基于STM32微控制器與LabVIEW的超聲波測距系統的設計

摘 要：利用STM32微控制器和LabVIEW設計了一個可視化、可遠程控制的超聲波測距系統，該系統可廣泛應用于智能小車安全避障、移動機器人導航定位、建筑測量定位等方面。該系統主要采用STM32F103RCT6微控制器作為主控板，利用前后兩個JSN-SR04T一體化超聲波模塊共同實時感測前、后物體的水平移動軌跡及運動距離，將實時感測后的移動距離數據通過串口方式同步到用戶終端PC機上進行數據顯示。通過用戶終端PC機設計的LabVIEW人機信息交互控制界面向主控板發送命令，控制整個測距系統的啟/停，當距離小于設定的警戒安全距離時，系統發出報警提示音，同時LabVIEW界面對應的報警指示燈點亮，實現可視化、可安全遠程控制。通過定時器中斷的設置，優化捕獲精度和響應速度，經過測試，該系統性能穩定可靠。

關鍵詞：STM32;LabVIEW;超聲波測距;串口通信

中圖分類號：TN98;TB553" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）04-0032-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.04.007

0" " 引言

利用超聲波測距可實現非接觸測量，且結構簡單，硬件成本低[1]。與一般激光、渦流成像和其他無線電紅外測距等技術相比，超聲波測距在外界電磁和環境干擾極為惡劣的情況下也有較強的穩定性，因而被國內外廣泛研究應用于智能工業環境控制、建筑電磁測量、機器人導航定位、智能小車安全避障等方面。

LabVIEW具有強大的用戶界面設計能力，開發者可以使用圖形化的界面設計工具創建交互式的用戶界面。在LabVIEW軟件環境中可以使用VISA節點完成串行通信程序，VISA作為一種通用的儀器I/O標準，擺脫了接口總線的束縛，直接面向器件功能[2]。LabVIEW將這些VISA節點融合成一個子模塊，該子模塊總共有8個節點，可以實現串口初始化配置、串口寫入、串口讀取、串口中斷、串口關閉等功能[3]，便于用戶直接通過串口來完成PC機與LabVIEW系統的人機交互。

本文采用STM32F103RCT6芯片作為主控芯片，采用JSN-SR04T一體化超聲波模塊作為超聲波檢測終端，該終端具有封閉式防水帶線探頭，可實現高精度、遠距離、防水測距。通過串口直接與LabVIEW程序面板進行交互通信;通過定時器中斷的配置，優化捕獲精度和響應速度，通過數據處理，實時有效地實現在LabVIEW中顯示兩路超聲波測量數據，最終形成可視化、可遠程控制、穩定可靠的超聲波測距系統。

1" " JSN-SR04T一體化超聲波模塊工作原理

JSN-SR04T為收發一體化超聲波模塊，具有非接觸式距離感測功能，可測量距離范圍為20～600 cm，測量角度可達75°，測距精度高達2 mm。該模塊由收發一體的超聲波傳感器與控制電路組成，可以提供三種工作模式，本文采用工作模式一，該模式與HC-SR04超聲波模塊兼容。使用時，模塊DC3～5.5 V接口接通3.3 V直流電源，GND接口與微控制器共地，TRIG接口作為輸入接口連接微控制器的輸出引腳，為模塊提供符合要求的觸發信號，ECHO接口作為輸出接口，與微控制器輸入引腳相連，用于輸出檢測到超聲波后的回響信號。工作模式一的超聲波模塊測距時序圖如圖1所示，當為TRIG接口發送一個高電平持續時間大于等于10 μs的TTL脈沖觸發信號時，該模塊內部將持續發出8個周期為25 μs的TTL脈沖信號，與此同時開啟回波檢測功能，從模塊接收到回波信號開始，ECHO接口將會輸出高電平，該高電平稱為回響電平，直到無法接收到回波信號的那一時刻，ECHO接口輸出低電平，回響電平持續的時間與障礙物與超聲波探頭的距離成正比，通過測量發射信號到收到的回響信號之間的時間間隔可以計算得到距離[4-5]。

S=TV/2" " " " " " " " "（1）

式中：S為測量距離;T為回響信號高電平持續時間;V為聲速。

當該模塊被觸發測距后，如果無法接收到回波，ECHO引腳會在60 ms后自動變為低電平，標志著此次測量結束。

2" " 系統設計方案

超聲波測距系統主要由STM32F103RCT6主控制器、JSN-SR04T一體化超聲波模塊、低電平觸發蜂鳴器報警模塊和LabVIEW人機交互系統四部分組成，如圖2所示。當人機交互面板向主控制器發送啟動命令時，主控制器PB3、PB5兩個引腳分別向兩個超聲波模塊的TRIG接口發送一個持續時間為20 μs的TTL高電平信號，用以觸發超聲波模塊測距。超聲波模塊被觸發后，超聲波探頭將自動發送8個周期為25 μs的TTL脈沖信號，同時開啟檢測回波功能，當檢測到回波信號后，兩個超聲波模塊的ECHO端口分別向主控器PB4、PB6引腳輸出TTL高電平。利用公式（1）便可得到障礙物的距離。在此過程中，主控制器開啟TIM2的CH1通道進行回響高電平持續時間的捕獲與累計，并利用公式（1）轉換成距離，兩路距離值經過數據處理最終通過串口上傳給LabVIEW上位機面板進行顯示[6]。當距離低于閾值時，報警模塊以5 kHz頻率發出警報，同時LabVIEW顯示面板中對應的報警指示燈點亮。

