超聲波測距是一種典型的非接觸測量方式。超聲波在氣體、液體及固體中以不同速度傳播，定向性好、能量集中、傳輸過程中衰減較小、反射能力較強。且超聲波測距系統(tǒng)結構簡單、電路易實現(xiàn)、成本低、速度快，所以在工業(yè)自動控制、建筑工程測量和機器人視覺識別等領域應用非常廣泛。
超聲波測距一般采用渡越時間法。超聲波測距的實質(zhì)是時間的測量，即：用超聲脈沖激勵超聲探頭向外發(fā)射超聲波，同時接收從被測物體反射回來的超聲波（簡稱回波），通過精確測量從發(fā)射超聲波至接收回波所經(jīng)歷的射程時間t（渡越時間），按下式計算超聲波探頭與被測物體之間的距離
S，即

其中，c 為空氣介質(zhì)中聲波的傳播速度。
在常溫下，超聲波的傳播速度為340 m／ s，但其傳播速度c 易受到空氣中溫度、濕度、壓強等因素的影響，其中溫度的影響最大。一般溫度每升高1 ℃ ，聲速增加約為0.6 m／ s。
本文采用DS18B20 數(shù)字溫度計來檢測現(xiàn)場溫度，用以實現(xiàn)波速的校準，因很多文獻對此都有說明，故本文不做深入介紹。

1 系統(tǒng)組成
超聲波測距系統(tǒng)由STM32 單片機、超聲波發(fā)射電路、接收電路、放大電路、比較整形電路、測溫電路等組成。系統(tǒng)以STM32 單片機為核心，協(xié)調(diào)各部分電路工作。STM32 單片機首先發(fā)出一系列頻率為40 kHz 的方波， 輸送給超聲波發(fā)射電路并激勵出超聲波。超聲波在空氣中傳播，遇障礙物返回，
進入超聲波接收器，然后經(jīng)過濾波、放大、整形，進入單片機。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

2 硬件設計
2.1 超聲波發(fā)射電路
工作原理為： 由STM32 的高級定時器TIM1 輸出兩路40 kHz、占空比為50%的互補的PWM 信號，經(jīng)過Max232 升壓產(chǎn)生約18 Vpp 來驅(qū)動超聲波發(fā)射器T40-16， 并激勵出超聲波，每次發(fā)射8 個周期脈沖。電路通過三極管Q1 來開、關Max232 的電源，在開始發(fā)射前，打開Max232 的電源，待電路
穩(wěn)定后開始發(fā)射，并在發(fā)射結束后關斷Max232 電源，這樣設計不僅降低了發(fā)射電路對接收電路的干擾，同時也降低了功耗。發(fā)射電路如圖2 所示。

2.2 雙比較器整形電路
超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲束角度是0°到360°，主要集中在0°到±60°，由于安裝殼的阻擋，超聲波不能直接發(fā)射到接收器上。但是因為聲波傳輸?shù)奶匦?#xff0c;聲波會出現(xiàn)未經(jīng)障礙物反射就直接回到接收探頭被檢測到，造成接收器認為是實際發(fā)射收到的回波信號，導致誤報。這種現(xiàn)象就是聲波的衍射
現(xiàn)象，無法避免。衍射信號的幅值隨著超聲波發(fā)射探頭和接收探頭之間距離的增大而減小，實際設計過程中不會將測距模塊設計的太大，因此超聲波收、發(fā)探頭之間的距離也較小，但是當被測距離L 比較小時， 反射信號的幅值相對于衍射信號大的多，所以設置合適的近距離比較器閾值， 就可以完全屏蔽衍射
波，而只有反射波才能通過。本文對遠、近距離的測量采用不同閾值的比較器。近距離比較器測量2.5～50 cm 的范圍，遠距離比較器測50 cm～4 m 的范圍。回波信號由NE5532 放大， 經(jīng)比較器LMV331 整形后進入單片機。回波信號經(jīng)過一級放大后，一路經(jīng)過近距離比較器LMV331，比較整形后進入單片機。另一路進入增益可控可調(diào)的放大電路。其中，NE5532 是一款雙運放、高性能、低噪聲的運算放大器，相比較大多數(shù)標準運放，顯示出更好的噪聲性能， 具有相當高的小信號帶寬和電源帶寬。電路如下圖3所示。

2.3 時間增益（TGC）補償電路
超聲波在空氣中傳播時，聲強隨著傳播距離的增加而減小，這就是所說的聲衰減現(xiàn)象，造成衰減的原因是聲束本身的擴散以及聲波的反射、散射等。由于回波信號的幅值隨著被測距離的增大而呈指數(shù)規(guī)律衰減， 遠距離目標的回波信號幅度小，為了提高測距精度，必須對衰減的回波進行增益補償［6］。
基于此，設計了時間增益補償電路。時間增益補償電路（TGC）通過電子可調(diào)電位器改變輸入電阻來實現(xiàn)，如圖4 所示。

其中，MAX5161 是一種具有32 級抽頭的數(shù)字電位器，端-端阻值為50 kΩ，具有3 線串行接口，實現(xiàn)阻值的調(diào)節(jié)。事先把通過實驗獲得的與一定距離對應的放大增益換算成數(shù)字電位器的抽頭位置，并把這些位置參數(shù)固化到E2PROM中。在測量過程中，單片機通過查表方式獲得對應的增益，然后通過串行設置對應增益。利用單片機控制數(shù)字電位器，電路實現(xiàn)較簡單、增益控制范圍大且補償特性能根據(jù)需要進行
調(diào)整，充分利用了單片機的軟件資源。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的超声波测距系统的设计实现（基于STM32 ）-硬件部分的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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