基于STM32的超聲波精確測距系統設計

李修權，劉杰，黑創，黃力，尹志豪

長江大學電子信息學院( 電工電子國家級實驗教學示范中心( 長江大學) ，湖北荊州434023)

超聲波測距因為其非接觸性、防塵防霧等特點被廣泛應用[1]。測距的精度決定了設計系統的優劣，但是傳統超聲波測量方法存在1cm的誤差。筆者介紹了一種基于STM32單片機的超聲波測距系統，能實時顯示和保存測量數據，也可以設置報警閾值,在3～75cm內其精度達到了±1mm。

1 超聲波測距原理

圖1 超聲波測距原理圖示

超聲波是一種機械波，頻率高于20kHz。超聲波波長較短，在空氣中傳播過程中以縱波形式傳輸，具有較好的方向性。常用的超聲波檢測距離的方法有：時間渡越法[2]、相位檢測法和聲波幅值檢測法。時間渡越法常用于測量距離較長，測量精度較高的場合。

聲波在介質中傳播需要一定的時間，時間渡越法通過測量超聲波在介質中的傳播時間來計算距離，該系統采用時間渡越法測量距離。超聲波發射換能器發射一段超聲波，聲波傳播過程中遇到障礙物反射回來被超聲波接收換能器接收。通過記錄2換能器之間的時間差，可計算出超聲波傳播過程中的傳播距離。測距原理如圖1所示。距離與聲速之間滿足以下函數關系：

2S=vt

(1)

H=Scosθ

(2)

H2+L2=S2

(3)

式中，S為超聲波傳播的距離；v為當前環境下的聲速值；t為聲波在空氣中傳播的時間；θ為發射換能器發射聲波的入射角；H為傳感器距離被測物體的直線距離；L為換能器到傳感器中心點的距離。

聯合式(1)～(3)，可得：

(4)

此外，聲波的傳輸速度v與波長λ、頻率f之間滿足波速公式：

v=λf

(5)

2 超聲波測距系統硬件設計

圖2 超聲波測距系統硬件設計框圖

圖3 超聲波測距系統實物圖

圖4 軟件設計流程圖

超聲波測距系統硬件部分主要包括超聲波傳感器、溫度傳感器、蜂鳴報警器、LCD和無線網絡通信模塊，如圖2和圖3所示。其中超聲波傳感器選用HC-SR04傳感器，該傳感器較其他同類傳感器相比性能穩定，精度高[3]。HC-SR04傳感器共有4個引腳：脈沖觸發引腳(Trig)、回波引腳(Echo)、VCC和GND。脈沖觸發引腳收到單片機遞送的20μs高電平后發射換能器會發射一段頻率為40kHz的超聲波信號，同時回波引腳電平將由低變高。接收換能器接收到返回的超聲波信號后，回波引腳端電平將自動由高變低。回波引腳高電平時間即為超聲波在空氣中傳播的時間。該高電平時間由STM32單片機進行捕獲。該系統選擇STM32F4系列單片機，該系列單片機主頻可達168MHz，定時器精度可達0.005952μs，則定時器帶來的誤差為0.002mm，誤差值可忽略不計。

由于不同溫度下聲波傳播速度不同，實際工程應用中環境溫度的變化較大，這對測量結果將產生較大的影響。為保證系統具有較高的穩定性和較強的環境適應能力，測量距離時應通過溫度值對超聲波聲速進行補償。經查閱相關文檔，聲波在空氣中傳播過程中傳播速度v與溫度T之間的關系滿足[4]：

v=331.4+0.61T

(6)

該系統采用DS18B20溫度傳感器，溫度值修正聲速值。經試驗，該傳感器測量溫度時的誤差為±0.5℃，該誤差值對聲速的影響為±0.305m/s，該速度誤差值遠遠小于聲速值，可以忽略不計。無線網絡通信采用ESP8266芯片，使用TCP/IP協議棧透明傳輸模式，可將采集的溫度、距離數據通過無線網絡傳輸給上位機軟件，實現數據實時顯示和保存的功能。同時在硬件系統中應用TFT-LCD顯示模塊，顯示當前環境中的溫度、距離和預設的報警值。報警模塊使用蜂鳴器，若檢測的距離小于預設報警值時蜂鳴器發出聲音。

