基于STM32单片机的超声波测距系统设计与实现

张安东

（铜陵职业技术学院，安徽 铜陵 244000）

频率超过20Hz的声波被称为超声波，常见的超声波频率为几十千赫到几十兆赫[1]。由于超声波具有较强的穿透力和能量集中的优点，常用超声波进行非接触测量。对于某些具有危险性或运动复杂性等场合，比如危险环境测距、汽车倒车雷达等场合[2]，采用超声波进行非接触测距显得非常有必要。由于超声波的波速受到温湿度的影响，所以直接使用未经过任何补偿的波速进行计算距离会产生测量误差，对于测量精度要求较高的场合这种测试系统并不合适。针对波速随温湿度变化的情形，文献[3-5]等提出了对超声波进行温度补偿。文献[6]根据文献[7]的结论提出了具有温度和湿度补偿的超声波检测系统，但是文献[6]采用51系列单片机作为控制核心。由于STM32单片机的强大功能和高性价比得到各行业广泛应用，有替代51系列单片机的趋势，所以本文使用STM32单片机作为控制核心，使用TFT液晶屏作为显示设备设计了一个具有温湿度补偿的超声波测距系统。该系统经过测试达到了设计要求。

1 超声波测距原理与温湿度补偿

超声波应用有三种基本类型，分别是透射型、分离式反射型及一体式反射型。分离式反射型一般用于测距[1]，其原理是发射端发射超声波，当超声波在空气中传播遇到被测物时被反射回来，反射回来的超声波被接收端检测到。假设超声波从发射到接收到所用时间为t，超声波在空气中的传播速度为v，则所测距离s=vt/2。

根据文献[6][7]超声波的波速受到被测环境温度和湿度的影响，为了提高测距的精度，对波速进行必要的温度和湿度补偿。补偿公式如（1）式所示。

2 系统硬件设计

2.1 总体方案硬件电路设计

测距系统使用STM32单片机为控制核心，这里采用STM32F103VET6型号单片机。显示部分采用野火3.2寸（240*320）液晶屏，该液晶屏使用ILI9341芯片控制液晶屏，另外该液晶屏还具有触摸功能，通过TSC2046芯片控制触摸[8]。采用HC-SR04超声波模块进行超声波发射与接收。使用传感器SHT11对测距环境进行温湿度的检测，实时实现对超声波波速的补偿。其总体框图为图1所示。

图1 系统框图

2.2 STM32单片机时钟和复位电路

STM32芯片为了实现低功耗，设计了一个功能完善但却非常复杂的时钟系统。从时钟频率来说，又分为高速时钟和低速时钟，高速时钟提供给芯片主体的主时钟，而低速时钟只是提供给芯片中的RTC（实时时钟）及独立看门狗使用。高速外部时钟（HSE）以外部晶振作为时钟源，这里采用8MHz的晶振；低速外部时钟（LSE）这里采用32.768KHz晶振。高速和低速外部时钟引脚分别对应STM32F103VET6单片机的引脚为12和13引脚及第8和9引脚，复位引脚为该单片机的19引脚，具体电路如图2所示。

图2 时钟和复位电路

2.3 液晶显示电路

系统使用野火3.2寸液晶屏（240*320），该屏使用ILT9341芯片为液晶屏控制器。液晶屏控制芯片的内部结构非常复杂，最主要的部分为GRAM（Graphics RAM），可以理解为显存。ILI9341有不同的工作模式，如每个像素点的位数是6、16还是18位；使用SPI接口还是8080接口与MCU进行通讯；使用8080接口的哪种模式等。可以通过对ILI9341控制信号线的配置，来设置工作模式。目前大多数的液晶控制器都使用8080接口与MCU进行通讯，因为它们的时序十分相似，所以本系统设置ILI9341使用8080接口与STM32单片机通讯[8]。由于野火液晶屏还有触摸功能，本系统只用液晶进行显示，不用其触摸功能，所以液晶触摸功能引脚不连接。液晶与单片机连接电路如图3所示。

图3 TFT液晶显示电路

2.4 温湿度传感器SHT11

SHT11是瑞士Sensirion（盛世瑞恩）公司推出的二线制串行接口型温、湿度传感器，可输出经过校准的温度、湿度数据，大大节约了外围器件，应用十分方便[9]。另外SHT11是一种超小型、高精度、自校准、多功能的智能型温、湿度传感器，可同时用来测量同一地点的温度和相对湿度。SHT11共有4个需要连接的引脚。1、4引脚分别接GND和VCC；2、3引脚分别接数据线DATA和时钟线SCK，用于和单片机等控制器连接。连接电路如图4所示。

图4 SHT11连接电路

2.5 超声波传感器HC-SR04模块

HC-SR04最小可测至2厘米，最大测距可达400厘米，测距可达3毫米精度。模块有四个引脚，分别为VCC、GND、Trig和Echo。Trig为触发控制信号输入，Echo为回响信号输出。其时序图如图5所示。

图5 超声波模块时序

由时序图可知，触发信号产生一个10us的TTL高电平后，模块内部循环发出8个40KHz的脉冲，并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号，回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离，即时间间隔乘以波速除以2就得到测量的距离。该模块与STM32单片机的连接通过Trig和Echo引脚与单片机的两个IO连接即可完成，非常简单，这里不给出具体连接电路图。

3 软件设计

系统程序采用多文件形式，包括超声波模块程序文件、TFT液晶显示程序文件、SHT11温湿度检测程序文件及主程序文件，并且每个程序文件对应一个头文件。系统上电后初始化，主程序先调用SHT11程序文件相关函数，返回温、湿度信息。然后调用超声波模块程序相关函数，由单片机PB0口给Trig超过10us高电平触发超声波模块由发射端发射8个40KHz超声波，使用基本定时器TIM6开始定时，当接收端收到超声波时定时结束，得到定时时间。将返回的温湿度值代入（1）式计算温湿度补偿后的波速，再由波速和传播时间计算测量的距离。具体系统程序流程如图6所示。

4 系统测试

软件系统调试完成后进行了系统测试，在10mm至200mm范围内选择了不同测量距离在有无温湿度补偿情况做对比测试。表格中的实际距离是采用精度较高的测量尺进行测量的距离，测量结果如表1所示，表中单位为mm。

图6 系统程序流程图

表1 测量结果对比

从表1可知，具有温湿度补偿后测距精度更高，另外采用TFT液晶显示信息，显示信息更丰富。

5 总结

本文采用STM32单片机作为系统控制核心，设计了一套具有温、湿度补偿的超声波测距系统，该系统采用SHT11温、湿度传感器检测测量环境温、湿度对超声波波速进行补偿，以提高测量精度。超声波传感器使用HC-SR04超声波模块。最后将测量信息在TFT液晶屏上显示。测量结果表明有温湿度补偿后的测量结果明显高于无补偿的情况。