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基于STM32的超声波测距平台的设计

作者：李昊林徐磊潘少杰王禄祥蔡大维

来源：《电脑知识与技术》2018年第21期

摘要：该文在分析超声波测距原理的基础上，设计了一种以超声波换能器为核心，采用

STM32F407单片机来实现声波发送与回波接收的测距装置，并将回波数据传送至上位机，回

波强弱采用不同颜色进行区分，实现可视化。实验结果表明，设计的测距系统运行稳定，方便

安装，测量精度高，人机交互界面良好，能够准确地传送数据，具有较高的应用价值。

关键词：超声波测距；换能器；STM32F407；回波信号

中图分类号：TH717文献标识码：A文章编号：1009-3044（2018）21-0271-02

目前，市场上测距的方法多种多样，先后出现了激光、微波雷达、红外线及超声波测距方

式[1]。其中，激光测距精度较高但存在易受环境因素影响、成本较高、维护不便等缺点；微

波雷达的造价则非常高昂，一般用于某些特定场合；红外测距虽然简单、安全、易制，但精度

较低、方向性差。而超声波测距几乎不受被测物体颜色、光线、粉尘、烟雾、电磁干扰和有毒

气体的影响，而且价格低廉、使用方便，因此超声波测距作为一种典型的非接触式测距方式，

拥有其他测距方式无可比拟的优点，受到了人们广泛的关注和研究。在物位测量、机器人避

障、倒车雷达、航海测深等许多领域，超声波测距技术都得到了非常普遍的应用[2]。

超声波测距原理1

基于超声波信号的测距方法，主要包括基于接收信号强度的测距方法、基于到达角度的测

距方法和基于到达时间差的测距方法[3]。

本文采用测量超声波在介质中传播时间的方式来计算距离，即超声波传播速度为v，传播

时间为t，距离d=v*t。若采用收发一体的超声波换能器，则实际距离还需除以2，即距离

d=v*t/2。由此可知超声波测距必须确定声波在介质中的传播速度以及准确测量声波的传播时

间。而声波在空气中的传播速度与温度、湿度、气压等因素有关，通常情况下主要是受到温度

影响，声波在空气中的传播速度可近似表示为：

声波的传播时间一般采用“阀值法”来测算，其基本原理是捕获回波信号的幅值第一次超过

所设定阈值的瞬间，但回波信号幅值超过阈值的时间会因波形幅值的不同而不同，从而造成测

量上的误差[5]。故而采用动态阈值法，又称作包络线峰值检测法，其检测依据为接收信号峰

值所在的相对位置不随待测距离的改变而改变，可以较好地弥补此误差[6]。

系统2总体方案设计

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本系统分为上位机平台与下位机，下位机主要由微控制器、超声波发射电路、超声波接收

电路、测温模块、通讯模块、电源模块等组成。微控制器负责产生200kHz驱动信号、采集回

波、数据处理等任务，最后将相关数据发送到上位机，其总体结构框图如图1所示。

硬件电路设计3

超声波发射电路设计3.1

单片机输出两路相位相反，频率同为200kHz，幅值3.3V的方波，经三极管导通后，电压

幅值为5V，考虑到后期拓展多通道超声波换能器，故采用CD4052开关选择输出，之后经

74LS08与门输出，其原理图如图2所示。

74LS08与门经N沟道MOS场效应晶体管2SK2937连接至中心抽头变压器，实现输出

±15V电压方波驱动超声波换能器，其原理图如图3所示。

超声波回波接收电路设计3.2

如图4，采用ML1350集成运放芯片对回波信号进行放大和整形。ML1350线性中频放大

器具有宽范围的自动增益控制、单极性电源工作、输出恒定、工作稳定等优点，满足对超声波

回波接收的使用场合。通过调节AGC电压可以改变增益以适应不同量程的回波接收需求。

系统4软件设计

单片机4.1软件设计

程序通过TIM3输出两路互补200KHz方波，发射完毕后均输出高电平；采用ADC来采

集收到的回波信号，ADC由TIM4触发，同时使用DMA进行ADC的数据采集。待回波数据

采集完毕，遍历存储采集信号的数组，寻找到回波信号峰值，减去设定的参数由此确定阈值，

再寻找到幅值第一次超出阈值时的数组位置，根据ADC采样频