超声波测距系统的设计实现（基于STM32 ）-硬件部分

超声波测距是一种典型的非接触测量方式。超声波在气体、液体及固体中以不同速度传播，定向性好、能量集中、传输过程中衰减较小、反射能力较强。且超声波测距系统结构简单、电路易实现、成本低、速度快，所以在工业自动控制、建筑工程测量和机器人视觉识别等领域应用非常广泛。
超声波测距一般采用渡越时间法。超声波测距的实质是时间的测量，即：用超声脉冲激励超声探头向外发射超声波，同时接收从被测物体反射回来的超声波（简称回波），通过精确测量从发射超声波至接收回波所经历的射程时间t（渡越时间），按下式计算超声波探头与被测物体之间的距离
S，即

其中，c 为空气介质中声波的传播速度。
在常温下，超声波的传播速度为340 m／ s，但其传播速度c 易受到空气中温度、湿度、压强等因素的影响，其中温度的影响最大。一般温度每升高1 ℃ ，声速增加约为0.6 m／ s。
本文采用DS18B20 数字温度计来检测现场温度，用以实现波速的校准，因很多文献对此都有说明，故本文不做深入介绍。

1 系统组成
超声波测距系统由STM32 单片机、超声波发射电路、接收电路、放大电路、比较整形电路、测温电路等组成。系统以STM32 单片机为核心，协调各部分电路工作。STM32 单片机首先发出一系列频率为40 kHz 的方波，输送给超声波发射电路并激励出超声波。超声波在空气中传播，遇障碍物返回，
进入超声波接收器，然后经过滤波、放大、整形，进入单片机。系统框图如图1 所示。

2 硬件设计
2.1 超声波发射电路
工作原理为：由STM32 的高级定时器TIM1 输出两路40 kHz、占空比为50%的互补的PWM 信号，经过Max232 升压产生约18 Vpp 来驱动超声波发射器T40-16，并激励出超声波，每次发射8 个周期脉冲。电路通过三极管Q1 来开、关Max232 的电源，在开始发射前，打开Max232 的电源，待电路
稳定后开始发射，并在发射结束后关断Max232 电源，这样设计不仅降低了发射电路对接收电路的干扰，同时也降低了功耗。发射电路如图2 所示。

2.2 双比较器整形电路
超声波发射器发出的超声束角度是0°到360°，主要集中在0°到±60°，由于安装壳的阻挡，超声波不能直接发射到接收器上。但是因为声波传输的特性，声波会出现未经障碍物反射就直接回到接收探头被检测到，造成接收器认为是实际发射收到的回波信号，导致误报。这种现象就是声波的衍射
现象，无法避免。衍射信号的幅值随着超声波发射探头和接收探头之间距离的增大而减小，实际设计过程中不会将测距模块设计的太大，因此超声波收、发探头之间的距离也较小，但是当被测距离L 比较小时，反射信号的幅值相对于衍射信号大的多，所以设置合适的近距离比较器阈值，就可以完全屏蔽衍射
波，而只有反射波才能通过。本文对远、近距离的测量采用不同阈值的比较器。近距离比较器测量2.5～50 cm 的范围，远距离比较器测50 cm～4 m 的范围。回波信号由NE5532 放大，经比较器LMV331 整形后进入单片机。回波信号经过一级放大后，一路经过近距离比较器LMV331，比较整形后进入单片机。另一路进入增益可控可调的放大电路。其中，NE5532 是一款双运放、高性能、低噪声的运算放大器，相比较大多数标准运放，显示出更好的噪声性能，具有相当高的小信号带宽和电源带宽。电路如下图3所示。

2.3 时间增益（TGC）补偿电路
超声波在空气中传播时，声强随着传播距离的增加而减小，这就是所说的声衰减现象，造成衰减的原因是声束本身的扩散以及声波的反射、散射等。由于回波信号的幅值随着被测距离的增大而呈指数规律衰减，远距离目标的回波信号幅度小，为了提高测距精度，必须对衰减的回波进行增益补偿［6］。
基于此，设计了时间增益补偿电路。时间增益补偿电路（TGC）通过电子可调电位器改变输入电阻来实现，如图4 所示。

其中，MAX5161 是一种具有32 级抽头的数字电位器，端-端阻值为50 kΩ，具有3 线串行接口，实现阻值的调节。事先把通过实验获得的与一定距离对应的放大增益换算成数字电位器的抽头位置，并把这些位置参数固化到E2PROM中。在测量过程中，单片机通过查表方式获得对应的增益，然后通过串行设置对应增益。利用单片机控制数字电位器，电路实现较简单、增益控制范围大且补偿特性能根据需要进行
调整，充分利用了单片机的软件资源。

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