超声波测距系统的设计与实现

1、    超声波测距系统的设计与实现    邓毅 郭小华摘  要：为了提高系统测距精度，该文将在以往研究的基础上，选取stm32作为核心处理器，开发一套超声波测距系统。测试结果表明，该系统在漏波情况和不漏波情况下测量精度较高，且不受温度影响。关键词：测距系统;超声波;stm23：tn912          文献标志码：a超声波测距具有防尘防雾功效，属于非接触测量工具，在各个领域均有所应用。在实际应用中通过观察测量精度，可以有效判断系统的优势和劣势。传统的超声波测距系统在硬件选取和软件开发上均存在

2、不足，导致误差较大，大小在1 cm左右。因此，改进超声波测距系统研究显得尤为重要。1 超声波测距原理超声波是一种机械波，在20 khz以上频率弹性介质中传播。测量距离的原理如下：选取发射转换器作为操作工具，利用此工具向外发射超声波并计时，测量超声波在空气中的传输速率。当超声波遇到障碍物会立即反射，当接收器接收到超声波以后停止计时。假设测量目标障碍物与发射起始点之间的距离为s（单位：m），计时时间为t（单位：s），超声波在空气介质中传输速度为v（单位：m/s），可以得到以下关系：在公式（2）和公式（3）中，h代表传感器布设位置与障碍物之间的直线距离;l代表传感器与换能器之间的距离。将公式（1）、

3、公式（2）、公式（3）组合到一起，可以得到以下关系：假设传输频率为f，波长为，则2项参数与声波传输速度之间的关系公式为：2 基于stm32的超声波测距系统的设计与实现基于超声波测距原理，该文选取stm32作为核心控制器，设计一套超声波测距系统，设计内容分为系统硬件、系统软件、上位机。2.1 系统硬件超声波测距系统硬件由蜂鸣器、lcd显示模块、esp8266无线网络模块、stm32主控芯片、温度传感器、超声波传感器6个部分构成。如图1所示为超声波测距系统硬件框架图。2.1.1 蜂鸣器蜂鸣器主要起到警示作用，如果系统运行发生异常，即测量距离超出安全范围，则系统自动启动蜂鸣器，发出警报。2.1.2

4、lcd显示模块该功能模块主要是借助液晶显示屏显示信息采集终端的数据信息，便于用户查看数据。2.1.3 esp8266无线网络模块该无线网络模块采用的传输协议为tcp/ip协议，支持距离数据和温度数据传输，从现场采集终端传输至上位机。2.1.4 stm32主控芯片该文选取stm32系列单片机作为核心控制器，利用此控制器下达各个器件的控制命令。此单片机主频率为168 mhz，定时器误差为0.002 mm，精度为0.005952 s。由于stm32单片机的误差较小，所以在实际应用中其误差可以忽略不计。2.1.5 温度传感器该文選取ds18b20作为系统温度传感器，此传感器的误差精度为±0.

5、5 ，对声速测量造成的影响大约为±305 m/s，在误差允许范围之内。2.1.6 超声波传感器该文选取hc-sr04型号传感器作为超声波传感器，与同种类型传感器相比，该传感器测量精度更高一些，并且运行稳定。该传感器是系统获取信号的主要器件之一，含有4个引脚，除了接地gnd和接电vcc引脚以外，还包括回波引脚（echo）、脉冲出发引脚（trig）。系统上电以后，脉冲触发引脚接收到发射端发送来超声波信号以后，回波引脚电平将从低电平转换为高电平。2.2 系统软件该系统采用keil5开发系统软件，利用c语言编写系统程序。如图2所示为系统软件开发流程。第一步：系统初始化。第二步：测量温度数据和

6、距离数据。第三步：修整三角函数和滤波算法。第四步：判断修整后的阈值的超神波测量距离之间大小关系，如果测量距离超出了阈值，则蜂鸣器发出警报，执行第五步;反之，执行第五步。第五步：借助lcd液晶显示屏显示数据信息，同时返回第二步。在开发系统软件过程中，考虑到接收器和换能器之间存在一定距离，容易影响测量距离精度，即测量得到的距离与实际距离不符。按照该文给出的公式（3）的距离关系可知，实际距离h小于测量距离s。为了提高测量精度，不可以忽略h与s之间的误差。针对此问题，该文在对系统软件进行开发时，利用公式（3）对函数进行修整，经过计算得到实际距离。如果h为2.7 cm，则l取值为1.35 cm。该系统采

7、用频率为40 khz的超声波信号，信号在空气中的传输速度为340 m/s，经过计算得到长度=0.85 cm。在不漏掉脉冲波形的情况下，误差较小，满足系统测量要求。如果在信号采集与传输过程中漏掉脉冲，采取复小波变换法，检测回波包络峰值，或采用中位值平均滤波算法进行处理，最终测量结果取平均值。2.3 上位机该系统采用lab view软件进行开发，直接嵌入c语言。上位机界面开发除了用户ip地址管理功能以外，还包括实时数据部分。如图3所示为上位机实时数据测量与报警功能实现界面。在图3中，设定了测量距离、当前环境温度、预设报警值、当前报警值4个功能框，能够采集和设定数据信息，便于用户操作。3 系统测试分

8、析为了验证该文设计的超声波测距系统设计方案的可靠性，该文对3种情况下系统运行效果进行测试分析。3.1 不漏波形情况在不漏波形情况下，对系统测量精度进行测试分析，表1为测量结果。通过观察表1中的数据可知，在不漏波的情况下，该系统的测量误差在0.24%以下，满足系统测量精度要求。3.2 漏波形情况针对漏波情况，该文采取中位值平均滤波算法进行处理，得到表2中的测试结果。通过观察表2中的测试结果可知，采取中位值平均滤波算法处理后的数值误差在允许范围之内。3.3 温度变化情况为了探究温度变化是否会对系统测量精度造成影响，该文对不同温度下的测量精度进行测试分析，见表3。4 结语该文在传统超声波测距系统基础上，选取stm32作为核心处理器，提出了超声波测距系统研究，分为系统硬件、系统软件、上位机3个部分进行设计。测试结果表明，该系统在漏波情况和不漏波情况下测量精度较高，且不受温度影响。参考文献1张悦，陈劲操.基于单相全桥逆变拓扑的超声波测距系统设计j.仪表技术与传感器，2016（4）：67-70.2孔维正，靳宝全，王宇，等.矿用本质安全超声测距电路系统设计j.工矿自动化，2016，42（10