3" " 超聲波測距遠程監控系統實現

3.1" " STM32程序設計

STM32F103RCT6作為主控制器，主要負責對超聲波模塊的控制、PC之間的串口通信、蜂鳴器報警模塊的控制，程序流程圖如圖3所示。首先進行串口配置，當接收到啟動命令時，主控制器分別向兩路超聲波模塊的TRIG引腳發送20 μs高電平，利用定時器2的通道1捕獲兩個模塊ECHO引腳返回的高電平脈沖，通過捕獲參數計算測量距離，當測量距離大于閾值時發出蜂鳴器報警。通過串口送至LabVIEW顯示。當接收到停止指令時，停止運行。

3.2" " 捕獲精度和響應速度優化

由于正前方與正后方超聲波探頭角度朝向完全不同，不會產生相互干擾的情況，所以可以采用兩個模塊同時測量的方法，在STM32程序結構中創建一個系統時鐘，每一個超聲波模塊在測量過程中只記錄時間戳，不直接占用定時器，即可實現兩個超聲波模塊同時測量。該檢測方法整體結構上測量周期短，數據采樣頻率高[7]。本文中為了提高捕獲精度和響應速度，通過設置預分頻值TIM_Prescaler，將計數周期設置為1 μs，通過設置自動重裝載寄存器周期值TIM_Period，將自動重裝周期設置為100 μs。定時器參數主要設置程序片段如圖4所示。

定時器溢出時間公式為：

Tout=（TIM_Prescaler+1）×（TIM_Period+1）/Tclk" " " "（2）

式中：Tout為定時器溢出時間;TIM_Prescaler為定時器預分頻器值;TIM_Period為定時器周期;Tclk為系統時鐘頻率。

當系統時鐘頻率Tclk=72 MHz時，由公式（2）可得，Tout=100 μs，TIM_Prescaler=72-1;t=72/72 000 000=1 μs，即TIMx-gt;CNT每1 μs加一次，設置TIM_Period=100，當TIMx-gt;CNT計數值達到100時，即100 μs時間到，進入定時器中斷服務函數，在中斷服務函數中，time1為前超聲波的時間戳參數，time2為后超聲波的時間戳參數，一旦進入中斷函數，這兩個參數會自動加1，如圖5所示，以正前方超聲波模塊捕獲高電平持續的總時間為例，當定時器停止工作時，總時間T1=time1×100+TIMx-gt;CNT，單位是微秒。

3.3" " 數據處理

為了便于在LabVIEW中分別顯示兩路超聲波模塊的測量距離，需對測量數據進行處理。在程序設計時，將單位統一轉換為厘米。保留一位小數。代入公式（1）可得S1=T1V=T1×0.017。定義兩個字符數組，將兩路超聲波模塊測量距離分別乘以10轉換為整數，利用除法和取余獲取每一位上的數字，將每一位上的數字轉換成ASCII字符，存到字符數組中，保存數組元素時需要從“第1個”元素開始，空出的數組“第0個”元素分別設置為字符“A” “B”作為選擇標記字符。最終得到的兩個字符數組如圖6所示，送至USART1-gt;DR數據寄存器中，發送到串口，為LabVIEW串口數據的讀取做準備。

4" " 遠程監控平臺應用程序設計

PC機主要用途是通過串口與主控器進行遠程通信，上位機系統使用NI LabVIEW 2019進行開發，主要功能為：向主控器遠程發送控制指令、顯示測量距離、報警燈提示。程序設計主要包含兩部分：前面板設計和程序框圖設計。

4.1" " LabVIEW前面板設計

LabVIEW前面板主要包括串口的選擇、超聲波檢測的啟停控制和距離數據的顯示接收，如圖7所示。為便于操作，串口選擇直接選擇串口號，串口參數可以在程序框圖中利用VISA進行快速配置。啟?？刂仆ㄟ^LabVIEW布爾控件向微控制器發送啟/停命令。顯示接收主要包括系統狀態指示燈顯示、測量距離的常量顯示和儀表顯示、報警燈顯示，當距離低于閾值時，報警燈點亮。

4.2" " 程序框圖設計

PC機利用虛擬儀器平臺LabVIEW實現對STM32通過串口上傳的測距數據的接收與顯示，程序流程圖如圖8所示。

LabVIEW程序框圖設計的基本步驟如下：通過VISA對串口進行配置，點擊“啟動”按鈕，按鈕設置為單擊時轉換，此時“啟動”按鈕變為“停止”，點亮指示燈，開始接收STM32測距數據，該數據為經過數據處理后的字符數組，通過字符數組第“0”個元素，進行兩路信號的選擇，選擇后分別進行處理，將字符轉換為十進制數據送至控制量表顯示，同時進行閾值比較，當距離大于閾值時，點亮報警指示燈。當需要停止測距時，點擊“停止”按鈕，指示燈熄滅，停止接收測距數據。當不需要可視化界面時，直接點擊“退出”。具體的LabVIEW程序框圖如圖9所示。

5" " 結論

本設計采用STM32F103RCT6芯片作為主控制器，依據JSN-SR04T一體化超聲波測距模塊模式一的工作原理，設計并實現了STM32的軟件控制程序和基于PC機的LabVIEW人機交互界面。通過定時器中斷的設置，優化捕獲精度和響應速度，通過測試，本系統響應速度快，測距精準。通過數據處理，實時有效地實現了在LabVIEW中顯示兩路超聲波測量數據，可實現遠程實時監測與控制。

[參考文獻]

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[6] 季三飛，雷蕊英，王晴.基于STM32和LabVIEW的超聲波測距系統設計[J].湖南郵電職業技術學院學報，2020，19（1）：29-31.

[7] 鄧良益，易佳，王浩，等.一種基于PID算法的智能小車設計[J].科技創新與應用，2019（30）：93-94.

收稿日期：2023-10-19

作者簡介：王寶晶（1988—），女，天津人，講師，研究方向：電子通信。