shè)計

2.1 移位寄存器74HC595 芯片介紹

74HC595 是指一個由8 位串行輸入、平行式輸出組成的位移緩存器。平行式輸出為三態(tài)輸出，分別為具有極高電平、低電平和相對較高的阻抗值三種最基本的輸出寄存器工作狀態(tài)。輸出寄存器也可以被直接清除，在SCK 的上升沿具有100 MHz 及以上的數(shù)據(jù)移位頻率，單行輸出的數(shù)據(jù)會直接由外部SDL 的輸存人輸出到外部的8 位位移緩存器，并最終由外部SQH 輸出；而平行輸出的數(shù)據(jù)則是在外部LCK的上升沿由外部的8 位位移緩存器和內(nèi)部的數(shù)據(jù)輸存人分別輸出到內(nèi)部的8 位平行輸出緩存器[9]。當(dāng)串行數(shù)據(jù)輸入端OE 的控制電平信號轉(zhuǎn)換為一個極低電位使能信號時，平行輸出端的實際輸出阻抗值將恰好等于平行輸出端的數(shù)據(jù)緩存器的實際存儲阻抗值。即使此時接收端OE 的電平信號為相對較高的電位，也就是平行輸出端被關(guān)閉時，平行輸出端也可能依然處在一個較高阻抗值的狀態(tài)。當(dāng)輸入MR 電壓為高電平，數(shù)據(jù)在SHCP 電壓的上升沿輸入移位寄存器，并繼續(xù)在STCP 電壓的上升沿輸出到并行端口。當(dāng)使能端OE 的電壓下降為較低電平時，低電平有效；為較高電平時則輸出關(guān)閉使能，并不影響連接到其他輸入端。移位寄存器74HC595芯片管腳如圖6 所示。

圖6 移位寄存器74HC595 芯片管腳

2.2 74HC138 譯碼器芯片介紹

74HC138 是一款高速的CMOS 圖像解碼器選件，其引腳可兼容低功耗的肖特基TTL（LSTTL）系列。基本參數(shù)74HC138 譯碼器可同時接收具有3 個位長的二進制加權(quán)地址的有效輸入端信號（A0、A1、A2），并且當(dāng)使能時能提供8個互斥的且很低的有效輸出信號（Y0 至Y7）。74HC138 特有的是3 個使能有效輸入端，即兩個較低有效端信號（E1和E2）和一個很高的有效端信號（E3）。除非把E1 和E2 都置低且只將E3 置為較高，否則74HC138 將會始終保持把所有的輸出置為高。74HC138 譯碼器芯片管腳如圖7 所示。

圖7 74HC138 譯碼器芯片管腳

2.3 數(shù)碼管簡介

數(shù)碼管顯示屏芯片（LED Segment Displays）是一種新型發(fā)光晶體控制顯示器件，其基本單元是數(shù)字半導(dǎo)體發(fā)光晶體二極管，如圖8 所示?；緟?shù)數(shù)碼管是由7 個發(fā)光二極管組成的"8"字形器件，加上最后一個小數(shù)點后就是8 位。"8"字形的各段分別用a、b、c、d、e、f、g 表示，小數(shù)點用dp 表示。二極管上所有的引線連接工作均在二極管器件的內(nèi)部各個連接處完成，只需引出一個連接到外部的引線段或任何一個公共電極，即可實現(xiàn)硬件連接。數(shù)碼管與LED 二極管的電路連接方法不同，一般分為共陰極管和共陰陽極管兩類，其與內(nèi)部照明電路所用的半導(dǎo)體發(fā)光元件原理幾乎相同，只是它們連接的外部電源極性不同。

圖8 數(shù)碼管展示

2.4 數(shù)碼管與主控板連接

點亮數(shù)碼管需要前面介紹的74HC595 鎖存移位寄存器芯片和74HC138 譯碼器芯片。給74HC595 譯碼器增加了一個有額外功能的串行電路控制器，輸入寄存器的SCLK 時鐘端口接在主控板的PA0 時鐘端口，輸出寄存器的時鐘端口LOAD 接在主控板的PA1 時鐘端口，數(shù)據(jù)的串行輸入時鐘端口SDI 接在主控板PA2 口，從輸入時鐘端口SDI 每輸入一位寄存器數(shù)據(jù)，串行在輸入寄存器的時鐘SCLK 上升下沿有效一次，持續(xù)到最后八位輸入寄存器數(shù)據(jù)被輸入完畢，輸出寄存器時鐘LOAD 上升沿有效一次，此時輸入端的寄存器數(shù)據(jù)也幾乎全部送到了輸出端。為了控制數(shù)碼管的位碼端，將74HC138 譯碼器的A0 數(shù)據(jù)口接入主控板的PA3 口，A1 數(shù)據(jù)口接入主控板的PA4 口，A2 數(shù)據(jù)口接主控板的PA5 口，OE數(shù)據(jù)口接入主控板的PA6 口，A0、A1、A2 端口依次循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)“1”，即循環(huán)使Y0 至Y7 的某一位拉高，使能該數(shù)碼管LED 燈的公共端。數(shù)碼管與主控板連接情況如圖9 所示。