3 超聲波測距系統軟件設計

該系統軟件設計的開發環境為Keil5，利用C語言進行編程，其程序設計流程圖如圖4所示。軟件的程序設計主要由主函數、中斷子函數、中值濾波函數、三角修正函數、超聲波測量函數等組成。硬件系統上電后首先對傳感器、液晶等初始化，隨后進行溫度、距離測量。然后將測量距離與報警閾值進行對比判斷是否驅動蜂鳴器報警，最后將測量數據顯示在液晶屏并通過無線網絡發送給上位機軟件。

由于發射換能器與接收換能器之間存在著一定距離，這導致超聲波傳感器測量出的距離并不是傳感器與被測物體之間的直線距離。超聲波傳播的距離S與傳感器距離被測物體的直線距離H、兩換能器之間的距離L滿足式(3)。測量距離S往往大于實際距離H。在實際距離為5cm時，測量結果為5.179cm。為保證測量精度，S與H的誤差不可被忽略。三角修正函數依據式(3)設計，由測量距離計算出實際距離。經過測量，HC-SR04超聲波傳感器發射換能器和接收換能器之間的距離為2.7cm，L取1.35cm。

該系統采用超聲波信號頻率為40kHz，聲速為340m/s時，利用式(5)計算出波長λ=0.85cm。由此可以得出，超聲波傳感器捕獲超聲波回波信號時如果有一個脈沖波形漏掉就會產生近1cm的誤差。針對該問題，趙浪濤等提出一種高精度測量的復小波變換法[5]，實現回波包絡峰值檢測。在具體實踐中需要一種更簡單的方法，筆者在實驗基礎上提出了中位值平均濾波算法[6]，該算法是將采集的N個數據去掉一個最大值和一個最小值，然后對剩下的數據求平均值。該平均值作為測量結果。該算法可以消除偶然誤差，提高測量精度。

4 上位機軟件設計

圖5 上位機軟件界面圖

上位機軟件使用圖形化編程語言LabVIEW進行開發，其開發效率高，可直接嵌套C語言程序[7]。筆者設計的超聲波測距系統上位機操作界面如圖5所示，主要由2部分構成：用戶控制區和實時數據顯示區。使用上位機軟件前需要配置網絡的IP地址和端口號。測量過程中可實時顯示系統當前通訊連接狀態和采集的數據值，數據處理嵌套C語言代碼，簡化了程序框圖。單片機內部的報警閾值會顯示在“當前報警值”框中，可通過預設報警值編輯框和修改報警值按鈕修改報警閾值。報警閾值通過網絡發送到硬件設備。在退出程序前會彈出一個對話框詢問測量的數據是否需要保存。

5 測試及分析

5.1 數據測試

利用如圖3所示的設計系統，在27.1℃環境下，不使用三角修正函數和中位值平均濾波算法測量距離，測量數據如表1所示。在同樣環境下，使用三角修正函數和中位值平均濾波算法進行測量，測量相同距離并記錄數據，如表2所示。為驗證系統的環境適應能力，在不同溫度下進行多次試驗，測量溫度補償對提高系統測量精度的作用并記錄數據，如表3所示。

表1 未使用三角修正函數和中位值平均濾波算法試驗結果

表2 使用三角修正函數和中位值平均濾波算法試驗結果

表3 不同溫度試驗結果記錄

由表1和表2測量數據對比可知，經過三角修正函數和中位值平均濾波算法處理后的測量結果要明顯優于未經處理的測量結果。由此可以看出，三角修正函數和中位值平均濾波算法能夠有效的減小試驗誤差。同時，由表3可知，該系統具有較強的環境適應能力，溫度值改變并不影響測量精度。

5.2 誤差分析

經過測試，系統的測量范圍可達到4m，一定測量范圍內超聲波測量精確度在±1mm以內。系統測量產生的誤差主要于由大氣壓強、灰塵的濃度等眾多環境因素影響聲波傳播速度，導致測量結果不準確。在測量過程中應盡量保持超聲波傳感器所在平面與被測平面保持平行，這樣做可以減小因裝置擺放問題造成的偶然誤差；若待測物體表面材質對超聲波具有很高的吸收率，會減小超聲波的反射幅度并影響測量結果。

6 結語

筆者介紹了基于STM32和超聲波HC-SR04傳感器測距系統，該系統具有結構簡單、成本低、操作方便、測量精度高等優點，同時引入溫度修正聲速、三角修正函數和中位值平均濾波算法能夠對環境因素帶來的測量誤差進行補償校正。該系統配套開發上位機軟件，可實時顯示和保存測量數據，為實際工程應用提供便利。