圖9 數(shù)碼管與主控板連接

3 上位機設(shè)計

開發(fā)上位機時，先在PyCharm 軟件里安裝PyQt5 庫、PyQt5-tools 庫、serial 庫，后續(xù)也會依賴這些庫。

在PyCharm 的安裝目錄里搜索designer.exe，就可以打開QT Designer 這個軟件；然后選擇Main Window 并點擊創(chuàng)建，拖動旁邊的功能選項就可以搭建想要的界面；再將Designer 生成的UI 文件保存在PyCharm 程序目錄下，并將UI 文件在Terminal（終端）下轉(zhuǎn)換成py 文件；最后打開所生成的py 文件。串口助手界面如圖10 所示。

圖10 串口助手界面

4 測距系統(tǒng)整體設(shè)計

4.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)整體設(shè)計如圖11 所示。在用戶對電源系統(tǒng)的各種性能參數(shù)進行實際測量的整個過程中常常會遇到LCD 屏顯示的一些數(shù)據(jù)出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象，產(chǎn)生該現(xiàn)象的一個最主要原因是電源系統(tǒng)本身的電源電路模塊在制作工藝或者設(shè)計上存在缺陷，使得電源系統(tǒng)從電源7805 的引腳處輸出的電壓信號源不會一直保持在3.3 V 以內(nèi)的穩(wěn)定直流電壓，存在輸出電壓信號異常波動等現(xiàn)象。一方面可能是由于焊接電路元件中的焊接工藝不良；另一方面可能是由于在整個系統(tǒng)測試中實際要測量的距離與超聲波實際傳輸距離之間存在較大誤差，而產(chǎn)生此誤差的原因在于超聲波電源電路系統(tǒng)內(nèi)信號輸出端電壓信號經(jīng)常存在較大幅度的波動，外界環(huán)境對整個超聲波電路也存在干擾，如電磁環(huán)境、信道環(huán)境的干擾，導(dǎo)致超聲波電信號在實際傳播過程中產(chǎn)生衰減[10]。另外，由于整個設(shè)計之初在軟件及相關(guān)硬件上都盡量作了簡化，因而忽略了溫度變化對超聲波信號傳播產(chǎn)生的影響。

圖11 整體系統(tǒng)圖

4.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件包括數(shù)碼管顯示模塊、STM32L052K8 主控板、HC-SR04 超聲波模塊以及USB 轉(zhuǎn)TTL 模塊。具體設(shè)計如圖12 所示。

圖12 硬件連接方式

4.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件程序流程如圖13 所示。先在STM32CubeMx配置引腳，通過串口1 使能，生成程序。編寫74HC5959 數(shù)碼管段選程序和74HC138 數(shù)碼管位選程序，然后編寫顯示兩位數(shù)碼管的程序。用滴答定時器實現(xiàn)精確時延，編寫TIM21回調(diào)函數(shù)，收到回答，啟動定時器開始計數(shù)，計算出結(jié)果，通過串口通信上傳給上位機。最后在主函數(shù)里啟動超聲波測距轉(zhuǎn)換脈沖。

圖13 軟件程序流程

5 測試結(jié)果

為驗證超聲波測距系統(tǒng)的性能，開展了實驗測試。從實驗結(jié)果來看，系統(tǒng)基本上可以滿足在5 ～32 cm 范圍內(nèi)進行精確測距，誤差為1.6%；當(dāng)超聲波探頭水平安裝時，其誤差縮小為0.98%；當(dāng)探頭垂直安裝時，其誤差較大，最大達到了2.6%。在被探測物體的表面不是規(guī)則的矩形時誤差巨大；當(dāng)聲波探測到規(guī)則矩形時，其探測效果最好，準(zhǔn)確率高達98%。當(dāng)聲波探測到圓形時，由于圓形表面有無數(shù)個近似120°的曲面，大量的超聲波會被散射到其他位置，無法返回到超聲波接收探頭，所以探測準(zhǔn)確率大幅下降，只能達到原有性能的80%；當(dāng)聲波探頭探測到正三角體時，由于正三角體表面全是接近60°的小角度，將會導(dǎo)致絕大多數(shù)聲波被散射到其他地方，沒有聲波能有效地返回聲波接收探頭，導(dǎo)致測距精度無限接近于0。由此可以得出結(jié)論，超聲波探測的最佳環(huán)境是在規(guī)則矩形的情況下，系統(tǒng)可以發(fā)揮最大98%的性能；最差環(huán)境是在被測距物形狀為三角體時，幾乎不能發(fā)揮原有性能，而且會得到非?；靵y的數(shù)據(jù)，無法整理，所以現(xiàn)代對雷達隱形飛機的外觀設(shè)計，多數(shù)為不規(guī)則三角形。

6 結(jié) 語

與其他測距方法相比，超聲波測距方法具有安全、耐受臟污、能夠在較差環(huán)境中使用、連續(xù)傳播時間長、能量消耗較慢、指向性較強、測距效果穩(wěn)定等優(yōu)點。因此，本文以STM32L052K8 芯片為主要控制器設(shè)計了一款超聲波測距儀。系統(tǒng)基本上可以滿足在5 ～32 cm 范圍內(nèi)進行精確測距。